桥梁工程建设中挂篮整体结构设计与计算

杜岳涛

陕西省铁路投资（集团）有限公司 陕西 西安 710199

在桥梁工程的建设中，挂篮施工是主要的施工方式，其主要的作用是确保在整个桥梁的建设中提升混凝土浇筑施工质量。桥梁工程建设开始前，应从设计出发总结出挂篮施工的细节和要求，并做好现场施工稳定性与强度控制，设计人员详细计算与分析各项参数，保证符合要求，从而提高桥梁施工效果，提升桥梁工程建设水平。

1 工程概况

某桥梁工程在其桥梁工程建设施工中，由于该桥梁工程的施工环境十分复杂，因此需要设计人员在结合其施工环境的基础上，对其工程施工挂篮结构进行设计与计算。某桥梁工程建设中的挂篮结构设计是基于对该桥梁工程施工现场的实际情况进行分析和研究的基础上进行的，该桥梁工程在实际建设施工中采用悬臂浇筑法对该桥梁工程进行施工。在挂篮结构设计与计算中，其主要包括主梁、挂篮及模板等部分。首先是主梁结构，其主要包括底板、顶板、翼板和腹板等部分；其次是挂篮结构，其主要包括前横梁、底纵梁、后横梁以及底纵梁和腹板梁等部分；最后是模板，其主要包括前后横梁以及模板支承架等部分。在对挂篮结构进行设计与计算中，由于该桥梁工程是一座独塔双索面预应力混凝土连续刚构桥，因此挂篮整体结构的受力状况十分复杂。在对该挂篮整体结构进行设计与计算时，主要按照主梁长度、挂篮长度和悬臂长度这三种因素进行挂篮整体结构设计。同时对于挂篮整体结构的计算要点进行分析和总结：在对挂篮结构进行设计时，其计算要点为：①挂篮整体结构的受力分析；②对挂篮各桁条受力情况进行分析；③对各桁条杆件应力和变形情况进行分析；④对挂篮杆件内力进行计算。

1.1 挂篮结构设计

在对挂篮结构进行设计与计算时，其主要采用MIDASCivil软件对挂篮整体结构进行设计与计算。同时在此基础上，还需要根据挂篮悬臂长度这一因素来确定挂篮的主梁部分，进而有效确保整个挂篮的整体结构强度和刚度达到要求。同时在此基础上，还需要根据挂篮的荷载情况来确定挂篮的主桁条高度，并通过相应的计算公式来对主桁条高度进行确定。同时，需要根据主桁条高度来确定其横隔板的设置情况。在对挂篮主梁进行设计与计算时，其主要是通过下弦杆与上弦杆来实现对挂篮主梁的承载作用。在此基础上，还需要根据挂篮结构中各桁条杆件所承担的重量及所受荷载情况来确定其配重情况。

1.2 挂篮杆件内力计算

在对该桥梁工程挂篮结构进行计算时，可以采用等效简化的方法，即通过简化挂篮结构中各桁条杆件的形状和尺寸来实现对该桥梁工程挂篮杆件内力计算的。在等效简化方法中，主要是将挂篮结构中各桁条及挂篮结构中的底纵梁、前横梁、后横梁以及底纵梁和腹板梁等部分简化为杆系模型，其主要考虑以下三种因素：①将挂篮整体结构中各桁条和挂篮结构中各桁条与主梁连接部位作为整体进行分析计算，因为该桥梁工程中，其主梁高度和跨度存在差异。同时由于该桥梁工程主梁的高度在12.000m～19.000m之间，因此挂篮杆件之间的距离并不是十分固定，因此需要对其进行详细的计算。②通过将挂篮结构中各桁条及挂篮结构中各桁条与主梁连接部位作为整体进行分析计算，该桥梁工程中的主桁条杆件间距离为13.000m～19.000m之间，因此需要对其进行详细的计算。③根据上述计算结果可以发现，如果将该桥梁工程的主梁高度在12.000m～19.000m之间进行考虑，那么其最大挠度会出现在挂篮结构最上方位置。由于该桥梁工程属于独塔双索面预应力混凝土连续刚构桥，因此其受力状态十分复杂，因此需要对其进行详细的分析和研究。

表1 挂篮纵、横梁计算

首先是主梁结构中预应力的布置，预应力布置时需要结合主梁结构中各节点之间的距离和位置进行确定。该桥梁工程在实际建设施工中，需要对其挂篮结构进行设计和计算，其中主梁长度为15.8m，主梁长度为15m和12m两种。同时根据相关规定，在对该桥梁工程进行施工设计时，需要对挂篮悬臂长度进行适当增加。其次是挂篮结构中预应力的布置，在对其挂篮结构进行设计与计算时，其预应力布置需要结合主梁长度及悬臂长度这两种因素进行确定。同时根据相关规定，在对其挂篮结构中预应力布置时，需要确保预应力的间距值在25m左右。最后是主梁中预应力的张拉问题，预应力张拉问题主要是针对主梁中的纵向预应力施加问题进行研究和探讨。在该桥梁工程建设施工中需要设计人员对主梁中纵向预应力施加方案进行确定[1]。

2 挂篮结构分析

桥梁工程建设中挂篮结构设计与计算主要是对挂篮进行受力分析，而受力分析的基础则是挂篮结构设计的合理性。对于挂篮结构设计的合理性而言，其主要指的是挂篮结构设计中能够根据荷载进行合理受力，从而保证挂篮结构设计的稳定性与可靠性。通过对实际工程进行分析后发现，挂篮结构属于悬臂式连续梁桥，其悬臂长度为35m，而悬臂施工一般采取挂篮悬臂浇筑法施工，在该工程施工中需要考虑到很多方面因素的影响，如：混凝土强度、温度以及施工荷载等，因此在对其进行分析时必须要全面考虑到各种因素对于挂篮结构受力产生的影响，确保挂篮结构具有较高的稳定性与可靠性，从而为桥梁工程建设打下坚实的基础。

2.1 挂篮重量

挂篮结构重量是影响挂篮结构设计合理性的重要因素，其中，重量与挂篮结构受力大小之间具有直接的关系，当挂篮结构的重量越小时，其所承受的荷载就会越小。由于在进行挂篮结构设计时，并不是所有因素都会对挂篮结构的受力产生影响，如：挂篮重量、材料性能、施工方式以及施工工艺等都会对挂篮结构的受力产生直接影响。因此在挂篮结构设计时，必须要结合挂篮结构受力大小对其进行合理设计，只有这样才能保证挂篮结构设计能够满足桥梁工程施工需求。另外，在对挂篮结构进行计算时必须要全面考虑到各种因素所带来的影响，其中主要包括：温度变化、混凝土浇筑以及荷载作用等，从而确保挂篮结构设计能够满足施工需求。

2.2 荷载类型

通过对桥梁工程建设中挂篮结构分析可知，桥梁工程建设中挂篮结构设计与计算所考虑的荷载主要有三种，即：施工人员重量、施工材料重量以及模板重量。在实际操作中，施工人员的重量可以通过承重的方式直接施加到挂篮结构上，而材料重量可以通过移动、拖拉等方式间接施加到挂篮结构上，因此在对挂篮结构进行分析时必须要全面考虑到三种不同形式的荷载。通过对桥梁工程建设中挂篮结构设计与计算的研究可知，对于三种不同类型的荷载而言，其受力方式存在着一定区别。如：施工材料重量主要是通过移动、拖拉等方式施加到挂篮上，而模板重量则是通过移动篮结构上。因此在对桥梁工程建设中挂篮结构进行分析时必须要全面考虑到三种不同类型的荷载，只有这样才能确保桥梁工程建设中挂篮结构设计与计算具有较高的可靠性与合理性[2]。

3 挂篮的设计和计算

3.1 悬吊系统

悬吊系统是挂篮结构中的关键组成部分，对于悬吊系统而言，主要分为主吊杆和横梁两个部分。主吊杆和横梁由销轴连接，而主吊杆与横梁之间则采用高强螺栓连接。在设计过程中，为了增强挂篮的刚度，提高挂篮的稳定性和安全性，通常会采用高强螺栓来对其进行连接，同时对于挂篮上的锚具也进行了相应的改进，使其更加适合于锚固在混凝土中。根据本例工程的实际情况来看，由于该桥梁工程在施工过程中采用的是挂篮施工法进行桥梁施工，因此，在进行悬吊系统设计时要充分考虑到挂篮施工过程中悬臂段横向移动时可能产生的拉力对挂篮梁上的锚具的影响。因此在进行悬吊系统设计时要对锚具进行相应的优化设计。在本次研究中采用了一种新型锚固结构形式来替代传统锚固结构形式，该锚固结构主要由两部分组成：上锚头和下锚头。上锚头主要采用优质螺栓与下锚头连接形成整体；下锚头主要采用高强螺栓与下锚头连接形成整体。由于上、下锚头之间不需要接触摩擦，因此其受力更加合理可靠。

3.2 模板系统

（1）模板系统是挂篮的重要组成部分，在其设计过程中要根据实际情况对底模和内模进行设计。其中底模的设计是在底模内肋的基础上进行，为了方便施工，在内肋中设置了几道纵梁；而模板的设计则是在模板内肋外肋上进行，为了保证模板具有足够的强度和刚度，在模板外侧肋板上设置了纵梁，通过对纵梁的使用，保证模板具有足够的刚度。（2）内模主要是指在主桁架的腹板下设置的模板。内模与底模内肋之间通过一定方式进行连接，保证连接方式的合理设计。（3）本例中所采用的模板系统采用可拆式薄壁型钢加工而成，模板内侧腹板设置了若干纵梁，的间距为450mm。为了保证在混凝土浇筑过程中可以有效进行施工作业，在浇筑前将该部分腹板浇筑完成。（4）在本例中所使用的模板系统为一套组合式模板系统，该系统由底模、内模以及外模三部分组成。其中内模是指在底模之上设置内肋。通过对内肋进行合理的设计可以有效提高混凝土浇筑作业效率。（5）模板系统中设置有一道纵梁和两道横梁，其作用在于为箱梁提供横向支撑。为了保障施工安全和施工效率，在混凝土浇筑过程中要保证内肋与外肋板之间保持一定的间隙。（6）为了保证混凝土浇筑作业顺利进行，需要设置侧模。为了有效降低对腹板的压力和降低对斜腹板的压力，需要将侧模设置为斜腹板形式；为了满足施工要求，需要对底模内肋进行合理设计。

3.3 底模系统

（1）对于底模系统而言，其主要作用是对锚固于箱梁内的挂篮进行支撑，根据挂篮结构所采用的模板系统和悬吊系统计算结果可知，悬吊系统所承受的最大荷载为128.74kN，锚固于箱梁内的底模系统承受的最大荷载为181.21kN，在底模系统中最大压力值为129.76kN。（2）在本例中采用MIDAS软件进行建模分析，根据计算结果可知，本例中主要计算点的应力和位移变化情况：底模系统底部锚固点的最大应力为136.95MPa，其位移量为9.83mm。在进行分析时要考虑到锚固点的剪力和弯矩。（3）对于本例而言，通过分析发现在挂篮结构中锚固系统所承受的最大压力值为174.03kN，最大压力值出现在内模与底模之间，锚固系统所承受的最大压力值为153.84kN，因此在进行设计时要将锚固系统作为一个重点进行设计。

3.4 锚固及销轴验算

在进行锚固力计算时，斜拉锚固的结构应力主要包括主桁架梁、横梁、腹板和斜拉索。其中在主桁架梁部分，其应力主要集中于主梁中下部和两个边横梁之间；在横梁部分，其应力主要集中在两根主梁之间的斜拉索上；在腹板部位，其应力主要集中在主桁架梁的中部位置。通过对以上各点进行分析计算后可以得出结论：本例中的锚固系统能够满足实际施工要求。在施工过程中需要对锚固力进行计算，其中要根据实际情况对主桁架梁、横梁以及斜拉索的节点进行选择，在选取节点时要保证其可靠和稳定，并且要使结构具有良好的刚度，这样可以有效保证挂篮的稳定性[3]。

4 挂篮拼装

（1）挂篮拼装应在模板、主梁及模板等全部安装完成后进行。首先将底模板支承在基础上，然后再将底模用螺栓连接在底模上，再将上、下横梁及主梁与底模焊接。当焊接完成后，应对挂篮进行检查，如果发现存在问题，应立即进行处理。（2）拼装完成后，必须对挂篮进行预压，预压时将主梁前、后横梁、底模等全部预压荷载施加到挂篮上，检查挂篮的各部件是否有异常情况。如发现问题必须立即处理。（3）在主梁安装时，应根据图纸要求选择合适的节段长度，在安装过程中应先安装顶板和底板，然后再安装侧板。

4.1 挂篮的安装

（1）安装前、后横梁。挂篮底模板安装完毕后，应对底模进行检查，其尺寸应符合图纸设计要求。挂篮的上、下横梁均采用Φ32精轧螺纹钢制作，经预埋螺栓连接固定在模板上，以保证结构的稳定性。由于挂篮的侧模采用型钢制作，为了方便安装，侧模主框架在模板外侧与模板连接后再与模板相连；将底模与底模连接在一起后再安装前、后横梁，然后将上、下横梁用螺栓连接在底模。（2）安装底模并调整标高。先将底模整体校正到设计标高后再把底模往上移，用螺栓将底模与模板连接在一起。（3）安装腹板模板，必须按图纸设计要求进行加工和安装，保证其平整、光洁并能承受梁的自重及其他施工荷载；腹板侧板也同样采用精轧螺纹钢制作，经预埋螺栓与侧板连接。

4.2 挂篮预压试验

（1）挂篮预压试验的主要目的是为了保证挂篮的安全性，使挂篮的各个部位的承载能力符合设计要求。试验荷载选取主要以混凝土的最大压力作为主要荷载，通过对各关键部位进行测量，在确定无异常后，对挂篮进行卸载。（2）对预压试验数据进行记录，并对整个挂篮进行全面分析，使挂篮的实际承载能力满足设计要求。（3）当实际测试数据与设计值存在一定偏差时，应根据测试数据来调整预压压力，使实际挂篮承载力和设计荷载基本相符。（4）在挂篮预压过程中，应严格按照规范要求进行操作，以确保整个挂篮安全可靠。（5）预压结束后，应对挂篮进行全面检查，确保所有结构安全可靠。

5 结束语

综上所述，本文通过对某桥梁工程挂篮整体结构设计与计算进行研究，对挂篮整体结构设计与计算进行了详细分析。首先，从挂篮设计的基本要求入手，明确了挂篮整体结构的设计原则和注意事项，为挂篮整体结构的计算提供了依据。其次，本文结合实际工程案例，对挂篮整体结构的设计要点进行详细分析，通过对该工程的挂篮结构进行有限元计算分析可知，该工程挂篮整体结构满足设计要求。最后本文根据工程实际情况，提出了相应的挂篮设计质量控制措施，确保了该工程挂篮施工的安全性与稳定性。通过本文的研究，有助于进一步提高桥梁工程挂篮整体结构设计水平，提升其计算的准确性和可靠性。