苏州长浒大桥复合式牵索挂篮结构设计与计算分析

李建宁 徐兴伟 靳江海 陈进明

（1.中铁十七局集团有限公司 山西太原 030006；2.山东高速科技发展有限公司 山东济南 250000）

1 工程概况

苏州长浒大桥辅道桥全长407 m，主跨为（104＋m预应力混凝土斜拉桥。斜拉桥结构为塔墩梁固结体系，拉索为密索、扇形单索面形式。全桥共设置24对斜拉索，每对斜拉索由横向间距为1.4 m的两根拉索组成，平行布置于中央分隔带内，扇形索面，标准索距为7 m。索塔呈宝塔形，塔高69.457 m，其中上塔柱高32.016 m，中塔柱高23.984 m，下塔柱高13.457 m，索塔在桥面以上高度为55 m。主梁为单箱双室斜腹板箱梁截面，中心梁高2.1 m，顶板宽19 m，底板宽8 m，箱梁顶板设1.5%的单向横坡，底板水平，标准节段长7 m，重约230 t，采用复合式牵索挂篮悬臂浇筑施工。该桥桥型布置及断面如图1、图2所示。

图1 桥型布置（单位：cm）

图2 箱梁横断面（单位：mm）

2 复合式牵索挂篮设计思路

目前斜拉桥悬臂施工中传统挂篮结构包括后支点挂篮和牵索挂篮，常规的传统挂篮在长节段、大吨位、宽主梁和单索面斜拉桥悬臂浇筑施工存在缺陷与不足，复合式牵索挂篮在传统挂篮的基础上进行改进，综合了后支点挂篮和牵索挂篮的优势，使得结构受力更合理，适应性得到进一步拓展。

2.1 后支点挂篮特点

采用后支点挂篮进行斜拉桥悬臂施工，挂篮与索塔没有直接联系，挂篮行走到位后将后锚系统锚固在已浇筑梁段完成下一节段混凝土浇筑。该挂篮结构设计及悬臂浇筑工艺较为简单，不需要调索，结构横向稳定。其缺点在于挂篮主梁为悬臂受力，对其刚度有很高的要求。此外，挂篮自重、混凝土湿重及施工荷载通过后锚点传递到已浇筑梁段，锚固点受力大且集中，会使后锚点顶板处混凝土产生拉应力，甚至出现裂缝等危害。现在混凝土箱梁截面越来越大，悬臂浇筑阶段越来越长，后支点挂篮的劣势越来越明显［1］。

2.2 牵索挂篮特点

牵索挂篮［2-3］前端设置弧首结构与斜拉桥拉索相连，改变了后锚点挂篮悬臂受力为前后支点共同受力的简支形式，大大改善了挂篮的受力状况［4］，该挂篮形式在双索面斜拉桥和宽度小、节段轻的单索面斜拉桥中应用较多。长浒大桥为单索面斜拉桥，两根拉索横向间距1.4 m，受力点集中，传统牵索挂篮悬臂浇筑时前端横向稳定性差。该桥梁梁体截面宽度大，悬臂浇筑节段长，加载不对称和河面风荷载均会造成挂篮的横向失稳，结构稳定性不易控制。此外，挂篮前端横向悬臂伸出长，悬臂施工对牵索挂篮主横梁的刚度要求很高，横向标高、挠度控制难度大。若设置C型梁，支撑点选择和设计制作难度较大，并且会增加钢材使用量，结构笨重不便于施工。

2.3 复合式牵索挂篮设计思路

复合式牵索挂篮［5-7］是在充分发挥后支点挂篮和牵索挂篮各自特点和优势互补的基础上提出的。

（1）相比于后支点挂篮，复合式牵索挂篮在底承重系统中增加了中纵梁及弧首结构，将拉索与弧首连接作为挂篮前支点，通过前支点将混凝土湿重等荷载传递至主塔，大大减小了后锚点处已浇混凝土承受的局部力，使结构整体受力更加合理，材料使用效率更高。此外，通过分次调节索力值和分阶段浇筑混凝土使得各个施工阶段的结构应力和主梁线形更便于控制。

（2）相比于牵索挂篮，复合式牵索挂篮在箱梁两侧顶部各增加了一组主梁，该主梁选用自重轻、便于拼装拆卸的贝雷桁架，形成类似后节点挂篮的结构形式。该贝雷片主梁既可作为走行结构又可以在浇筑过程中辅助受力，解决了浇筑和走行状态下单索面斜拉桥拉索作用在桥轴线位置引起的挂篮横向不平衡和扭曲变形问题。此外，在梁面两侧增加两个前支点解决了挂篮前端横梁悬臂过长引起的挠度变形问题，便于梁体横断面线形控制。

（3）复合式牵索挂篮通过拉索对挂篮施加向上预拉力使挂篮产生一个负向弯矩，可以大大削减挂篮结构内力峰值。为了避免拉索施加预应力时外侧前支点产生向上反力引起前吊带受压和贝雷片主梁反挠问题，在张拉过程中应释放前吊带约束，待张拉到位后再将前吊带与底承重系统进行约束，然后前吊带与弧首处拉索共同承受浇筑过程中混凝土湿重、施工荷载等各类荷载。

（4）本挂篮设计采用分级张拉［8］、分阶段浇筑的施工工艺使得挂篮结构的受力形式更加优化合理，具体为拉索索力预张拉至30%后浇筑混凝土30%（底板上倒角处），第二次索力张拉至60%后浇筑混凝土至60%（顶板下倒角处），第三次索力张拉至100%后浇筑剩余全部混凝土，第四次索力张拉至110%后完成拉索锚固端从挂篮弧首到混凝土主梁的体系转换，挂篮弧首约束释放后由贝雷片主梁作为主承力结构完成挂篮走行，进行下一节段混凝土浇筑。

（5）在斜拉桥悬臂浇筑过程中，每一节段的拉索倾角是不断变化的，因此本挂篮前端设计为弧形梁结构，在弧形梁中间设置便于拉索通过的通道。本挂篮还设计了一个可以在弧首底面自由滑动的弧首工作锚，工作锚左右面设置吊钩反吊在弧首上防止掉落，前后面设置能与倒链连接的拉环来调整角度。弧首工作锚及弧首结构见图3～图4。该设计使得弧首受力面始终与拉索拉力垂直，结构受力合理，材料性能得到了充分利用。

图3 弧首工作锚结构

图4 弧首结构

3 挂篮结构形式

该挂篮设计包括底承重系统、弧首牵索系统、梁顶主梁系统、吊带及平衡锚固系统、走行系统、止推系统、模板系统等［9-10］。结构形式见图5～图6。

图5 挂篮底承重系统平面

图6 挂篮结构形式

（1）底承重系统：由4根纵向钢箱梁和前、后横向钢箱梁及边纵梁尾端走行桁架组成，纵、横箱梁顶面以分配桁架代替传统型钢分配梁可以减少材料用量及结构自重。

（2）弧首牵索系统：在底中纵梁前端设置弧形梁结构及操作平台，进行拉索张拉及锚固工作。弧首结构复杂，因此应进行局部加强。

（3）梁顶主梁系统：由两组贝雷桁架组成，每组桁架由4片贝雷片组成。

（4）吊带及平衡锚固系统：前吊带锚固在梁顶贝雷桁架前端，后吊带锚固在混凝土梁底板。锚固系统由精轧螺纹钢及扁担梁组成。

（5）走行系统：以工字钢作为轨道系统，尾端设置后锚抗倾装置。贝雷桁架通过液压千斤顶，沿轨道纵向推移，挂篮底平台尾端设桁架式滑梁通过吊带与滚轮装置吊挂于桥梁底板走行。

（6）止推系统：由钢板焊接成钢箱形式，插入到混凝土梁底板预留孔内，水平荷载由止推构件作用于已浇筑混凝土梁段平衡。

（7）模板系统：挂篮底模、侧模采用钢模板，由8型钢、75×5角钢及Q235B钢板组焊而成。随底承重系统下降50 cm完成脱模后走行，挂篮移到位后再将其提升至标高位置。内模采用木模拼装。

4 挂篮结构分析计算

对挂篮结构进行分析计算［11］主要包括以下几部分：（1）挂篮施工工况的划分；（2）拉索索力确定；（3）挂篮结构计算分析。

4.1 施工工况划分

混凝土主梁结构为等截面箱梁，1#～11#悬浇节段箱梁质量基本相同。11#梁段施工时，拉索索力最大，因此以浇筑11#段对挂篮进行最不利工况验算。具体划分工况见表1。

表1 计算工况

4.2 拉索索力确定

计算索力［12-13］可假定拉索前端为支点，然后求得在各工况下的恒载与活载作用的竖向反力，通过竖向反力与拉索的角度换算斜拉索索力值。

4.3 挂篮结构数值计算

4.3.1 挂篮整体模型

根据挂篮的结构形式及受力特点，利用有限元软件Midas civil进行挂篮整体及止推块等关键构件局部建模计算。挂篮整体模型见图7。模型共有节点3 405个，单元4 642个。吊杆、斜拉索采用桁架单元，其他杆件均采用梁单元模拟。模型在浇筑状态及走行状态的约束施加情况见表2。

图7 挂篮Midas整体模型

表2 模型约束施加情况

4.3.2 挂篮受力分析

挂篮结构主承力构件为底平台系统，浇筑混凝土时荷载的传递路径见图8。

图8 混凝土浇筑时荷载传递路径

4.4 计算分析结果

该挂篮根据结构受力特点，底承重系统、吊带、止推系统采用Q345钢材，分配桁架纵梁采用Q235钢材。通过计算，工况一下挂篮结构为最不利工况，工况一中挂篮各构件的计算结果见表3。结果表明，该挂篮整体结构的应力、变形等力学性能满足规范要求。由图9～图11可以发现，挂篮止推构件作为抵抗挂篮水平力的关键构件，最大主应力为183 MPa，最小主应力-183 MPa，有效应力为177 MPa，满足规范要求。因此，该挂篮结构设计安全合理，能够满足施工需要，可投入使用。

表3 工况一中挂篮主要杆件计算结果

图9 止推构件最大主应力（单位：MPa）

图10 止推构件最小主应力（单位：MPa）

图11 止推构件有效应力（单位：MPa）

5 结论

复合式牵索挂篮结合了后支点挂篮和牵索挂篮的优点，利用牵索和贝雷纵梁共同传力及进行体系转换；拉索对挂篮施加向上预拉力使挂篮产生一个负向弯矩，可以大大削减挂篮结构内力峰值；贝雷纵梁增加了挂篮前端横向稳定性。研究表明，复合式牵索挂篮结构设计安全可靠，传力明确合理，材料利用效率高，整体结构轻，操作简便，综合性能指标优越。