波形钢腹板PC组合箱梁桥同步异位悬臂施工新型挂篮设计研究*

舒宏生，侯润锋，刘新华，刘 勋

(中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安 710065)

0 引言

近年来，波形钢腹板桥梁因抗震性能好、具有良好的经济性和可施工性等优点，在国内得到广泛应用。在建和已建波形钢腹板桥梁采用的施工方法主要有满堂支架法、悬臂施工法、顶推法等，但大部分该类型桥梁施工普遍采用传统挂篮悬浇工法。针对波形钢腹板桥梁悬臂施工，日本提出Rap.con/RW工法，应用于多座波形钢腹板桥梁中，技术较成熟，但在国内应用较少。王达等[1]对四川头道河大桥利用ANSYS建立有限元计算模型，对采用Rap.con/RW工法的波形钢腹板PC组合箱梁桥进行相关研究，明确该工法具有传统挂篮悬浇工法无可比拟的优越性，结构应力变化合理。高天明[2]以MIDAS Civil有限元软件对RW工法施工流程进行模拟，进一步验证施工过程中桥梁结构的安全性。笔者所在单位通过比选研究，在Rap.con/RW工法和传统挂篮悬浇工法基础上提出同步异位新型挂篮悬浇工法，基于该工法创新研制的新型挂篮可很好实现大跨径波形钢腹板桥悬浇施工，符合挂篮轻型化、通用化和标准化的设计理念。

1 工程概况

昭君黄河特大桥由主桥、滩桥及跨堤桥组成，主桥跨径布置为85+9×150+85=1 520m，跨堤桥包括南、北两部分，跨径布置为40+70+40=150m，全长4.3km。主桥及跨堤桥上部结构为波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁，单幅主梁采用单箱单室直腹板形式。主桥单一联长达1 520m，建成后将成为国内联长最长的梁式桥，桥跨布置如图1所示。

图1 桥跨布置(单位：m)

主梁整体划分为16个节段，最重梁段为1号梁段，重约258t(内含93t内衬混凝土)，主梁标准横断面如图2所示。上部结构波形钢腹板波长1.60m，波高0.22m，水平面板宽0.43m，水平折叠角度为30.7°，弯折半径为15t(t为波形钢腹板厚度)。波形钢腹板与顶、底板混凝土连接，其中与顶板混凝土采用双PBL键的方式连接，与底板采用└200×200×18连接，波形钢腹板结构如图3所示。

图2 主桥主梁标准横断面(单位：cm)

图3 波形钢腹板结构

2 挂篮悬浇工法研究

考虑本桥大跨径结构特点及现场施工作业条件，采用挂篮悬浇工法应是最优选择。因此，下面重点讨论波形钢腹板桥梁施工不同挂篮悬浇工法的比选。

2.1 传统挂篮悬浇工法

通过对国内波形钢腹板连续梁桥施工工法的统计分析可知，目前普遍采用的挂篮悬浇施工工法仍为传统挂篮悬浇工法，据此设计的挂篮结构形式如下：①混凝土顶、底板采用三角或菱形挂篮浇筑，波形钢腹板利用塔式起重机或汽车(履带)式起重机等进行定位安装，这种挂篮结构形式需要起重机械作业通道或满足波形钢腹板吊装要求的长悬臂塔式起重机。根据宋随弟等[3]对波形钢腹板桥跨度的研究分析，波形钢腹板桥最大跨度达400m，随着跨度增加，这种挂篮结构形式的弊端越明显；②利用原有常规挂篮进行结构改进，使之具备波形钢腹板定位安装功能，这种挂篮结构形式虽然能实现混凝土浇筑和波形钢腹板定位安装要求，但挂篮结构自重大，使悬浇梁段受力大，增加桥梁施工监控难度，挂篮通用性不强且需重复改装设计。同时，上述传统挂篮设计方案中顶、底板钢筋绑扎及混凝土浇筑等作业在同一工作面内，作业面受限且存在交叉作业的安全隐患，具有很大局限性，成本较高、周期较长、工效较低。基于传统挂篮悬浇工法的挂篮设计方案如图4所示。

图4 传统挂篮设计方案

2.2 同步异位新型挂篮悬浇工法

根据前述分析，传统挂篮悬浇工法未能有效利用波形钢腹板抗剪力学性能。鉴于此，对国内外同类型桥梁施工工艺及现有技术理论进行研究，提出适用于大跨径波形钢腹板连续梁桥标准化施工的同步异位新型挂篮悬浇工法，利用波形钢腹板结构自承重，设计有独立的波形钢腹板吊运系统，实现波形钢腹板定位安装，适应范围更广、经济性更高。基于同步异位新型挂篮悬浇工法的新型挂篮结构如图5所示。

图5 新型挂篮设计方案

同步异位新型挂篮悬浇工法是将梁段顶板和底板异位施工同步浇筑，即挂篮利用第n个梁段的波形钢腹板做支撑，同步进行第n个梁段底板和第(n-1)个梁段顶板钢筋安装及混凝土浇筑施工，待混凝土强度达到设计强度的70%后，利用波形钢腹板吊运系统进行第(n+1)个梁段波形钢腹板定位安装，如此循环直至梁段合龙。本设计方案将施工作业面划分成(n-1)，n，(n+1)作业面，作业面互不干涉，缩短作业周期，提升施工效率。

2.3 挂篮悬浇工法比选确定

根据工程特点，设计人员对挂篮悬浇工法进行优缺点对比[4]，比选分析结果如表1所示。传统挂篮悬浇工法材料及加工费为1 546.6万元，设备费1 260万元，人工费280万元，共计3 086.6万元；同步异位新型挂篮悬浇工法材料及加工费为1 106.6万元，设备费658万元，人工费224万元，共1 988.6万元。最终确定采用同步异位新型挂篮悬浇工法，总体节约施工成本约1 100万元，经济效益明显。

表1 工法特点比较

3 新型挂篮结构设计

同步异位新型挂篮设计为前后整体移动式，采用波形钢腹板自承重，由挂篮主桁结构、行走系统、模板系统、悬吊系统、锚固系统、波形钢腹板吊运系统、底篮和工作平台等构成。新型挂篮结构如图6所示，设计主要性能参数如下：悬臂浇筑标准梁段长4.8m，最大梁段重165t(不含内衬混凝土)，挂篮总重约50.3t，自重荷载比为0.3，锚固系统及抗倾覆安全系数均>2，最大变形<20mm。

图6 新型挂篮总体结构

3.1 挂篮主桁结构

挂篮主桁结构是挂篮整体承重系统，整个结构通过下部适应桥面横坡的高低支腿支承于波形钢腹板倒π形槽内，高低支腿上设置前后上横梁，以直接承受悬吊系统传递的施工荷载；前后上横梁间设置横向联系，采用螺栓连接，既满足构件运输要求，又实现不同节段长度安装，通用性强；主桁前部悬臂设置电动葫芦纵移轨道，前后上横梁间设置可纵移的平车托架，满足波形钢腹板施工作业要求。

3.2 底篮系统

挂篮底篮系统主要由前横梁、中横梁、后横梁及小纵梁组成，横梁采用双拼H型钢，间距3.8m+1.8m，小纵梁采用H型钢并按荷载分布特点进行非等间距设置，共同承受底板及内衬混凝土荷载。底篮中横梁除需保证混凝土施工作业，还需提供挂篮自行回退作业时底篮结构的支撑，强度及挠度均满足设计要求。

3.3 波形钢腹板吊运系统

波形钢腹板吊运系统包括运输系统和吊装系统，运输系统由平车和托架构成，吊装系统由三角吊装支架、手拉葫芦和电动葫芦等构成。波形钢腹板放置于运输平车上，在已浇筑梁段顶面和托架上布设平车轨道。波形钢腹板经平车运输至托架上方，电动葫芦及手拉葫芦配合将波形钢腹板竖向提离运输平车，托架及运输平车回退，波形钢腹板两次转体实现定位安装。波形钢腹板吊运系统是该新型挂篮设计的创新点，解决波形钢腹板定位安装难题，无须安装大型塔式起重机，可实现大跨径波形钢腹板桥挂篮悬浇标准化施工。

3.4 行走、悬吊系统

行走系统采用液压千斤顶向前顶推，利用波形钢腹板倒π形槽两侧φ60销孔进行锚固并提供支撑。挂篮采用40Cr丝杆+Q345C钢带组合悬吊系统，钢带通过钢销与底篮前横梁及中横梁连接，丝杆利用千斤顶顶升调节，底篮操作更加方便可靠。

3.5 挂篮主要技术指标

新设计的同步异位法悬臂施工新型挂篮满足JTG/T 3650—2020《公路桥涵施工技术规范》，挂篮自重50.3t，最重节段的混凝土重165t，标准节段长4.8m，自重荷载比为50.3/165=0.3，锚固系统及抗倾覆安全系数均≥2，采用液压推进方式，挂篮最大变形≤20mm，最大工作风速为6级。

4 新型挂篮结构计算

4.1 结构计算相关参数

混凝土最重梁段为1号梁段，计算质量165t，超载系数1.05。挂篮自重采用软件自动计入。施工机具及人群荷载为2.5kN/m2。动力附加荷载动力系数为1.2，冲击附加荷载冲击系数为1.3，风荷载考虑6级大风条件。

4.2 计算工况分析

新型挂篮结构设计时，根据挂篮在施工阶段下的荷载情况，划分如下荷载组合，其中荷载组合Ⅰ，Ⅱ用于挂篮主桁结构强度和稳定性计算，荷载组合Ⅲ用于变形计算，荷载组合Ⅳ用于挂篮行走验算。各工况荷载系数按规范进行取值。

1)荷载组合Ⅰ ①混凝土质量+②挂篮自重+③施工机具及人群荷载+④动力附加荷载。

2)荷载组合Ⅱ ①混凝土质量+②挂篮自重+⑥风荷载。

3)荷载组合Ⅲ ①混凝土质量+②挂篮自重+③施工机具及人群荷载。

4)荷载组合Ⅳ ②挂篮自重+⑤冲击附加荷载+⑥风荷载。

根据昭君黄河特大桥施工工艺，计算时分别对1，2，3，14，15号合龙段浇筑施工工况、钢腹板吊装工况、挂篮行走工况、挂篮回退工况、非工作状态工况及钢腹板运输与吊装工况进行分析。

4.3 有限元计算及结果

本新型挂篮结构设计采用MIDAS Civil软件进行有限元计算，建立挂篮结构整体模型，设置约束边界条件，按上述工况及荷载进行计算分析[5]，得到如下结果。

1)挂篮主桁高低支腿最大应力182.7MPa，主桁前后上横梁最大应力108.8MPa，底篮横梁最大应力131.7MPa，底篮纵梁最大应力109.1MPa，内外滑梁最大应力162.5MPa；主桁结构强度均满足要求。

2)挂篮整体相对最大变形18.5mm<20mm，结构整体刚度满足规范要求[6]。

3)挂篮设计采用同步异位悬臂浇筑工艺，混凝土浇筑工况下挂篮结构自平衡，仅波形钢腹板吊装工况下存在负向反力，计算抗倾覆安全系数5.7>2，稳定性满足要求。

5 试验验证

5.1 静载对拉试验

为检查挂篮主桁架、丝杆及吊带等构件加工及安装质量，测量挂篮弹性变形及消除非弹性变形，验证新型挂篮各项指标是否满足设计要求，在挂篮拼装完成后进行两阶段加载试验。在第1阶段，设计静载对拉试验检验挂篮主桁架承载力，分级加载，最大加载为最重梁段荷载的1.2倍，具体加载方案如下。根据试验得出主桁架相对最大变形15mm，小于理论计算值，满足要求。静载对拉试验方案如图7所示。

图7 静载对拉试验方案

5.2 现场预压试验

在挂篮现场安装完成后，进行第2阶段现场预压试验。根据同步异位新型挂篮悬浇工法施工特点，本挂篮预压分2次进行，第1次是直接预压1号块底板对应底篮；第2次是1号块底板浇筑完成，挂篮前移到位，对2号块底板对应底篮及1号块顶板对应高低侧翼缘板模板及内顶模进行预压。预压前按荷载分级制作混凝土预制块，采用塔式起重机吊装混凝土预制块，分别对加载前、加载后、卸载后阶段进行各控制点标高测量。经过预压消除非弹性变形，实测平均弹性变形16mm，满足要求。

6 结语

1)同步异位新型挂篮充分利用波形钢腹板抗剪性能，采用波形钢腹板临时承重，多作业面互不干涉，施工效率高，作业安全风险低，有效解决因黄河凌汛期长导致施工作业时间短、工期紧的问题。

2)新型挂篮结构简单，受力明确，自重小、稳定性好、通用性强，可满足大跨径甚至超大跨径波形钢腹板桥梁标准化施工。

3)波形钢腹板吊运系统可实现钢腹板多方位吊装，无须配置长悬臂塔式起重机，波形钢腹板既可后方喂入安装，也可前方垂直起吊安装，同时兼顾侧面吊装，适用性强。

目前，新型挂篮已完成昭君黄河特大桥南、北岸跨堤桥及主桥部分节段箱梁悬浇施工任务，经实践证明新型挂篮设计满足现场实际使用要求。该挂篮的成功设计与应用，为波形钢腹板桥悬浇施工提供了参考，对推动超大跨径波形钢腹板PC组合箱梁桥在国内进一步发展起到积极作用。