高大跨连续刚构悬浇挂篮改造升级与应用

万国锋

(中国铁建昆仑投资集团有限公司 四川成都 610000)

1 工程概况

云南省某工程高墩大跨连续刚构为95.95 m＋180 m＋95.95 m三向预应力结构。箱梁0＃块长度为12 m，梁段长度和梁段数量从1＃块到跨中依次为3.0 m(8块)、3.5 m(10块)、4.0 m(6块)，共24 个对称节段，悬臂总长度达83 m。在未考虑施工荷载的情况下，1＃块梁段为最重梁段，控制重量为2 983.4 kN。

箱梁顶板宽度9.5 m，底板宽度5.25～6.25 m，箱梁高度4.6～13.8 m，翼缘板悬臂长1.625～2.125 m。所用挂篮为经改造设计、曾在中南通道蔚汾河特大桥使用过的菱形挂篮。刚构支座处箱梁断面见图1。

图1 刚构支座处结构断面(单位：mm)

2 改造前既有铁路挂篮结构

既有铁路挂篮由4部分组成，分别为主构架、行走装置、底模架、后锚装置。原有挂篮结构见图2。挂篮自重70 t，适应宽度13.80 m，高度5.50～9.50 m，浇筑节段3.0～4.5 m，设计最大悬浇荷载为240 t。

图2 改造前中南通道挂篮(单位：mm)

(1)主构架

挂篮主桁架为两个三角形组合而成的菱形结构，主桁架各杆件均采用两根36b槽钢组合对接焊接而成的“口”字形结构。桁架各杆件之间通过φ90 mm大钢销连接，材料为40Cr调质。主构架结构自重为16 t。节点板孔壁厚度均为41 mm，销孔直径为91 mm。主构架前上横梁长度为10.0 m，重量2.8 t，采用两根56b工字钢组合对接焊接而成的箱形结构[1]。

(2)行走装置

既有挂篮走行系统由三部分组成，分别为走行轨道梁、液压油缸、锚固扁担梁[2]。每根轨道长10.5 m，由25 mm和20 mm钢板组焊为Ⅱ型断面，在箱梁腹板处采用φ32竖向精轧螺纹钢通过锚固扁担梁将走行轨道梁锚固。

(3)底模架

既有挂篮底模架由三部分组成，分别为底模前后横梁、底模纵梁、底模模板[3]。底模纵梁长度为5.53 m，选用HN400×200×8/13热轧H型钢。前后下横梁之间采用14根纵梁共同承受箱梁底模板荷载。前后下横梁分别设置4个和6个吊点，分别采用36b和40b槽钢组合对接焊接而成的“口”字形结构[4]。

(4)后锚系统

后锚装置采用3根后锚扁担安装于主构架后端点上，利用6根φ32精轧螺纹钢一端连接后锚扁担，一端锚固在混凝土梁顶板上。

3 挂篮升级改造设计

由于本工程采用上下双室结构，既有铁路挂篮难以满足本工程刚构悬臂浇筑施工要求，因此需对中南通道蔚汾河特大桥铁路挂篮进行升级改造。

3.1 悬浇部分箱梁结构对照分析

中南通道蔚汾河特大桥箱梁为单箱单室变截面变高度结构，结构简单，便于悬臂浇筑施工。本工程连续刚构箱梁结构为上下双室变截面变高度箱梁，结构复杂，大大增加了悬臂浇筑施工难度，其结构尺寸对照分析见表1。

表1 箱梁结构对比分析

对比分析可以看出，蔚汾河特大桥的桥跨布置远小于本工程，本工程连续刚构箱梁结构高度、最大节段重量均大于蔚汾河特大桥，因此既有铁路挂篮无法满足本工程施工要求，需要对既有铁路挂篮进行优化改造升级。

3.2 挂篮改造

根据对比分析，由于本工程梁段高度及重量均大于蔚汾河特大桥，因此需要对既有铁路挂篮进行改造。

3.2.1 主纵桁梁

(1)前上横梁

前上横梁改造时，将同材质、等截面H型钢对接组焊接长，接长后长度为8.96 m。焊缝处通过缀板补强，内设加劲钢板，中间采用长0.48 m的 25c连接。两片主桁架通过前上横梁连接为框架结构，并在前上横梁上安装安全防护栏杆以保证操作人员作业安全[5]。

(2)横联(竖联)

既有铁路挂篮横联为桁架结构，每片4节，每节长度1.4 m。斜杆采用2 14槽钢及12 mm节点板组合对接焊接成的封闭结构，上下弦杆采用2 14槽钢组合对接焊接形成箱形结构[6]。改造过程中，先取掉横联一端钢销，变为与原结构相同的缀板连结体系，然后取下端部下弦杆，更换为4节长度932 mm的上下弦杆。横联改装见图3。

图3 横联改造(单位：mm)

(3)外滑梁

将吊梁尾端割除1.2 m，再将吊梁的两根横梁割除，同时增加两根横梁，长度为88 mm，并和吊梁周边焊接。吊梁中间部位的横梁上下各需要增加一块12 mm厚的钢板，规格为(562×190×12)mm。将其和吊梁、横梁进行周边焊接，焊缝高不小于8 mm。吊梁中间部位的横梁中部需要同原设计一样有一个φ40 mm的孔用于穿过精轧螺纹钢，横梁内的筋板与原设计一致。外滑梁的改造见图4。

图4 外滑梁改造(单位：mm)

(4)主构架稳定措施

3.2.2 底模架

底模纵梁选用同等材质、同等截面H型钢满焊接长，接缝处采用缀板补强，并增设加劲肋板。因承重需要纵梁数量升级为14根，其中8根长度6.83 m，6根长度5.83 m，长出来的部分上铺设横向工字钢及模板作为施工平台[8]。

前后下横梁按照箱形结构重新加工，箱形结构采用两根HN400×200×8/13的H型钢组合对接焊接而成[9]。前横梁长7.44 m，后横梁长8.58 m。前后下横梁分别布置4个和6个吊点，横梁吊点均采用两边精轧螺纹钢筋连接＋中间钢板吊带连接，其中前下横梁为两边各有1根精轧螺纹钢筋连接＋中间2根15 000×200×30 mm Q345B钢板吊带连接；后下横梁为两边各有2根精轧螺纹钢筋连接＋中间2根(5 500×200×30)mm Q345B钢板吊带连接。

3.2.3 后锚装置

主构架后端点设置后勾轮反勾在行走轨道顶板下缘，每片主桁架后端点两侧各利用3根φ32精轧螺纹钢通过后锚扁担锚固。

3.2.4 行走系统

中南通道蔚汾河特大桥所使用的后钩轮为单轮结构，而本工程挂篮结构总重约110 t，比蔚汾河特大桥所用挂篮重30 t，经验算后钩轮单轮轴承接近抗压极限，故将本工程挂篮后钩轮改造为双轮。因本工程刚构挂篮吨位大，故而在挂篮行走过程前，设置挂篮防护板[10]。此外，轨道不需要重新加工。

4 挂篮结构检算和现场试验验证

4.1 挂篮整体结构检算

结构验算采用容许应力法。各种热轧普通工字钢、热轧普通H型钢以及槽钢、钢板等均采用Q235B材质。由于是临时结构，因此其拉压容许应力按150 MPa确定，其余特殊材质的Q345B钢板容许应力按210 MPa确定[11]。主构架结构计算简图见图5。

长期不活动将导致骨骼肌的丢失、体弱、酸血症、胰岛素抵抗及血栓形成等并发症，并将导致工作能力的下降。早期活动可以减少胸部并发症及减少不活动引起的胰岛素抵抗；联合早期下床活动及营养支持，将改善肌肉强度。研究发现，术后早期活动与ERAS的成功与否显著相关[2]。相反，术后第1天不能早期下床活动，可能是由于镇痛不足、持续的静脉输液、留置盆腔引流管、患者的动力及合并疾病等因素所导致。有研究发现，不能下床活动是影响ERAS依从性及延长住院时间重要因素之一。

图5 主构架结构计算简图(单位：mm)

(1)应力检算

主构架前端作用力:

分析得到后支点反力:

各杆件内力分别为:

所以各截面的正应力为:

(2)BC杆稳定性验算

查表得:

(3)后锚验算

在悬臂浇筑作业时，挂篮通过6根精轧螺纹钢锚固于走行轨道梁上，走行轨道梁通过4根精轧螺纹钢锚固于箱梁腹板内，因此其锚固力为:

[N]＝4×500＝2 000 kN

主构架后支点反力R＝932.1 kN

锚固安全系数:

挂篮主构架前端挠度为:

fmax＝0.021/1.08＝0.019 m

通过各项计算数据表明，升级改造后挂篮整体结构满足使用要求。

4.2 改造杆件检算

改造后杆件除验算其强度及刚度外，还需对连接耳板处钢销进行检算。

(1)前上横梁

前上横梁重量3.24 t(含施工荷载)，长度为9.0 m，则其均布荷载按0.36 t/m计算。图6中的荷载是两根H型钢共同承受的荷载，进行结构检算时用单根进行计算，荷载则用全荷载，计算结果中的应力及变形值均除以2得出实际值。经验算，前上横梁竖向位移及最大应力均满足要求。

图6 1/2前上横梁受力简图(单位：mm)

(2)前、后下横梁

在挂篮走行过程中，挂篮底模自重按20 t考虑，底模后横梁承受10 t，底模共设置16根纵梁，因此每根底模纵梁支反力为0.7 t。

在浇筑作业过程中，每根纵梁传递的集中荷载分别为12 t和8.8 t，加上底模自重，计算荷载分别为 12.7 t和 9.5 t。

采用单根HN400×200×8/13的H型钢进行计算，则其计算应力和变形值均除以2得出实际应力和变形。受力简图见图7。经验算，后下横梁竖向位移和最大应力均满足要求。

图7 1/2后下横梁受力简图(单位：mm)

底模前横梁承受底模纵梁传递的集中荷载分别为7.3 t和5.3 t，再加上0.7 t的底模自重，则计算荷载分别为8.0 t和6.0 t。同样采用单根HN400×200×8/13的H型钢进行计算，其计算应力和变形值均除以2得出实际应力和变形。受力简图见图8。经验算，前下横梁竖向位移和最大应力均满足要求。

图8 1/2前下横梁受力简图(单位：mm)

(3)外滑梁

外滑梁的强度和刚度验算与前后下横梁相同，利用同等规格材质的精轧螺纹钢分别与前上横梁和箱梁顶板连接。经检算，外滑梁的竖向位移及最大应力均满足要求。

4.3 现场试验验证

开展现场载荷试验对挂篮正式安装使用至关重要，通过载荷试验测量得出挂篮的弹性及非弹性变形量值，为箱梁立模标高量的确定提供依据。

将对称平放的挂篮主桁架采用精轧螺纹钢通过扁担梁进行锚固，然后在其后端点采用液压油缸的加载方式实现顶升。加载荷载值为最大后锚反力，即97.2 t，加载分5次进行。

初始加载至10 t→第二次加载至40 t→第三次加载至70 t→第四次加载至90 t→第五次加载至97.2 t(含1.2倍系数)。

通过荷载试验，得出菱形桁架的总体变形为26 mm，塑性变形为12 mm，弹性变形为14 mm，在理论计算允许误差范围内。试验结果表明，结构在压力作用下呈现两阶段变形，第一阶段为塑性变形，第二阶段为弹性变形，变形量与荷载呈正比例线性增长趋势。

5 结束语

结合本工程实际情况和结构特点，对既有铁路挂篮进行升级改造。升级改造后效果明显，一是大幅降低了挂篮重新制作的生产成本，提高了周转使用率，经济效益显著；二是升级改造时间短，大幅度缩减了新制挂篮的制作周期，工期有保证。