公铁两用连续(刚构)桥“群”挂篮设计与施工管控

李志辉

（中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津 300300）

1 工程概况

1.1 大桥简介

新建福平铁路平潭海峡公铁两用大桥跨越北东口水道部分长3 712 m，采用公铁合建结构，铁路为简支箱梁位于下层，公路梁按两幅设置位于上层，形成倒“品”字结构。公铁主跨（通航孔）均采用92 m+2×168 m+92 m预应力混凝土连续刚构，其余桥跨（非通航孔）铁路为64 m、40 m简支梁，公路左右幅各为5联（40 m+n×64 m+40 m）连续梁，孔跨与铁路简支梁跨度相对应。见图1。

图1 平潭海峡公铁两用大桥概略图

主跨铁路箱梁截面为单箱单室直腹板，悬臂浇筑21段+合龙段，墩顶梁高11.6 m，顶宽12.2 m、底宽8.5 m，0＃块长13 m，其余梁段分别长3 m、3.5 m、4 m，合龙段长2 m。

主跨公路箱梁截面采用单箱单室斜腹板变截面，悬臂浇筑23段+合龙段，墩顶梁高10.5 m，顶宽17.5 m，箱底宽6.2～8.272 m，0＃块长13 m，其余梁段分别长2.5 m、3 m、4 m，合龙段长2 m。

非通航孔公路箱梁截面采用单箱单室斜腹板变截面，悬臂浇筑7段+合龙段，顶宽17.5 m，0＃块长9 m，其余梁段分别长3.5 m、4 m。

1.2 施工环境条件

1.2.1 气象条件

桥址区为典型的海洋性季风气候，位于海坛海峡和台湾海峡之间，受大陆与台湾岛之间海峡上的“穿堂风”增强效应的影响，导致风速大、频次高。据统计，全年6级以上大风超过309 d，7级以上大风超过234 d，8级以上123 d，年台风3.8次，受地形影响，在北东口水道形成“沟谷”通道，风速进一步加强集中，8级风速20.8 m/s，14级风速45.4 m/s。

1.2.2 交叉干扰大

公铁合建导致铁路梁、公路墩、公路梁立体交叉，铁路梁节段拼装、公路墩施工、公路梁左右幅挂篮施工相互制约，依次阶梯状平行施工。

1.2.3 施工组织复杂、安全管控大

为了满足大桥施工工期，公铁主跨、公路梁共计投入79对挂篮形成“群”挂篮同时批量施工，为目前世界上唯一一座同步投入挂篮施工最多的桥，施工组织复杂，安全管控难度极大。

2 挂篮设计

2.1 挂篮选型

挂篮设计考虑自身材料来源、材料型号、桥梁要求、桁架刚度、施工方便等因素的差异，在上桁架上作出了各式各样的变化，由此衍生出各种形式的挂篮结构[1]。在本桥主要以三角挂篮、菱形挂篮进行对比分析:

菱形挂篮优点[2]:杆件采用型钢组焊成箱形结构，结构简单、受力明确，各杆件均为拉压杆件，不存在受弯现象，后端锚固于主梁顶板上，前面部分空间较大，对工人操作影响较小；缺点:挂篮重心较高，主桁前上横梁离桥面较高，存在一定安全隐患。

三角挂篮[3]:杆件采用型钢组焊接成箱形结构，主桁架横梁也可采用钢板组焊，斜杆设计采用钢带。其优点:结构简单、受力明确、承重能力大、重心较低，悬灌浇筑时挂篮稳定性和挂篮行走时的稳定性较好；缺点:操作空间小，不方便施工。

根据本桥箱梁结构形式，结合不同形式挂篮的优缺点，及综合考虑本桥所处特殊的海上大风施工环境，设计采用重心较低的三角挂篮进行悬臂浇筑施工。

2.2 结构适应性设计

针对桥址区风大、频次高以及台风频繁等恶劣施工条件，对挂篮进行专项抗风适应性设计，即:三角挂篮设计在7级风施工状态下，结构应满足自身拼装施工过程中的安全；在8级风工作状态下，挂篮应满足施工荷载作用下的安全和适用性的要求，并具良好的安全储备；7级风施工状态下进行挂篮走行；8级风以上挂篮停止施工，在14级风极限非工作状态下，挂篮应能满足整体安全性的要求，主体结构不被破坏。

2.2.1 结构构造

挂篮主要由三角主桁架、行走及锚固系统、悬吊系统、底模系统、模板系统五大部分组成。挂篮主桁架底纵梁、竖杆均采用2HN600×200型钢，前后斜拉杆采用双拼28b槽钢，内模滑梁采用2HN350×175型钢，内外模滑梁采用2HN350×175型钢，前上横梁采用2HN600×200型钢，底模前后下横梁均采用双拼40b槽钢，底纵梁采用双拼 36b槽钢。底模后吊杆数量3个，为φ50 mm精轧螺纹钢，前吊杆数量为2个φ32 mm精轧螺纹钢，其余两侧四个为160 mm×30 mm吊带，内外滑梁吊杆均为φ32 mm精轧螺纹钢，挂篮结构见图2。

图2 铁路梁/公路梁挂篮结构

2.2.2 结构设计

有限元模型:采用有限元设计软件MIDAS/CIVIL对三角挂篮建立梁单元/板单元计算模型，并根据主桁架杆件之间采用销接方式释放梁端约束将杆件调整为桁架杆（只承担轴向拉力与压力）进行抗风性能有限元分析[4]，见图3。

边界条件:根据三角挂篮结构设计特点，在三角挂篮的主桁后锚、底篮后锚、侧模后锚等位置设置约束条件。

施工荷载:本工程施加的荷载分为恒荷载与活荷载两类，其中恒荷载主要为结构本身自重及混凝土荷载；活荷载主要是风荷载，选择挂篮走行7级风、工作状态8级风、抗14级台风进行施加模拟分析。

计算结果:通过分别对三角挂篮7级风、8级风、14级风状态下强度、刚度、倾覆稳定性进行分析计算[5]，均满足设计规范倾覆稳定性系数不小于2，变形不大于20 mm的要求，部分应力云图见图4。

图3 三角挂篮计算模型

图4 三角挂篮计算应力云图

3 挂篮施工管控

三角挂篮安装主要利用墩旁塔吊进行起重安装，其施工工艺流程:施工准备→走行轨道铺设→主桁安装→后锚安装→前后悬吊安装→底模安装→内外模安装→安全操作平台安装[6]。

为了确保公铁两用大桥挂篮群交叉施工安全及质量，采用以下措施进行施工作业管控。

3.1 可视化仿真BIM技术施工

针对通航孔铁路/公路上下，左右两幅挂篮、非通航孔左右两幅挂篮等多个作业面交叉施工以及大风条件的影响，利用BIM技术建立起多个作业面组成的挂篮群施工空间碰撞、时间冲突、环境影响、结构响应的四维模型，为科学预判及优化施工组织提供依据，确保挂篮群施工组织有序、高效。

3.2 施工作业条件的界定

本桥址区6级风为常态，风的影响贯穿挂篮施工全过程，若根据相关规范及技术规程，遇6级及以上强风时必须停止露天吊装作业、室外攀登与悬空等作业[7-9]，则挂篮悬浇施工，人员、设备窝工严重，无法满足合同工期要求。

根据现有的施工环境条件，为了减少大风天气对挂篮施工的影响，减低施工安全风险，在采取相关措施确保工序施工安全前提下，对各工序施工的风力条件进行了界定，明确相关工序作业条件，见表1。

表1 挂篮施工工序作业条件

3.3 现场作业管控

针对现场大风条件下挂篮群施工作业，建立挂篮施工作业全过程适时控制。在挂篮施工现场安装风速仪、显示屏，适时监控现场风力等级，并对照挂篮施工工序作业条件适时发布施/停工指令，合理安排现场施工，超过9级风时禁止桥上挂篮一切施工。

3.4 专业化作业管控

针对超大规模挂篮群施工按照“架子队”模式组建专业化班组，即挂篮安装走行班组、钢筋加工班组、钢筋安装班组、混凝土班组、预应力张拉班组、孔道压浆班组等，进行合理配置资源，实现工序作业专业化、规模化，形成挂篮群流水作业，均衡生产，确保现场安全、质量。

3.5 抗台风措施

增加预留孔措施:每节挂篮施工梁段增加预留孔，确保在台风期挂篮侧模板与已浇筑完混凝土段重叠处安装精轧螺纹钢将挂篮侧模与已浇筑完混凝土收紧牢固；临空处两侧模采用精轧螺纹钢进行对拉[10-11]。

增加M型桁架措施[12]:前下横梁与双拼槽钢组成M型桁架整体，在浇筑前一梁段混凝土之前在端面提前预埋钢板，当台风来临之前用双拼槽钢一端焊接在预埋板，另一端与挂篮前下横梁连接，限制前下横梁在风荷载作用下自由晃动，详见图5。

图5 M型桁架

当挂篮完成上一梁段施工，准备走行过孔之前，接到台风预警时，挂篮严禁走行下一孔；当挂篮走行至下一梁段，接到台风预警，采用预留孔措施及M型桁架措施加固。

4 结束语及建议

4.1 结束语

平潭海峡公铁两用大桥跨越北东口水道部分于上部结构连续（刚构）梁于2017年1月开始挂篮施工，并于2019年7月全部合龙贯通，全桥共计13联一次性投入79对挂篮组成挂篮“群”施工，两年半施工期间通过对挂篮适应性高标准设计以及采取特殊措施进行施工作业管控，安全度过了施工期5次影响较大的台风以及两个季风期，同时确保了挂篮施工现浇质量，验证了群挂篮适应性高标准抗风设计，以及采取的施工作业管控措施满足现场施工条件，为后期类似施工条件桥梁建设提供借鉴。

4.2 建议

针对现场挂篮使用的模板断面高度较大，最高达到11.6 m，模板本身及挂篮系统稳定性较差，对侧模增加导流板设计。见图6。

图6 侧模板增加导流板示意

增加导流板后的模板静力三分力系数比普通模板小50%，风压与湍流强度都比普通模板弱，通过对模板增加导流板稳定性更高，减小抖振效应，抗风效果更佳。

针对挂篮后锚系统预埋精轧螺纹钢垂直度不可控，影响挂篮后锚稳定性的问题，建议在已浇筑梁体顶板、翼板上用PVC管预留孔位，通过预留孔位安装锚固杆，上下采用锚固螺栓固定挂篮后锚，不仅解决了锚固杆垂直度控制难的问题，同时具有快速安装、拆卸操作方便，可多次周转使用。