黑水河特大桥挂篮设计及应用研究

覃冠华 廖梓材 何石锋

摘要：文章以黑水河特大桥为研究背景，依据桥梁节段施工作業要求进行挂篮设计，并根据挂篮在悬臂浇筑过程中不同工况下的最不利状态，采用Midas Civil软件对挂篮结构进行有限元分析计算。通过对挂篮进行加载预压测试，验证其变形性能，结果表明该挂篮整体受力、变形性能满足施工要求。

关键词：挂篮；结构设计；有限元分析；预压；现场应用

中图分类号：U445.4A270894

0引言

为适应我国高速公路建设的快速发展，大跨度桥梁也越来越多。连续刚构桥作为大跨度桥梁之一，其施工方法包括悬臂拼装法、悬臂浇筑法等，其中常用方法为悬臂浇筑法。挂篮是悬臂浇筑施工中主要的施工设备，需要承受桥梁节段自重、施工人员及机具等全部荷载作用，其结构性能会直接影响桥梁施工质量，所以需要对挂篮结构最大应力、最大变形进行验算。因此，本文依托黑水河特大桥，对其施工挂篮进行设计，利用有限元软件建立模型并分析挂篮在不同荷载组合下的强度、刚度及稳定性。

1工程概况

黑水河特大桥主桥上部结构为80 m+150 m+80 m三跨预应力混凝土连续箱梁。箱梁根部高9.3 m、底板厚140 cm、跨中高5.41 m、底板厚54.2 cm；箱梁顶宽12.75 m、底宽6.75 m，顶板悬臂长3 m。主桥单墩上部结构箱梁浇筑为8×4 m+5×3.5 m+6×3 m+13 m（0#段）+6×3 m+5×3.5 m+8×4 m，共39段，除0#段外，其余节段采用挂篮对称施工。全桥挂篮受力1#块最重为188.8 t，长3 m；对前吊点受力最大为12#块，长4 m，重151.8 t。桥面纵坡为-0.55%，桥面横坡为2%。

2挂篮结构设计

2.1设计思路

挂篮主要结构包括菱形桁架、走行锚固系统、悬吊系统、模板系统及操作平台［1］（见图1～2）。菱形桁架由菱形架前上弦梁、菱形架下底弦梁、菱形架前斜弦梁、菱形架后斜弦梁组成。菱形架下底弦梁落在已完成节段上，作为挂篮的承重点，在菱形架的中竖梁外侧设有侧门联，并在后下横梁上增加吊框，用以承吊外模板，减轻挂篮行走时前端重量。菱形架的中心距设置为6.5 m。悬吊系统采用PSB830 32 mm精轧螺纹钢吊杆及Q355钢吊带，挂篮前、后端采用吊挂形式，前端吊挂设置5处吊点，腹板两侧由4根吊带和中间1根精轧螺纹钢组成；后端吊挂在箱梁底，附近设置5个吊点，侧门联设置2个吊点，共7个吊点，各吊点均采用精轧螺纹钢。行走锚固系统由行走轨道、液压行走系统、扁担梁组成，解除后锚扁担梁，启动液压行走系统，即可使挂篮在行走轨道上移动。模板系统包括底模、内模和外侧模，模板采用整体加工Q235钢材制作。在梁高变化较大处，沿梁高将钢模分为3块左右，使模板随梁高变化可拆装调整。在菱形桁架的前端小悬臂梁上悬吊设置操作平台，操作平台主要作用为纵向预应力钢筋张拉及管道压浆时提供施工平台及作业人员站立行走等，其材料可采用方钢或角钢。挂篮桁架结构材料数量见下页表1。

2.2有限元分析验算

2.2.1建立模型

利用Midas Civil软件对挂篮实现了有限元模拟及计算分析。利用空间桁架结构单元模拟钢吊杆，空间线结构单元模拟后联杆，空间梁结构单元模拟挂篮其他型钢构件，在挂篮与各单元构件之间连接设置节点弹性结构，在后锚压梁、主桁架底部及各吊杆顶设置固定连接，添加施工过程中的混凝土荷载、模板荷载及风荷载，对挂篮施工、前移进行稳定性分析。挂篮模型如图3所示。

2.2.2施工荷载工况

最大节段为72.6 m3（1#梁段），最长节段为58.4 m3（12#梁段），最小节段为46 m3（19#梁段），混凝土容重取26 kN/m3，模板荷载取0.45 N/m2。桥梁施工过程中应考虑风荷载、施工荷载共同作用，其荷载计算时应参考《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）［2］。

挂篮自重为31.5 t，模板自重为22.8 t；在施工中及运行时的抗倾覆稳定系数均≥2.0；挂篮静荷载系数为1.2；动荷载系数为1.4。

挂篮结构钢材等级为Q355，容重为78.5 kN/m3，弹性模量Es=2.06×105MPa，极限应力［σ］=210MPa，［τ］=145MPa。

工况1：1.2×挂篮结构自重+1.2×最大节段钢筋混凝土自重+1.2×模板自重+1.4×施工荷载+1.4×风荷载，最大节段混凝土浇筑。

工况2：1.2×挂篮结构自重+1.2×最长节段钢筋混凝土自重+1.2×模板自重+1.4×施工荷载+1.4×风荷载，最长节段混凝土浇筑。

工况3：1.2×挂篮结构自重+1.2×最小节段钢筋混凝土自重+1.2×模板自重+1.4×施工荷载+1.4×风荷载，最小节段混凝土浇筑。

工况4：1.2×挂篮结构自重+1.2×模板自重+1.4×风荷载，挂篮行走。

2.2.3各荷载工况下计算结果（表2～3）由表2可知，在各种工况下，挂篮精轧螺纹钢构件最大抗拉应力为550.6MPa，均不超过精轧螺纹钢最大抗拉强度设计值705MPa；Q355钢构件的最大拉应力为157.1MPa，均不超过Q355钢最大抗拉强度设计值305MPa；Q355钢构件的最大剪应力为61.9MPa，均不超过Q355钢材最大抗剪强度设计值175MPa。挂篮上所有结构的内部应力均不超过钢强度的设计上限值，挂篮强度满足要求［3］。

从表3可以看出，在不同工况下，挂篮变形以竖向变形为主，其在最不利荷载工况作用下发生的最大变形位移为14.3 mm，对应在Q355钢材主桁片悬臂端前上横梁位置，两菱形架之间的距离为6.5 m，最大位移处的容许位移［δ］=L/400=6 500/400=16.3 mm。最大位移值未超过容许位移值，挂篮系统总变形为14.9 mm，＜20 mm（《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650-2020）要求），挂篮刚度满足要求［3］。

2.2.4挂篮稳定性分析

（1）屈曲稳定性分析（图4和表4）

（2）挂篮抗倾覆分析（表5）

单侧后锚点采用直径32 mm的精轧螺纹钢6根，容许最大拉力为：

［N］=6A［σ］＝6×3.14×322/4×930×10-3＝4 485.4 kN

利用Midas Civil软件计算可知挂篮实际最大拉力N。

通过验算所得结果可知，在荷载因素综合影响下，挂篮构件的屈曲稳定性系数最小值为6.931，＞4，而且挂篮构件的抗倾覆安全系数最小值为4.20，＞2，因此挂篮的稳定性各项指标均满足设计要求。

3挂篮预压测试

整套挂篮设备牵涉到的系统构件和机械装置较多，本文通过测试整套装置在不同荷载情况下的构件承载力和机械装置的工作状态，保证系统在安裝阶段的绝对安全和正常工作，并得到经过加载测试的各项技术参数以指导今后的施工。

3.1加载试验方案

针对现场施工要求，挂篮预压试验是对挂篮构件进行加载测试，以验算其在荷载作用情况下的强度和刚度稳定性。通过在0#块腹板处预埋预压用的反力牛腿焊接件，用作后续反顶架安装施工，利用液压千斤顶加载进行挂篮构件的预压。千斤顶荷载采用计算最大节段钢筋混凝土重量模拟，0#块两端各1台千斤顶同步加载预压。

3.2预压荷载确定

预压重量以最大梁重1#块的重量188.8 t加上模板重量22.8 t进行模拟加载，通过后下横梁的力矩平衡，结合预压作用点的位置，计算出预压荷载为211.6×10=2 116 kN，每个千斤顶所施加的最大荷载为：120%预压荷载2 116×120%÷2=1 269.6 kN。

3.3分级预压及卸载

3.3.1分级加载数值确定

按节段的最大重量计算出的预压荷载逐级加载，每个千斤顶加载值分别为10%（105.8 kN）、50%（529 kN）、100%（1 058 kN）、120%（1 269.6 kN）［4］。每级预压结束后6 h，对所有断面测点进行测量，并录入变形信息，确定变形情况。在荷载预压完成12 h内，对所有断面测点进行测量，并确定标高数值，24 h内没有变动为稳定，可进行卸载。在卸载工作完成后，要及时对所有断面测点进行末次测量，并记录标高数值。

3.3.2卸载

卸载与加载过程相同，采用与加载相反程序，同样分为四个阶段120%→100%→50%→10%→0。卸载过程中测量变形情况并记录。

3.3.3测量时间及频率

在预压过程中，必须注意所加荷载大小和加载速度，不要在上一级加载沉降速度未稳定的状况下，施加下一级荷载。若不控制加载速率，会造成挂篮总体和局部区域的加载量过大、过快而使挂篮发生剪切损伤，尤其是在加载后期更容易出现。在预压工作开始之前需要先对挂篮底模高程进行一次测量，在以后的每一级加载预压工作过程中平均每6 h进行一次测量，直至下降速度＜0.5 mm/d。在卸载过程中，按预压荷载与增加速度相反级别对挂篮底模标高再进行一次测量，并通过预压所得标高，测算出施工时所要求的预拱度，根据预拱度调整挂篮底模标高。通过记录对各级加载、卸载等过程中的高程数据进行汇总，对各种情况下的数据和理论数值进行比较、分析，从而计算出挂篮预压过程中弹性变形与非弹性变形，为挂篮立模标高调整基础资料及依据（见表6）。计算公式为：

非弹性变形=加载0高程-卸载0高程

弹性变形=卸载0高程-加载120%高程

通过表6挂篮预压沉降观测记录可知，预压最大弹性变形为15 mm，与挂篮整体结构计算分析中的竖向位移14.3 mm相差不大，证明挂篮整体结构计算分析可靠。

4现场应用情况

2021年10月至2022年10月，在黑水河特大桥采用菱形挂篮悬臂浇筑施工，对箱梁线形、挂篮变形、截面尺寸、合龙相对高差等进行实时监测。在施工过程中挂篮变形基本稳定，与计算值基本一致，均满足规范要求；混凝土浇筑过程，各节段箱梁挠度变化正常，现浇箱梁没有出现过裂缝；合龙段两侧测点高差均满足规范要求；截面尺寸符合设计规范限值要求。

5结语

黑水河特大桥悬臂现浇段施工按照本文所述的方法对挂篮进行设计及现场应用后，效果良好。挂篮的质量、刚度和性能的设计研究结论、施工预压结果都符合施工规定，同时在施工中没有发生其他事故，安全、质量、工期等各方面都达到了理想的要求。

参考文献［1］ 左少华.清溪西路桥异步挂篮设计及施工关键技术［J］.世界桥梁，2022，50（2）：44-50.

［2］GB 50009-2012，建筑结构荷载规范［S］.

［3］JTG/T 3650-2020，公路桥涵施工技术规范［S］.

［4］CJJ/T 281-2018，桥梁悬臂浇筑施工技术标准［S］.

作者简介：覃冠华（1978—），高级工程师，主要从事道路与桥梁施工工作。