预应力混凝土箱梁菱形挂篮设计与施工

王刚

摘要：对于大跨度预应力混凝土变截面变高度连续箱梁桥箱梁的施工，为克服地形地质、跨路跨线、江河航道等施工障碍因素，挂篮施工工艺比较成熟且具有较强适用性，作为一种桥梁箱梁节段施工设施，具有独特的结构优势和使用价值，已经得到了众多施工同类桥跨结构物的适用。挂篮结构构造类型具有多样性，如三角桁架构造、菱形桁架构造、弓弦式构造、斜拉构造式和组合构造式挂篮等结构形式。菱形挂篮在箱型截面桥跨连续结构物节段现浇的施工中使用非常广泛，菱形桁架结构成为主要受力构件，其构件连接方式多为栓接连接，具有结构受力分析简明的特征，其主桁架为菱形结构，两片菱形桁架之间作业面比较开阔，便于施工材料和机具通过，对现场施工提供了显著适应性和功能性。菱形挂篮系统具有节点少、拼装简单、质量轻、行走方便等特性，在悬臂浇筑施工工艺上取得了较好的经济效益和社会效益。

关键词：菱形挂篮;主桁架;变截面;挂篮系统;连续梁;悬臂施工

1工程概述

1.1工程概况

江村北特大桥（60+100+100+60）m连续梁跨广花路，起讫里程为GCXDK5+200.003～GCXDK5+522.543，桥梁全长322.54m。本联连续梁结构尺寸：桥面总宽度23m，中墩支点处梁高7.1m，桥跨跨中梁高4.6m。本联连续梁梁体构造：梁体为单箱三室、变高度变截面结构。箱梁顶板宽度23m，顶板厚度：跨中标准截面为40cm，支点处截面为70cm，过渡段为40～70cm。腹板厚度：跨中标准截面为50cm，支点处截面为90cm，过渡段为50～90cm。底板厚度：跨中标准截面为52cm，支点处截面为100cm，过渡段为52～100cm。在全桥梁端、中支点及跨中处共设7处横隔板，并在横隔板上设有方形过人孔洞，以后期桥梁管养过程为检测检修维护方便进行。

悬臂浇筑箱梁共设计有81个节段，桥梁跨间相邻三个主墩顶设0#块，两梁端A13#块为边跨现浇节段，C为两梁端边跨合龙段、D为中跨跨中合龙段，A（B）1#～A（B）12#为悬臂施工节段。主要梁段参数见上表“表1.1.1 梁段参数表”。

1.2总体施工思路

本联连续箱梁的总体施工思路为：0#块、边跨现浇节段及边跨合龙段，均采用梁柱式支架法进行现浇施工;主跨跨中合龙段施工采用吊架系统进行现浇;全桥各跨设计有12个施工节段，均进行对称悬浇施工。

2挂篮设计和验算

2.1挂篮总体构造设计

菱形挂篮结构体系稳定，受力分析简明，构件弹性变形较小，其结构强度性能高，移动安装便捷，量测监控方便。主墩0#块浇筑完成预应力张拉后，同时在0#块两端安装挂篮，采用菱形挂篮使施工前后作业面开阔，有利于混凝土运输和浇筑。菱形挂篮主要由主桁架承重系统、底篮与模板系统、锚固系统及吊挂系统等组成。

2.2挂篮的组成系统

2.2.1承重系统

主桁承重系统主要构件有主桁架、前后横梁、行走设施、锚固装置、防护平台等组成。

（1）主桁架为前后横梁通过两片菱形桁架片在横向装置的连接作用下将前后横梁及菱形桁架组成为空间受力桁架体系，用平面联结杆件将上下横梁连接为平面桁架体系，以增强上下主横梁强度及稳定性能。为提高主桁架连接处的抗扭性能，采用型钢和钢板进行组焊形成箱形截面，在横梁连接处也采用型钢与钢板进行组焊形成平面桁架稳定体系。主桁架上主要受力节点采用销栓铰接，平联杆件平面结构节点上进行坡口焊接。充分起到減轻挂篮自重，同时提高结构受力性能，并较好发挥出结构受力状态下材料自身的特性。

（2）挂篮行走设施是挂篮施工过程中保证结构及安全的重要装置，前移过程通过液压千斤顶牵引前支点，工字型钢走道梁上的后支点作为滑行装置，后钩板沿着道梁上翼缘底面滑移。梁体竖向预应力精轧螺纹钢筋将轨道梁锚固，使挂篮主桁架系统达到稳定、安全、轻质、易操作的效果。

锚固装置定位应在浇筑节段箱梁砼前相应位置安装预留孔洞，挂篮安装时在预留孔内通过精轧螺纹钢筋及压梁装置，对行走轨道梁进行锚固，并利用千斤顶对锚固力进行控制，以达到方便控制和调节悬挂部位节段梁端挠度的目的。

2.2.2底篮和模板系统

底篮、外模、内模、端模和工作平台组成底篮和模板系统。

前、后下横梁和纵梁通过焊接组成底篮，在底篮上直铺底模并进行加固连接。通过吊杆或吊带的连接，把主桁架前、后上横梁和底篮组成挂篮系统的悬挂部分，利用吊杆或吊带的分段搭接组合连接进行调节高度值。

外模安装时除有模板和模板骨架以外，还有起到支承模板的滑梁装置，滑梁装置解决了悬臂部分前后端模板稳固及调节的重要问题，通过上横梁下吊滑梁前端，箱梁翼板预留孔内悬吊滑框、吊框以固定滑梁后端，外模安装后采用精轧螺纹钢筋进行对拉加固，利用滑梁固定和精轧螺纹钢筋对拉加固的安装措施，有利的取代了传统外模支撑架装置，从而减轻了挂篮体系自重，在实践生产过程提供安全和适用价值。

内模通过内滑梁其支撑作用，在滑梁上安装骨架和模板，内滑梁起着承重和支撑的作用，在箱梁截面发生变化段通过在骨架上调节模板高度。

端模制作通过节段梁端截面尺寸，进行切割钢板的方法进行，从而解决腹板和顶板厚度变化问题，端模上通过焊接龙骨进行加强和加固处理，并在模板周围制作预留钢筋槽口及模板中间预应力管道孔口。

（5）固定工作平台是供施工过程的作业通道，设置在节段箱梁翼板正下方两侧及梁体前后端，一般通过吊挂装置安装吊挂在横梁上，利用手拉葫芦进行高度调节，以便于调整适应箱梁高度位置施工作业。

2.2.3吊挂系统

吊挂系统主要承力设施有导梁、滑梁、钢吊带、吊杆等;辅助吊挂设施有吊环、小型分配梁、调节千斤顶等。承力吊挂设施是将其荷载传递至主桁架系统，其材料力学性能必须满足足够的力学特性指标。

2.2.4锚固系统

主桁架体系的锚固、平台系统的锚固组成挂篮的锚固系统，通常在箱梁梁体内预埋精轧螺纹钢筋，作为主桁架体系的锚固设施;在前后横梁上安装吊杆和钢吊带，作为挂篮系统的锚固设施。

2.3挂篮验算

2.3.1梁单元强度及刚度验算

（1）底板荷载作用在底模、底篮及下横梁上，底篮横向分配梁采用8#槽钢，间距0.25m，支承在底篮纵向分配梁上。滑梁验算应取节段最长，腹板最薄（顶板最宽）的节段梁上。因滑梁将荷载传递至上横梁，底模系荷载所产生的受力影响较小，在建模及有效计算中，验算滑梁过程中，尽可能不要单独对加荷4m节段梁，进行计算底模系荷载，遵循最不利荷载因素考虑，可取8#节段梁底模系荷载，在计算过程中，对内顶模有必要加宽至5.1m（腹板厚0.5m），顶板和翼板荷载延长到4.0m。根据8#段荷载计算8号梁段，最大组合应力66.83/2=33.4MPa

（2）顶板自身荷载通过顶板内模及龙骨传递至纵向分配梁上，纵向分配梁再将荷载传递至内模骨架，通过内模骨架把荷载传递给内滑梁。

（3）验算刚度不考虑临时荷载，其各部位变形（挠度）验算如下图“图2.3.1 后托梁位移图、图2.3.2前上横梁位移图、图2.3.3内滑梁位移图、图2.3.4外滑梁位移图”。

可得：后下横梁最大位移0.5/2=0.25mm，符合要求。

腹板处相对前上横梁位移（22.7-17.2）/2=2.75mm< = =13.8mm，符合要求。

位移计算（跨中相对两支点）：（24.4+0.6）/2-15.2=0.2mm< = =12.5mm，符合要求。

位移计算（跨中相对两支点）：（-0.5+18.7）/2-13.9=4.3mm< = =12.5mm，符合要求。

2.3.2挂篮主桁架验算

主桁架内力计算

由以上应力图知，受拉杆件最大应力96.6Mpa<[σ]=182Mpa，满足要求。

验算刚度（变形）不考虑临时荷载，以8号梁段刚度荷载组合进行验算。主桁架最大变形在前上横梁支点处为17.7mm，吊杆最大变形值（20.8-18.9）=1.9mm，两者相加挂篮最大变形量为19.6mm<20mm，满足要求。

（2）主桁架稳定性计算

主桁架截面为320mm*320mm箱型截面，截面积：217.6 cm2，惯性矩I=31643cm4，4#杆件为受压杆件，验算4#杆件的受压稳定性，其轴力为2035.9KN。

2#杆件惯性半径i= = =12cm=120mm

λ=μL/i =5885/120=49，查表得ψ=0.781

稳定性验算：σ=N/（ψA） =1339*1000/0.781*21760=78.7MPa <175MPa（满足规范要求）

（3）主桁架销轴计算

主桁架杆件所受最大轴力为2165.7KN

杆件与节点板间通过Φ120销子联结，材质为40Cr

[τ]=125MPa*1.25=156.25MPa   [σ销子]=210MPa    [σ销孔]=240MPa

销子抗剪：τ= =71MPa<[τ]=156.25MPa

2.3.3吊杆验算

吊杆采用φ32mm（PSB930）精轧螺纹钢筋，为安全起见计算用PSB830，允许值取小为785MPa，其精轧螺纹钢筋抗拉强度标准值fpk=785Mpa，根据规范要求，整体安全系数取2。经计算每根φ32mm钢筋的控制拉力为：

[P]=785×16²π/1000/2=316KN

吊杆拉力按强度荷载组合验算，滑梁前吊点处精轧螺纹钢受拉计算最大值114.1kN<316kN。

2.3.4抗倾覆安全系数验算

（1）挂篮满载工作时抗倾覆安全系数

挂篮在受荷状态下的抗倾覆安全稳定性是决定结构安全性能的一项重要指标，在满载状态下挂篮体系的抗倾覆安全性能是挂篮后锚体系所决定的，在挂篮结构计算中验算吊杆强度时，根据规范要求取2倍安全系数进行计算。挂篮后锚为3组φ32精扎螺纹钢、每组两根，共6根，考虑到不平衡受力，通过计算可得每根φ32精扎螺纹钢筋所受力822.5/6=137.1KN，所以精扎螺纹钢筋受力安全系数為（精扎螺纹钢选用PSB930，直径为φ32mm，为安全起见计算用PSB830，允许值为785MP） 785/170=4.6>2，故后锚完全满足要求。

挂篮行走时抗倾覆安全系数

挂篮移动到位时，作用在单榀桁架上的后支座反力为：P1=89.8KN

风荷载取800Pa，面积系数取0.4

迎风面积： 20（宽）×5（高）=100㎡

风力：P2=800×100×0.4/1000/4=8KN

挂篮结构体系在空载前移状态下，倾覆力可以根据反扣轮Φ50轴进行平衡计算，根据力学指标参数可计算得出每个反扣轮Φ50轴极限承载力，由计算可得3.14*252*156=306KN。

组合荷载F=89.8+8=97.8KN

每片桁架后有四对反扣轮轴，则每个轮子承载的压力为：97.8/4=24.5KN    抗倾覆安全系数S=306/24.5=12.5>2（故符合规范要求）。

3挂篮安装与荷载试验

3.1挂篮拼装

（1）安装工艺流程：

测量放样→铺设支点及滑道垫枕→安装滑道、前后支点→安装主桁架并临时固定→安装后锚→安装横向联结系→安装前上横梁→起吊底篮→安装前后吊带→安装底模板→外侧模→内侧模→内外导梁安装→安装工作平台及防护托盘

（2）安装工序要点：

轨道安装：在0#块顶板面测量放样，将行走轨道精准放出轴线，把轨道垫梁位置下方混凝土面找平，然后安装轨道垫梁和行走轨道，控制垫枕高度使张拉后的钢绞线与轨道不冲突，最后采用扁担梁与锚杆将行走轨道稳定平整的锚固在梁体上。

主桁安装：在行走轨道上对应适合位置安装后支座反扣轮组与前支座，为主桁架安装时平稳落在行走轨道上，应在行走轨道上设置临时后支座，在安装前后支座时，应严格控制好调节反扣轮和前支座的高度。主桁就位后，及时使用后压梁对主桁架进行锚固。

横向联结桁架安装：在主桁片竖向联杆上安装横向联结桁架，在安装桁架安装过程中必须设置临时支撑。

前上横梁及吊带安装：每条行走轨道上主桁架安装并锚固后，将前上横梁吊装至与主桁架相对应位置进行栓接，并安装前上横梁与下横梁连接吊带处垫梁。

底模系统安装：将底篮纵梁、 前下横梁、后下横梁和底模板在梁体0#块端正下方安装好底模系统，在前上横梁上安装导链对底模系统进行提升，通过提升到对应位置将前后吊带与上横梁锚固连接。在每节段施工中，梁底板在浇筑混凝土时锚固有精轧螺纹钢，后下横梁安装到位后须用螺旋千斤顶进行锚固，使底模与前一节段梁体底板紧密贴合。

外导梁安装：在外侧模安装前将外导梁伸入外侧模桁架内，在导梁上装好行走吊环。通过吊装外导梁与外侧模于一体至梁体节段端，将外导梁伸入前一节段梁体翼板下，并将外导梁预留孔与翼板锚栓装置对正，并用导链进行连接固定。

内导梁安装：将内导梁提升至一定高度，在导梁上装好行走吊环，一端通过悬挂系统与上横梁连接，将后端移动至箱内托架上，并用导链连接固定，根据设计截面尺寸调节好高度，安装及固定内模架。

3.2荷载试验

（1）挂篮出厂压载试验

挂篮加工生产完成后，为验证结构体系的安全性能及材料特性指标是否符合要求，在出厂前厂家需进行荷载试验。在结构构造受力与变形因素方面，通过荷载试验消除其非弹性变形，作为超静定结构，在受荷状态下挂篮前端产生的挠度，以及受荷状态引起主桁架变形等因素，通过荷载试验需得到结构受力与位移的分析数据，在施工中作为高程、变形及位移监测的依据。试验加载方法根据结构实际受力情况进行施加反向压力来等效实际吊挂受力，施加荷载重量取最大节段箱梁自重的1.2倍+主桁外的挂篮构件总重量。施加荷载过程分50%、80%及120%进行三级加载。在每级加载完成后，必须进行半个小时（最后一级为1小时）稳压，仔细检查各构件材料的外观变化，并详细记录每时刻力与位移的关系，逐级进行试验完成后，根据实测数据进行数据分析，绘制力与位移的关系曲线，得出挂篮结构体系的真实弹性和非弹性变形值，供实际施工监测过程提供依据和保证。

（2）挂篮拼装后预压

在实际施工中为保证挂篮结构的安全性和可靠性，挂篮安装之后应进行预压清除结构的非弹性变形，并且量测得到满荷作用下的弹性变形量，以便为施工中对梁体质量和安全得到保证，因此在挂篮节段施工之前必须对已拼装完成的挂篮进行预压试验，且施加荷载需按规范所要求的安全系数计算出预压荷载进行预压试验，根据预压沉降观测数据，统计分析挂篮在不同节段中（3.0 m、3.5m、4m）的变形值。

4挂篮移动

4.1挂篮前移

当梁段混凝土强度达到设计强度并张拉完成后，拆除内导梁及内模托架，解除内侧模支撑和导链连接装置。

量测挂篮行走轨道前移的中心线位置，并在梁面上画出中心线，用砂浆将梁面找平，根据中心线对准铺设行走轨道垫梁及行走轨道，同时将行走轨道通过梁体预埋精扎螺纹钢筋进行锚固，安装过程时刻保证轨道的锚固性能。

卸落后下横梁箱梁底板内的吊带，使后下横梁通过导链吊挂在吊挂系统的外导梁上。调节上横梁上的吊杆及吊带使底篮同步往下降落10cm～15cm，使底篮上的底模脱离梁体，同时应控制好前后下横梁标高。

进行外导梁后端的滚动和承重吊架转换，并进行对吊具的转换。

在行走之前安装好行走后吊杆，调节行走后吊杆，使前后下横梁处于同一水平高度。再拆卸内外导梁与梁体连接的吊具，并将外导梁固定在外侧模板龙骨架上。底篮吊挂作用点前端吊挂在前上横梁上，后端吊挂在平联上。

松开后锚，检查反口轮，固定行走器，使主桁架平稳作用在行走器和行走轨道上。

在挂篮移动前，先保证底模与梁体完全脱离，在底篮后下横梁与外侧模滑梁之间安装导链。调节反口轮，保证反扣轮吊带垂直受力。

挂篮移动过程依靠液压千斤顶提供牵引力，使挂篮挂篮结构体系沿着行走轨道前行，移动行走至下一节段梁体位置。行走过程中行走轨道上的锚固梁会挡住滑行反扣轮，这种情况必须先在反扣轮后加轨道锚固梁，通过锚固梁压住轨道后，才能拆除被挡道的行走軌道上锚固梁。挂篮前移至主桁架系统就位后，为确保安全，应先将行走轨道完全锚固好，再完善吊挂系统的安装。

挂篮移动并锚固后，应调整模板轴线和标高值。完善安装导梁装置，以及第二次吊具转换。

4.2挂篮后退及拆除

（1）挂篮后退技术措施

挂篮后退时吊杆吊带受已浇筑节段梁混凝土阻挡，整个悬吊系统需要进行改制。

在挂篮制作时，即将前上横梁伸出翼缘板1m，将前下横梁通过翼缘板外侧吊杆拉住。

桁架上增设后上横梁，同样伸出翼缘板1m，将后下横梁通过翼缘板外侧吊杆拉住。

拆除内膜和内导梁拆除，将外侧模下降，支在前后下横梁上，外导梁吊杆拆除，外导梁放置在外侧模支撑架上。

整个挂篮系统（桁架除外）与箱梁混凝土面脱开，此时挂篮可以顺利后退。挂篮回退至1#块，进行起吊拆除。

（2）挂篮后退安全措施

挂篮走行时，每台液压千斤顶的油缸伸长量应保持一致，以免将挂篮结构推移至脱离行走轨道造成安全事故;挂篮移动过程中将行走轨道表面，以及反扣轮要涂抹黄油减小摩擦以便走行，挂篮移动过程中当滑座经过轨道连接处时，应保证行走轨道连接处的平整度，以避免出现惯性冲击产生安全事故;挂篮移动过程中应控制滑行速度及滑行距离，过程中应安装保险锚杆加以安全防护 （后结点前后各一根）; 挂篮移动过程中要确保前、后吊杆及导梁同步移动，过程中防止各构件相互撞击;挂篮结构在后退过程时速度≤10cm/min。

挂篮拆除

拆除工序：挂篮后退→设置隔离区域→防护兜底托盘拆除→拆除底模板及侧模板→拆除主桁。

1）设置隔离区域：在挂篮拆卸、起吊和转运的工作范围内设置安全施工场地，并设置警示带进行封闭。

2）防护平台拆除：用卷扬机或汽车吊将防护平台固定，将防护平台上吊挂系统拆卸，使防护平台平稳降落到安全防护区域内。

3）底篮及底模拆除：用卷扬机或汽车吊将底篮和底模（带底纵梁及前、后下横梁）吊挂固定，将上横梁下的吊杆及吊带松懈，再将底篮和底模徐徐往下同步降落，在卸落过程中不得松动侧模的锚固装置。

4）侧模板拆除：先将侧模吊杆和后锚松开，采用吊车吊住侧模的外侧，再松开吊杆及后锚吊挂装置，再将侧模缓慢平衡往下降落，在侧模拆卸和降落过程中，应时刻保证挂篮主桁架的后锚紧固。

5）挂篮主桁拆除：在拆卸上横梁后，在对主桁架进行拆卸，应先拆卸配重和行走装置和主桁架，最后拆锚固装置。

4.3挂篮安全防护保证

挂篮自身安全防护

1）挂篮系统的前上横梁两侧应做好作业平台，并做好临边防护。

2）底篮上的安全工作平台前端应做好防护栏杆，并有安全网防护。

3）挂篮主桁架顶面采用型钢加工成梯步式人梯，并两侧加工扶手防护措施，挂上安全网进行防护，确保施工人员安全。

4）底籃两侧安装模板加固与拆模的通道，并两侧做好防护措施。

5）翼缘板临边处，挂篮安装安全防护及操作平台。

（2）挂篮结构安全保证

1）挂篮系统拼装完成后，必须根据规范要求进行荷载预压试验，荷载预压时间最少不得少于5天，以确保挂篮结构的安全度和可靠度，准确真实得出弹性变形与非弹性变形值。

2）在挂篮施工前必须对作业人员进行全安全技术交底，施工现场应配齐安全防护设施。

（3）其它部位安全防护

1）在已完成的桥面两侧，设临时栏杆，保证施工人员安全

2）加工挂篮的所有原材料均应符合材质要求，且要满足各项力学性能指标。

3）挂篮加工各项工艺技术指标必须满足设计要求，对连接方式、构件尺寸、销轴位置精准度都必须符合设计及规范要求，加工完成后需在出厂前进行无损检测。

4）挂篮加工过程需对各杆件的栓接和焊接部位，都必须进行超声波无损检测，以保证焊节质量，对结构安全性能提供保障。

结论

通过江村北特大桥主桥工程的施工实践，根据设计要求、实际施工条件及工程因素综合分析决策采用菱形挂篮施工工艺进行悬臂浇筑施工，本工程在菱形挂篮设计与验算中，较同类菱形挂篮在工艺上进行了改良及优化，具有节点少、质量轻、拼装简单、行走方便、工作效率提高等特点，充分发挥了菱形挂篮在大跨度桥梁施工中的安全性、可靠性、适用性和经济性，在正常施工条件下能保证10天顺利完成一个节段施工，使工期任务得到了提前完成，并取得了较好的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]铁路桥涵工程施工质量验收标准（TB10415-2003）.

[2]客货共线铁路桥涵工程施工技术规程（Q/CR 9652-2017）.

[3]铁路预应力混凝土连续梁（刚构）悬臂浇筑施工技术指南（TZ324-2010）.

[4]姚玲森.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2008.

[5]王昌将.悬臂浇筑预应力混凝土连续梁桥[M].北京：人民交通出版社，2004.