菱形挂篮与三角斜拉式挂篮施工应用对比分析

卓海金 胡文学 段跃华

文章依托崇左至水口高速公路建设项目，结合Midas Civil有限元分析软件，从施工工艺、构造设计、受力特点、结构稳定性等方面对三角斜拉式挂篮和菱形挂篮的施工应用进行对比分析，总结出两种挂篮形式在实际工程应用中的施工特点及结构特性，可为同类桥型施工提供借鉴。

建设项目;三角斜拉式挂篮;菱形挂篮;研究分析

0 引言

随着我国交通事业的不断发展，桥梁施工技术的创新性与实用性变得愈来愈重要。其中，悬臂浇筑挂篮法是当前大跨度桥梁施工的主要施工方法之一，主要包括三角斜拉式挂篮、菱形挂篮、桁架式挂篮、弓弦式挂篮等形式，其具有施工快捷、简便、跨越能力强、受地形因素影响小等特点，对桥梁工程建设发展起着至关重要的作用。本文依托实际工程，从挂篮的施工工艺、构造设计、结构受力、安全稳定性等方面对菱形挂篮与三角斜拉式挂篮施工应用进行对比分析，旨在创新思路，为同类桥型施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

崇左至水口高速公路项目中崇左西左江大桥与上金左江大桥主桥桥跨布置均为77 m+145 m+77 m，全长299 m，Ⅰ级高速公路。大桥分为左、右两幅，左右幅桥面净间距0.5 m。主梁采用变截面单箱单室混凝土箱梁，箱梁顶板宽14.93 m，0#块梁高8.6 m，现浇段及合龙段梁高均为3 m，梁底下缘曲线按1.8次方抛物线变化。崇左西左江大桥采用菱形挂篮施工方法，上金左江大桥采用三角斜拉式挂籃施工方法。

2 挂篮构造设计与应用

2.1 工艺流程

综合实际情况，两种形式挂篮施工工艺流程基本一致。主要为：纵移挂篮就位→锚固后锚→模板打磨→安装箱梁底模、外模→底板、腹板钢筋绑扎及预应力管道安装→安装

内模→顶板钢筋绑扎及预应力管道安装→封堵端模→梁段混凝土浇筑→养生→拆端模、内模→穿预应力钢束及张拉锚具→孔道压浆、封锚→拆底模→纵移挂篮。

2.2 构造设计

两种挂篮主要由主桁架系统、横梁系统、后锚系统、滑梁系统、底纵梁系统、轨道系统、吊带系统、模板系统等组成，构造设计分别如图1和图2所示。从构造上可以发现：

（1）三角斜拉式挂篮主桁架较菱形挂篮多了两道横向连接杆，将两道主纵梁连接起来，这使得三角斜拉式挂篮的整体性更好。但在实际施工过程中，因为两个横向连接杆的垂直高度在1.2～1.4 m之间，会阻碍材料的搬运及人员通行，影响工作效率。

（2）三角斜拉式挂篮的吊带系统由40Cr吊杆与截面为（130×24） mm的钢板连接而成，该吊带系统不仅抗拉性能较好，而且具有较好的柔性，能有效地预防横向冲击力引发的脆性破坏;而菱形挂篮吊带系统采用的是32 mm精扎螺纹钢，该吊带系统抗拉强度高，但柔性效果欠佳，表面若出现裂纹、结疤等缺陷，较易发生横向脆性破坏。

（3）在材料用量上，三角斜拉式挂篮整体钢材用量为75.805 t，重758.05 kN;菱形挂篮整体钢材用量为68.6 t，重686 kN，可见菱形挂篮较三角斜拉式挂篮轻便，从而大大节省了挂篮行走的时间。结合实际施工情况，同等条件下三角斜拉式挂篮行走就位时间为4～5 h，而菱形挂篮只需2～3 h。

（4）这两种形式的挂篮重量与梁段最大重量（1 918.02 kN）的比值分别为0.395、0.357，均在0.3～0.5之间，满足《公路桥涵施工技术规范》要求，较为合理。

2.3 施工空间

单套菱形挂篮拼装后长度为11.76 m（悬臂端为5.5 m），宽度为14.81 m，高度为5.66 m，主桁架间间距为7.4 m;单套三角斜拉式挂篮拼装后长度为13.1 m（悬臂端为6.5 m），宽度为16.70 m，高度为5.72 m，主桁架间间距为7.73 m。通过以上数据可以发现：两套菱形挂篮拼装后长度（除悬臂端）为12.52 m，两套三角斜拉式挂篮拼装后长度（除悬臂端）为13.2 m，整个0#块长度为15 m，因此拼装完成后，三角斜拉式挂篮在0#块桥面上施工操作空间明显较狭小，增加了施工组织难度。同时，大桥单幅顶板宽14.93 m，左右幅中央净间距为0.5 m，针对菱形挂篮，左右幅可以同步组装挂篮施工;而三角斜拉式挂篮由于拼装后宽度过大，左右幅挂篮会出现“打架”，不能同步组装施工，需错开1～2个悬浇节段，因此组织施工较慢，还会造成部分人员“窝工”现象。

3 结构受力分析验算

3.1 挂篮设计荷载及组合

由设计图纸查得，该挂篮施工在进行1#悬浇节段浇筑时所承受荷载为最大，因此取1#悬浇节段浇筑时进行受力分析。

根据《公路桥涵施工技术规范》，荷载组合所选取的设计参数为：

混凝土浇筑时超灌系数：1.05

挂篮行走时冲击系数：1.3

抗倾覆稳定系数：2.0

恒载分项系数：1.2

活载分项系数：1.4

其中，混凝土容重取26 kN/m3;动力附加荷载（振捣）为2.0 kPa;人群及机具荷载为2.5 kPa。

施工荷载组合为：混凝土自重+超灌+挂篮自重+模板自重+动力附加荷载+人群和机具荷载。

根据以上施工荷载组合，计算出上金左江大桥挂篮各部位受力荷载为：

（1）翼缘板荷载：翼缘模板重27.4 kN，下由两根滑梁承载，荷载为：

q1=（1.2×0.55×3.25×26×1.05+1.2×27.4/4.5+1.4×（2+2.5）×3.25）/2=43.17 kN/m。

（2）腹板底荷载：腹板模板重63.3 kN，下由5根纵梁承载，考虑腹板高度渐变，所以荷载为：

腹板底荷载（近端）：q2=（1.2×8.163×0.7×26×1.05+1.2×63.3/4.5+1.4×（2+2.5）×0.7）/5=41.697 kN/m;

腹板底荷载（远端）：q2=（1.2×7.743×0.7×26×1.05+1.2×63.3/4.5+1.4×（2+2.5）×0.7）/5=39.77 kN/m。

（3）顶板荷载：顶板模板重48 kN，下由2根内滑梁承载，荷载为：

顶板底荷载：q3=（1.2×0.625×7.03×26×1.05+1.2×48/4.5+1.4×（2+2.5）×7.03）/2=100.514 kN/m。

（4）底板荷载：底板模板重21 kN，下由7根纵梁承载，考虑底板厚度渐变，所以荷载为：

底板底荷载（近端）：q4=（1.2×1.06×7.03×26×1.05+1.2×21/4.5+1.4×（2+2.5）×7.03）/7=42 kN/m;

底板底荷载（远端）：q4=（1.2×0.85×7.03×26×1.05+1.2×21/4.5+1.4×（2+2.5）×7.03）/7=35.092 kN/m。

同理，计算出崇左西左江大桥挂篮各部位受力荷载：

（1）翼缘板荷载：（翼缘板模板重25.5 kN），q1=42.917 kN/m。

（2）腹板底荷載：（腹板模板重52.3 kN）

腹板底荷载（近端）：q2=51.388 kN/m;

腹板底荷载（远端）：q2=48.98 kN/m。

（3）顶板荷载：（顶板模板重45 kN），q3=100.114 kN/m。

（4）底板荷载：（底板模板重20 kN）

底板荷载（近端）：q4=48.957 kN/m;

底板荷载（远端）：q4=40.897 kN/m。

3.2 挂篮浇筑时受力分析

3.2.1 强度、刚度验算

根据计算荷载，运用Midas Civil有限元软件对两种形式挂篮进行建模分析，受力结果如图3～8所示。

分别将各主要构件受力结果提取分析如表1～2所示。

通过以上数据分析发现：两种形式的挂篮各构件受力检算均满足规范要求，且具有一定的安全储备。其中，最大弯应力发生在内滑梁上，分别为154 MPa和189.9 MPa;最大拉应力发生在吊带系统的精扎螺纹钢上，分别为243.6 MPa和324.3 MPa。三角斜拉式挂篮最大剪应力发生在后下横梁上，为42 MPa;菱形挂篮最大剪应力发生在前上横梁处，为45 MPa，应力安全储备较大。根据受力情况还可看出两种挂篮主桁架受力形式不同：三角斜拉式挂篮主纵梁以受弯为主，斜拉带及立柱分别以受拉、受压为主，因此三角斜拉式挂篮主桁架属于杆梁组合结构，这种组合结构能较好地发挥材料的自身特性，整体结构稳定性好;菱形挂篮的主桁架主要受拉压应力作用，属于杆系结构，各杆件受力较为均衡，结构变形小。由于受力形式的不同，使得挂篮主桁架在材料和截面形式的选择上有差异，综合看来菱形挂篮整体钢材用量较小，同时也较轻便，更有利于实际施工应用。

3.2.2 抗倾覆性验算

1#块混凝土浇筑时为最不利状态，因此检算主桁架的抗倾覆性。主桁架受力如图9～10所示。

根据图9可得，三角斜拉式挂篮悬挑端所受的合力P=（976.9-423.2）kN=553.7 kN，则倾覆弯矩为Mq=553.7×5.5=3 045.35 kN/m。单根主纵梁后锚采用6根32 mm精扎螺纹钢锚固，则抗倾覆弯矩为Mk=6×3.14×（0.032/2）2×770×103×6.5=24 139.315 kN/m，抗倾覆安全系数K=Mk/Mq=24 139.315/3 045.35=7.9>2，满足要求。

同理，由图10可得，菱形挂篮悬挑端所受合力P=905.5 kN，则倾覆弯矩为Mq=905.5×5.5=4 980.25 kN/m。单根主桁下弦杆后锚采用6根32 mm精扎螺纹钢锚固，则抗倾覆弯矩为Mk=22 839.505 kN/m，抗倾覆安全系数K=4.5>2，满足要求。

通过以上分析发现，三角斜拉式挂篮在浇筑时的安全稳定系数较高，即安全性较优于菱形挂篮。

4 结语

综合以上分析可知，菱形挂篮与三角斜拉式挂篮施工工艺基本相同，但在构造设计上，菱形挂篮结构设计更为简便、灵活、适用性强，较为经济合理，施工速度较快，且杆件受力较均匀;三角斜拉式挂篮虽然在构造设计上不够优化，但经过受力分析检算，其整体的稳定性较高，安全性能较好。因此，在实际施工应用中两种形式挂篮各有利弊。

[1]王常才.某特大桥挂篮施工方案及计算分析[J].长沙大学学报，2015，29（5）：17-22.

[2]薛伟锋.菱形挂篮悬臂浇筑施工技术要点及技术浅析[J].珠江水运，2018（16）：96-97.

[3]张 峰，邵 晨.基于菱形挂篮悬臂浇筑施工技术应用研究[J].黑龙江交通科技，2017，40（12）：140-141.

[4]姜宝仁.某特大桥不等跨连续梁施工技术研究[D].杭州：浙江工业大学，2016.

[5]李树浩.阳和大桥悬臂浇筑施工技术[D].天津：天津大学，2010.