单侧变宽非对称结构的挂篮设计与施工

摘要：基于某单侧变宽桥项目，对该非对称结构段开展挂篮设计。考虑到跨越现有铁路，施工难度大，采用变异菱形结构挂篮，并对该段挂篮悬浇施工关键环节开展分析，以减小施工荷载的影响，保证施工安全。计算结果表明，采用变异菱形结构挂篮，能降低前吊点高度，且挂篮内力分布更合理。该工程竣工后，施工阶段和交工后结构内力状况满足设计要求，且桥梁合龙精度满足设计要求，成桥线形逼近目标线形，表明对于含非对称段桥梁结构可采用变异菱形结构挂篮。

关键词：变异菱形；挂篮设计；施工技术

1 工程概况

1.1 工程基本情况

某桥梁项目跨越铁路，设计采用（55+122+80）m预应力变高不对称连续梁，先沿平行于铁路方向挂篮悬浇，后采用转体工艺，转体完成后依次施工边跨合拢段、中跨合拢段。

本工程主跨采用预应力混凝土变高不对称连续梁，桥梁位于直线段，其跨径布置为（55+122+80）m，主桥全长257m。 45#墩0#号块长度5.7m，梁高5.904～5.631m；悬臂共13个节段，节段梁高5.631～3.2m。46#墩0#块长度8.7m，梁高8.728～8.37m；悬臂共18个节段，节段梁高8.37～3.2m。45号墩悬浇梁悬臂长度44.95m（变宽段）+46.35m（普通段），变宽段梁面宽29.5～32.98m，普通段梁面宽29.5m；46号墩悬浇梁悬臂长度70.35m（变宽段）+72.85m（普通段），变宽段梁面宽29.5～33.52m，普通段梁面宽29.5m。

1.2 总体施工流程

主桥挂篮悬浇施工涉铁主要施工内容包括45#墩和46#墩墩顶梁段及悬浇梁段施工、悬浇梁桥面附属（防撞墙、防抛网）施工。其中45#墩3-13号块、46#墩2-18号块采用挂篮法施工。

总体施工流程如下：45#墩0#-1#块预应力张拉压浆完成后施工2#块，2#块预应力张拉压浆完成后进行挂篮拼装及预压。利用挂篮施工3#块，3#块施工完成后，脱开挂篮底模，进行挂篮走形至下一梁段，依次反复，至13#块施工完毕。13#块预应力张拉压浆完成后同步拆除悬臂两端挂篮。46#墩0#-1#块预应力张拉压浆完成后进行挂篮拼装及预压，利用挂篮施工2#块。2#块施工完成后，脱开挂篮底模，进行挂篮走形至下一梁段，依次反复，至18#块施工完毕。18#块预应力张拉压浆完成后同步拆除悬臂两端挂篮。保证45#、46#墩悬浇梁施工同步进行，并优先保证46#墩悬浇梁的施工进度，挂篮悬臂浇筑结束前提前进行44#墩、47#墩边跨现浇段施工。

2 挂篮设计方案

目前，由于三角挂篮与菱形挂篮结构简单、计算分析简洁以及受力合理等优点而广为使用[1]。本工程部分段单侧加宽，为非对称结构，考虑到结构本身的不对称性，导致挂篮变形、结构自重与混凝土徐变收缩等产生的内力并不对称，墩位置易出现较大的倾覆力矩，施工难度大。且相邻既有铁路，施工空间有限。将本工程挂篮设计为变异菱形结构，结合菱形挂篮与三角挂篮的优点，降低前吊点高度，加强受力稳定和平衡，同时便于工人操作。所采用的挂篮结构如图1所示。不同于常规的菱形结构挂篮，前横梁端主构架为锐角三角形，以此降低前吊点高度，从而减少悬挂和取下挂篮的施工难度。同时设置前横梁端主构架水平距离为5.5m，长于后锚梁端主构架水平距离，以降低倾覆弯矩。

2.1 挂篮通用设计

梁体为单箱四室，单支挂篮配置5片主构架。主桁架整体采用双[36b#普通热轧槽钢焊接，前横梁及前后托梁均采用采用双 HN500×200 型钢组焊，中门架由[8#组焊，底纵梁采用I36工字钢，内外导梁、底导梁均采用双[32b#普通热轧槽钢焊接。吊杆与后锚杆采用 PSB830φ32mm精轧螺纹钢，且吊杆外部套PVC管。后锚梁采用[32#槽钢制作，长度2.5m，间距可调。

2.2 变宽段挂篮结构设计与验算

2.2.1 结构设计

该连续梁变宽段从0#块中心线开始，外侧以放射线形式变宽，0#块中心梁顶宽29.5m，变宽段合拢段梁顶宽33.512m。腹板1为水平直线，腹板2、3、4、5皆向外进行倾斜，如图2所示。

挂篮主构架及轨道安装于腹板之上，与腹板呈—条直线，腹板1上的主构架与横梁、中门架垂直，点焊加固。腹板2、3、4、5上的主构架与横梁、中门架呈一定角度，为方便挂篮行走，根据实际角度制作安装在横梁位置的滑动套筒及安装在中门架位置的限位挡块。

后锚固杆采用PSB830φ32精轧螺纹钢，单片主构架配置6根。后锚梁采用[32#槽钢制作，单片主构架配置3根。后锚杆下端与梁体接触位置安装斜垫块，从而使后锚杆垂直受力。

2.2.2 验算

查施工设计图，最大悬灌重量梁段质量为240.4t，挂篮自身质量77.2t。进行强度验算时，考虑到偏心荷载，取1.4倍的系数。上部荷载计算公式如式（1）：

（1）

式中：G为上部荷载，单位为kN；ξ=1.4，为所取的系数；m1为最大悬灌重量梁段质量，单位kg；m2为挂篮质量，单位kg；g取10N/kg。

前下横梁线荷载计算公式如式（2）：

（2）

式中：q为前下横梁线荷载，单位为kN/m；P是单侧翼板荷载；B为横梁宽度，单位为m。

施工变宽段底板宽为29.5～33.52m，对最不对称处进行验算。普通段梁面宽29.5m，变宽度宽为33.52m，横梁宽度为63.02m。前下横梁线荷载q=26.55kN/m，代入Midas软件，建立挂篮有限元模型，取最不利工况，得到最大剪力Qmax=160.59kN，最大弯矩Mmax=80.5kN·m。前下横梁由双HN500×200型钢组焊。截面面积A=2×112.3cm2，截面模量Wx=2×1807cm3，惯性矩Ix=2×46800cm4。

最大剪应力计算如下式（3）：

（3）

最大弯曲应力计算如式（4）：

（4）

其余构件强度验算见表1。经验算可知，本单侧变宽梁采用设计的变异菱形结构整体稳定性、强度、抗倾覆能力均满足规范要求，吊杆、主桁架和后锚固系统等局部构件也满足规范要求。

3 施工关键技术

3.1 挂篮拼装及预压

挂篮的拼装与预压是确保挂篮结构稳固和安全的重要步骤。这个过程涉及将挂篮的各个部件组装在一起，并施加适当的预压力，以确保在挂篮投入使用前，其结构能够承受预期的负载。

挂篮构配件为厂制，挂篮进场后进行验收，结构尺寸要求与设计图纸一致，模板几何尺寸运行偏差+5mm，且在挂篮施工前要进行预压。挂篮拼装时，拼缝错台允许偏差为2mm，模板拼装后模板轴线允许偏差为8mm。在拼装位置绘出行走轨道轴线，将行走轨道轴线误差控制为10mm。由于其为变异菱形结构，主构架组装完成后需保证对角线正确。

墩柱东西两侧各停放一台起重机进行挂篮安装，总体安装顺序为：轨道垫梁→轨道→主桁→中门架→后锚梁→后下横梁→前上横梁→前下横梁→底模→外导梁及滚动吊架→侧模滑移就位。吊装挂篮主桁、挂篮横梁、支架横梁等大型构件吊装时，设置揽风绳，人工辅助，以避免构建摆向铁路。

3.2 钢筋及预应力管道施工

横向预应力管道与纵向预应力管道采用塑料波纹管，以减小摩阻损失。而竖向预应力管道由于承受较大的应力，采用铁皮波纹管[2]。在纵向与竖向管道最高位置设置排气孔，以确保预应力管道内无气泡。

3.3 混凝土浇筑

当模板、钢筋以及各预埋件施工完毕，进行混凝土浇筑。考虑到施工荷载对挂篮结构的影响，浇筑过程中，使用两台泵车同步浇筑，并控制两侧混凝土浇筑的最大不平衡方量在8m3以内，以保持两悬臂端混凝土施工速度的平衡。一次性灌筑成型，按照底板、腹板、顶板的顺序进行混凝土浇筑，确保顶板的浇筑从翼板与腹板交点开始，向翼板边缘和顶板中部进行，并减少施工接缝。浇筑完毕后进行预应力张拉压浆。

3.4 挂篮行走

3.4.1 行走流程

挂篮行走流程见图3。采用液压缸顶推行走，前行走支座采用滑移式。行走前需进行检查，后锚孔与其他预留孔位置和尺寸是否准确，挂篮关键位置保险装置是否到位；以及滑梁悬吊系统的安全性。

脱模时先同步下放底篮后吊杆，再同步下放前吊杆，避免短吊杆出现无法卸脱。底篮与底滑梁前端挂在前上横梁，使挂篮模板系统完全脱离梁体。

由于其为非对称结构，为避免施工引起额外的偏心荷载，需确保各片主桁前后行进位置偏差不得大于10cm[3]。对于变宽段，腹板2、3、4、5上的主构架与横梁、中门架呈一定角度，选择使用丝杠/电动丝杠连接每片主构架，辅助方向调整。

3.4.2 拆除工艺

施工完成后，在原位进行挂篮拆除工艺，即在45#墩13#块以及46#墩18#块进行挂篮拆除工作。在相应位置预埋空洞，后期吊杆通过该孔下放底篮。挂篮拆除顺序：底篮（底横梁、底模）及侧模整体下放→外导梁及滚动吊架拆除→底模及侧模拆除→底横梁拆除→顶横梁拆除→中门架及主桁拆除→后锚及轨道拆除。由于邻近营业线，长臂机械禁止朝铁路方向旋转，施工时大臂自远离铁路侧转向线路侧，施工完成后沿施工时旋转路径返回。

3.5 附属施工

由于邻近营业线，为避免施工时对线路等造成影响，本工程在挂篮底部设置托底防护平台，防止挂篮施工悬臂节段时落物坠落。悬浇梁施工期间所用的钢筋、波纹管、小型模板等桥面材料，由起重机停放至梁体远离铁路侧（铁路30m范围外）吊放至桥面，然后用人工或叉车转运使用地点。材料转运时将材料捆扎牢靠。施工场地平整及硬化时，向远离铁路侧做0.5%排水坡，自铁路侧向铁路外侧进行排水。

4 结束语

基于某单侧变宽桥项目，对该非对称结构段开展挂篮设计。考虑到跨越现有铁路，施工难度大，采用变异菱形结构挂篮，并对该段挂篮悬浇施工关键环节开展分析，以减小施工荷载的影响，保证施工安全。计算结果表明，采用变异菱形结构挂篮，能降低前吊点高度，且挂篮内力分布更合理。

项目整体施工阶段未发生质量与安全问题，竣工后各项检测结果均达到设计目标要求，桥梁合龙精度满足设计要求，成桥线形逼近目标线形。由此表明，对于单侧变宽非对称结构，采用变异菱形结构挂篮能很好地满足施工需求的同时，对主体结构产生较小的影响。

参考文献

[1] 方淑君，杨耀，阮翔，等. 三角形挂篮和菱形挂篮有限元对比分析[J]. 公路工程，2017 （1）： 55-59.

[2] 王水龙.预应力塑料波纹管道摩阻损失试验研究[J].中国市政工程，2014（1）：18-19+90-91.

[3] 温利强，申铁军，高鹏.桥梁悬臂段挂篮研究及行走速度影响因素分析[J].山西建筑，2022，48（9）：171-172+177.

[4] JTG/T 3650—2020， 公路桥涵施工技术规范[S].