大跨度钢筋混凝土拱桥装配式挂篮悬臂浇筑施工技术

孙伟

（中铁十七局集团有限公司，太原 030006）

0 引言

随着国民经济的快速发展，国家交通基础建设不断增加，在山区建造跨峡谷的桥梁越来越多，而钢筋混凝土悬臂浇筑拱桥因全寿命周期内成本低廉、受力性能好等优点，越来越受建设者推崇，在高原深切峡谷地带修建钢筋混凝土拱桥也给施工带来了各种难题[1-3]。目前，我国悬臂法施工的拱桥多采用悬臂拼装，悬臂浇筑法近几年发展较快，主要分布在四川、贵州[4]。

国内外学者对大跨度悬臂浇筑拱桥的挂篮优化设计及施工过程中的控制作出了大量研究，但对装配式挂篮的设计及相应的施工技术从未涉及[5，6]。因此本文以“倒三角”挂篮为模板，研制了一种适用于多种拱箱截面尺寸，同时加工、安装简单，以及可形成制式杆件的装配式挂篮，该挂篮的纵梁、横梁、竖杆及斜杆选用H 型钢替代传统挂篮中的桁架结构材料，通过设置可调节长度的调节杆，来实现三向尺寸和坡度调节，节点均为螺栓连接和销接。根据该挂篮的设计特点形成相应的悬臂浇筑施工技术，并已应用于贵州娅石庆特大桥与巴基斯坦Braseen 桥，解决了钢筋混凝土箱形拱桥拱圈浇筑施工难题。现以娅石庆特大桥为例详细介绍该挂篮的设计及相应的施工工艺。

1 工程概况

贵州金仁桐高速公路娅石庆特大桥主桥为净跨200m的钢筋混凝土拱桥（图1），采用悬臂浇筑法施工，主桥为净跨200m 钢筋混凝土上承式箱形拱，交界墩最大墩高37m。大桥采用斜拉扣挂施工，主拱圈共分为17 个节段，单幅共设置34 对扣锚索（0～16#扣锚索）扣锚索呈扇形布置。

图1 娅石庆特大桥立面布置图 （单位：cm）

图2 装配式倒三角挂篮拼装成型图

2 装配式挂篮悬臂浇筑施工技术

2.1 娅石庆特大桥装配式挂篮具体设计

装配式倒三角挂篮由主桁系统、止退系统、行走系统、模板系统、工作平台及安全防护系统组成，挂篮及模板总重为80t，主要由型钢采用销接和螺栓连接拼装而成。挂篮全长16.5m，总高10.25m，悬臂浇筑长度可根据拱箱节段长度通过增加分配梁和支撑杆进行调节，最大倾角39.5°，承担最大168t 的悬臂浇筑重量，设计安全系数1.4。

2.1.1 主桁系统

主桁系统包括纵梁、横梁、斜杆、竖杆、挂钩及稳定桁架，结构杆件均为工厂预制，运输至现场后拼装为整体，纵梁、横梁、竖杆及斜杆选用H 型钢替代传统挂篮中的桁架结构材料，且均设置可调节长度的调节杆，能够实现三向尺寸和坡度调节，节点均为螺栓连接和销接。

2.1.2 止退系统

挂篮的止退系统包括抗剪臂、挡块、钢垫板等，止退系统示意图如图3 所示。抗剪臂是由20mm 厚钢板加工为350×300mm 的箱型盒。浇筑混凝土时，抗剪臂放置在已浇筑好的拱箱节段底板预留孔内，通过加叠300×290mm 钢板与后主桁杆件上的挡块抵紧，起到防止挂篮下滑的作用。挂篮行走前，直接将抗剪臂用拉链葫芦提升至已浇筑完成的箱梁节段内，然后人工搬运至下一节段，待挂篮移动到位后，重新安装抗剪臂。

图3 中横梁抗剪臂及挡块

2.1.3 支反力系统

支反力系统由位于纵梁上的后支点钢箱、千斤顶、反力轮和底篮拉杆组成。挂篮移动到位后，通过拱圈预留竖向孔洞，将底篮拉杆作为锚固杆件穿过预留孔洞与倒三角桁架连接，采用YCW100T-200 型千斤顶施加竖向预应力，将挂篮锚固在已浇筑梁段拱背上，如图4 所示。

图4 底篮拉杆锚固于混凝土箱梁顶面

底篮拉杆锚固后，挂钩与拱背上的轨道脱离，在节段混凝土浇筑期间，底篮拉杆承受挂篮中支点的所有反力，挂钩不再受力；调节尾部的千斤顶，使挂篮的前段高程满足施工控制高程，采用20mm 厚钢板加工350×220mm 后支点钢箱后支点钢箱，并根据挂篮前段高程填塞各种厚度的钢板，如图5 所示。

图5 反力轮、千斤顶及后支点钢箱

图6 挂篮行走系统

图7 装配式挂篮最不利工况下变形图

2.1.4 行走系统

挂篮行走系统由轨道、滑船、顶推盒、千斤顶、主桁结构上的行走滚轮、销轴及螺栓等共同组成。行走轨道放置在拱箱的顶面，通过螺帽与预埋在拱背的地脚螺栓固结以抵抗挂篮行走产生的下滑力；滑船和主桁的挂钩固结，放置在轨道的滑槽内，可以沿着轨道向前滑动；反力轮由钢板和轴承组成，附着在后横梁上，挂篮行走时，反力轮支撑在已浇拱箱的底板上，随着挂篮移动向前滚动，浇筑混凝土时，顶升千斤顶使反力轮脱离箱底，不再受力；螺栓包括M30 普通螺栓和地脚螺栓两种。随着千斤顶的不断顶推不断更换销轴位置和接长轨道，使挂篮连续向前移动直至顶推到位。

2.1.5 模板系统

模板系统由底模、侧模、内模、顶模组成。由于拱圈每一节段的模板弧线均不相同，根据每个混凝土节段的底板曲线的曲率，取平均值作为底模和侧模的曲线设计，使每个浇筑节段的底板曲线与设计曲线尽量接近，以保证拱圈曲线的平顺。

2.2 装配式挂篮有限元模型

为验证装配式挂篮设计的合理性，采用MIDAS Civil软件建立挂篮整体模型，挂篮行走时，挂篮自重以结构自重乘1.4 冲击荷载系数，2#拱圈节段湿重、模板及临时荷载按照纵梁和分配梁线荷载为-72.7kN、-4.2kN、-3.5kN/m计算。荷载最不利组合：混凝土重量+挂篮自重+模板荷载+人群和机具荷载。

通过计算可知，挂篮结构在最不利工况下的最大轴应力78MPa≤140MPa，最大弯曲应力115MPa≤145MPa，最大剪应力42MPa≤85MPa，均满足要求；挂篮总体变形最大13.9mm，最大变形出现在分配梁中心段。总体变形13.9mm≤20mm，满足要求；挂篮1 阶模态稳定性系数为9.2，2 阶模态稳定性系数为9.2，3 阶模态稳定性系数为9.2，均≥4，满足要求。

2.3 装配式挂篮悬臂浇筑施工技术

2.3.1 挂篮预压

为检验挂篮的承载能力，检验挂篮的变形是否满足设计要求，消除挂篮的非弹性变形，对挂篮进行堆载预压，按照最重节段（2#节段）质量168t 的1.2 倍进行预压。在挂篮的底板横向设置左、中、右3 个测点，纵向设置4 排共计12 个测点，监测得到装配式挂篮的弹性变形为11mm，非弹性变形13mm。

2.3.2 模板系统安装

①底模安装。底模主要由5mm 厚钢板、纵向[8 的槽钢、横向筋板组成，铺设在挂篮分配梁上，用小钢板使底模形成弧形。内、外侧模待安装后，用立杆对拉固定。纵横向尺寸应满足设计要求。②外侧模安装。侧模采用5mm 厚钢板，竖向板肋采用［8 槽钢，横向采用70×5mm 扁钢，纵横间距按350mm 控制，模板外横向背楞采用2 根槽钢组合2［14，共4 道，间距（由上至下）1400mm、1200mm、1200mm。拉杆间距按最大1200mm 控制。③内模安装。内模采用小型钢模板根据箱梁设计断面结构尺寸进行拼装，倒角处采用定制钢模，根据实际需要尺寸裁截拼装，内模板通过对拉杆与外侧模板结成整体。底模最低处应设排水口，并将水引至梁外，在浇筑前模板内杂物冲洗干净后再封闭。④顶板外模安装。顶板外模采用定型钢模根据设计箱梁断面结构尺寸进行拼装，顶板钢筋绑扎完成并验收通过后进行安装，采用对拉杆与内模板连接固定。⑤端头模安装。端头模板采用钢模板制作，端头模在钢结构加工厂内分块制作，制作完成后运至现场安装。制作好的模板钢筋穿出预留孔位及尺寸要符合设计要求，并保证纵向钢筋能顺利穿出。

2.3.3 钢筋及预埋件的安装

①钢筋加工及安装。钢筋在钢筋加工场集中下料制作成半成品，运输到现场进行绑扎。由于钢筋密集，施工时要认真对照图纸，并设置好支撑架立筋，保证钢筋位置的准确，尤其是底板钢筋层数较多，与支撑筋采用点焊固定，以免在施工中发生移位和下沉。

主筋采用套筒连接，箍筋钢筋焊接采用搭接焊，焊接时采取防护措施。在顶板模板安装完成后，进行顶板底层钢筋的绑扎，当钢筋与预埋件发生冲突时，适当挪动钢筋，不得截断。

②预埋件及预留孔。挂篮施工所有圆形预留孔均采用无缝钢管预留。拱圈最端头预留孔道距梁段边缘距离不得小于50cm。预留管底部采用胶带密封，每个管道采用至少3 道固定钢筋，以保证管道位置、角度准确，浇筑混凝土过程中还须采取措施防止发生上浮。

2.3.4 混凝土浇筑及养生

混凝土施工采用混凝土输送泵将C55 混凝土泵送入模，由低处向高处顺序浇筑施工。考虑移管和振捣的时间影响，平均每浇筑一方混凝土约需要3 分钟。

混凝土浇筑完成待混凝土初凝后及时进行养护，顶板和底板覆盖土工布并洒水养生。端头模板在混凝土终凝后即可拆除，并对梁端混凝土面进行凿毛处理，凿毛采用风镐或其它工具，凿毛标准为将断面上下层钢筋间的混凝土表面浮浆全部凿除露出粗骨料为准，以增加相邻梁段混凝土的结合力。

2.3.5 挂篮前移施工

①挂篮行走施工工艺流程。挂篮行走施工工艺流程为：挂篮行走施工准备→施工放样→轨道中心线调平→安装滑轨并涂抹黄油→安装行走系统液压千斤顶及反力座→拆除顶模及侧模→拆除竖向丝杆，挂篮及模板系统下降→顶推施工，挂篮与模板系统同步前移→调整系统轴线位置→安装竖向丝杆→调整挂篮系统标高→后支点千斤顶顶升→安装后支点钢箱，调整模板标高→质量检查验收。

②挂篮行走施工。前段箱梁浇筑完毕，混凝土强度达到设计要求后，前移挂篮。

3 结论

挂篮作为大跨度钢筋混凝土悬臂浇筑拱桥的重要临时结构，承担着拱圈节段自重及施工临时荷载的作用，受力性能须满足规范要求，而由于拱圈截面形式和尺寸不同往往需要单独进行设计，且难以二次利用造成材料浪费，大大增加了设计时间和施工成本，为此，本文提出采用装配式挂篮进行大跨度钢筋混凝土拱桥悬臂浇筑施工，并形成成套的施工技术，可为后续拱桥挂篮的优化设计提供参考和借鉴。