现浇连续梁挂篮法施工结构安全性研究

摘 要：为保障跨路连续梁挂篮施工安全并保证实体质量，本文以某公路工程（40+72+40）m连续梁为案例，使用有限元软件对连续梁进行建模，计算了挂篮结构在5种不同工况下的组合应力分布、变形及抗倾覆性，分析了挂篮组合应力集中部位和最不利位置。研究结果表明，当挂篮固定时，挂篮菱形钢结构斜杆与竖杆、下部托架中部、上横梁连接处等部位均容易出现较大的组合应力值；底托会出现较大的变形。在挂篮行走过程中，中门架与竖杆连接处出现组合应力最大值。本文结合实际工程提出了安全管控技术措施，为连续梁的安全施工提供了保障。

关键词：连续梁；行走挂篮；数值模拟；安全施工

中图分类号：U 448" " 文献标志码：A

跨路连续梁采用行走挂篮装置进行施工是一种广泛应用的施工方法，挂篮法施工具有结构简单、组装灵活、不阻断交通等优点，在工程实践中取得了良好的应用。同时，挂篮法施工也存在一系列风险点，挂篮倾覆是最主要的风险点；一旦倾覆，高空坠物会导致严重的安全事故。通过优化挂篮结构来提高挂篮抗倾覆作用是避免挂篮倾覆的有效方法[1]；使用有限元计算软件对挂篮结构的三维受力分布进行分析，可以确定挂篮结构受力的最不利位置[2]；数字化高精度线形监测控制有效保证了梁体的几何形态[3-4]。同时，由于不同工程所处的外界环境有一定差异，因此针对具体的连续梁安全施工，需要具体分析其挂篮结构稳定、梁体线形控制、外部风险等异常因素。本文依托山东省某上跨省道连续梁工程，根据实际工程，建立三维有限元模型，分析了结构受力特点，计算了挂篮结构的强度、刚度、稳定性及抗倾覆性，确定了挂篮结构受力最不利位置，并提出了相应的安全控制措施，保证了现场的安全施工和连续梁实体质量。

1 工程概况

山东省某公路工程设计有一联（40+72+40）m连续梁，主梁梁体为单箱单室、变高度、变截面箱梁，边跨跨径40.0m，中跨跨径72m，在跨中处附近上跨既有运营省道，梁底距离省道最大高差47.5m，此处省道来往车辆密集，现场挂篮施工对过往车辆存在较大的安全隐患，对连续梁挂篮安全施工提出了较高的要求。

连续梁1#～10#节段块采用挂篮悬臂浇筑施工，现场施工采用钢结构菱形挂篮施工，走行方式为无平衡重走行方式，挂篮工作系数小于0.45，单支挂篮按照自重70.34t、负荷150t控制设计，采用高强度型钢作为主体结构桁架；设计桁架走行时的稳定系数大于2.0，满足规范要求。待0#段混凝土浇注完成、预应力筋张拉完毕后，在0#块上拼组挂篮逐孔对称悬灌施工箱梁，预压荷载为最大施工荷载的1.2倍。挂篮走行到指定位置后，先将挂篮后锚上好，然后从底板预留孔穿入后吊带并将后吊带锚固，再安装侧模走行梁后吊杆。在挂篮各节段悬灌施工及挂篮结构行走过程中，存在一定的安全风险。

2 挂篮结构有限元建模

为全面了解挂篮结构的受力形态和在挂篮行走过程中的结构受力的薄弱点，对挂篮结构进行三维有限元建模分析，使用有限元软件通过数值模拟计算能够实现对挂篮结构受力的三维可视化再现[5]。

菱形挂篮结构主要的荷载取值如下。1）桥体块段钢筋混凝土荷载。取各桥体节段块中的最大值，选取1#块，长度为3200mm。2）桥体块段钢筋混凝土偏载。不平衡偏载最大值取10.5t。3）菱形挂篮结构重力荷载。由三维模型尺寸及物理参数共同确定。4）外侧钢模板重力荷载，1.3kN/m2。5）上部施工作业人员及设备，2.6kN/m2。

6）加工混凝土产生的动力荷载，4.8kN/m2。7）挂篮结构行走产生的冲击作用，0.35倍挂篮结构重力荷载。8）环境风力作用，3kN/m2。9）防坠落护栏自重荷载，按1.2kN/m计算。

在菱形挂篮结构有限元建模计算过程中，主要分析菱形挂篮结构的强度、刚度、稳定性及抗倾覆性能。各类工况下的荷载分配组合情况如下。

组合工况1：F1=a·（①+③+④）+b·（⑤+⑥）+⑨。

组合工况2：F2=a·（②+③+④）+b·（⑤+⑥）+⑨。

组合工况3：F3=a·（①+③+④）+⑧+⑨。

组合工况4：F4=①+③+④+⑤+⑨。

组合工况5：F5=a·（③+④）+⑧+⑨。

其中，F为荷载组合值，a为永久荷载分项系数，取1.2；b为可变荷载分项系数，取1.4。

组合工况1、2、3用于挂篮主体结构稳定性与强度验算；组合工况4用于结果抗倾覆验算；组合工况5用于结构的刚度验算。

3 挂篮结构强度与稳定性验算

在组合工况1条件下，主要基于浇筑结束前的最不利工况对菱形钢结构的稳定性和强度进行验算。此时设计混凝土方量已经全部浇筑完成，施工作业人员仍在进行振捣（增加振捣作用对钢结构产生的荷载作用），上部施工机械设备仍在挂篮结构承重计算范围。同时，应添加混凝土自身膨胀的作用效果。组合工况1条件下软件计算结果云图如图1所示。

根据计算结果可以得出以下结论，底托系统最大应力为121.8MPa，位于腹板下纵梁位置，基本呈对称分布的特点。导梁系统最大应力为166.2MPa，前横梁最大应力为67.6MPa，菱形钢结构架体最大应力为143.9MPa，与上横梁接触的斜杆所受组合应力最大。

在组合工况2条件下，主要考虑施工时悬灌量一侧完成、另一侧未完成，两边混凝土自重荷载不一致的情况，此时两侧相差混凝土自重荷载为12t。组合工况2条件下计算结果云图如图2所示。

根据计算结果可以得出以下结论，浇筑完成的一侧应力明显大于另一侧，两侧最大应力差值为31MPa，前横梁最大应力为65.5MPa。菱形钢结构架体处出现最大应力值，最大应力为135.7MPa，底托系统最大应力为110.4MPa，位于已浇筑混凝土完成侧腹板下的纵梁位置。

组合工况3的实际工况为菱形挂篮结构行走过程中，考虑风荷载的作用，下部的底托结构全部由吊杆悬吊；外导梁依旧存在模板荷载作用。

根据组合工况3条件下菱形挂篮结构的计算结果可以得出以下结论，在菱形挂篮结构行走过程中，由于没有桥体节段块的重力作用，底部托架、导梁、上横梁的组合最大应力值要明显小于组合工况1、2，结构内各点的最大组合应力均在10MPa以内，中门架与竖杆连接处出现组合应力的最大值，为105.4MPa。

由工况组合1～3可知，3种工况下均能满足挂篮设计的强度与稳定性。菱形钢结构斜杆与竖杆、下部托架中部、上横梁连接处等部位均容易出现较大的组合应力值，上述部位一旦发生断裂等破坏极易导致挂篮倾覆，造成严重的安全事故。对此，须采取相应的风险管控措施，具体包括对上述部位的螺栓安装报警装置，并每日检查钢结构是否出现裂隙等损伤现象，保证两侧对称施工。同时加强连续梁挂篮行走施工的线形控制，确保浇筑节段的实体质量和线形外观质量。

4 挂篮结构刚度验算

组合工况4是基于浇筑结束前的最不利工况对菱形钢结构的刚度进行验算。由于结构主要为竖向受力，本节仅考虑竖向（计算模型Z轴方向）的变形值。根据组合工况4条件下计算结果可以得出以下结论，挂篮结构下部托架变形明显要大于上部结构的变形。主构架部分最大变形位于前横梁支点处，最大竖向变形量为9.7mm。前横梁部分中部区域出现最大值，最大位移为11.19mm，相对变形值为1.9mm。导梁及吊杆弹性变形最大位移值为15.5mm，底托系统最大位移值为19.5mm，结构刚度满足规范及使用要求。对出现较大变形的部位增设应变片进行变形监测，定期检查外模板变形情况，避免因模板变形影响施工节段的外观质量和实体质量。

5 挂篮抗倾覆验算

混凝土浇筑时的抗倾覆计算组合工况5为挂篮施工过程中已锚固完成的挂篮结构承受最大的正常人员设备荷载。为保障施工安全，需要验算此种载荷组合下的挂篮后锚点的安全性。

由计算结果可知，荷载组合1时后锚点拉力最大值为818.1kN。每边锚固钢筋为6×ø32mm的精轧螺纹钢，锚固力为4003kN，安全系数为4.9，以上计算结果能够满足抗倾覆要求。挂篮倾覆会造成较严重的工程事故，挂篮结构锚固配件和设备必须符合国家质量检验标准及受力要求，并定期检查使用情况；避免因锈蚀导致精轧螺纹钢及锚固配件的破损，如果发现异常情况，就及时排除更换配件，消除安全风险。

6 结语

当挂篮固定时，挂篮菱形钢结构斜杆与竖杆、下部托架中部、上横梁连接处等部位均容易出现较大的组合应力值，非对称浇筑过程中会出现单侧应力集中。在挂篮行走过程中，中门架与竖杆连接处出现组合应力最大值。挂篮结构下部托架变形明显要大于上部结构的变形，最大竖向变形出现在底托，为19.5mm，主构架部分最大变形位于前横梁支点处，锚点拉力最大值为818.1kN，安全系数为4.89，结构刚度及抗倾覆性满足规范及使用要求。

根据挂篮受力、变形特点，本文提出了在重点部位的螺栓安装报警装置，并每日检查钢结构是否出现裂隙等损伤现象，保证两侧对称施工；同时，加强连续梁挂篮施工的线形控制，保证浇筑节段的安全施工与实体质量。

参考文献

[1]师新虎，李树鼎，黄亚磊.大跨度连续梁桥菱形挂篮优化设计[J].四川建筑，2023，43（5）：61-63.

[2]赵裴.郑万高铁（72+128+72）m连续梁悬臂施工控制研究与实践[D].石家庄：石家庄铁道大学，2020.

[3]徐畅.（32+48+32）m连续梁桥三角挂篮受力性能及线形监控研究[D].石家庄：石家庄铁道大学，2018.

[4]刘欣.某上跨铁路大跨连续梁桥施工监测与控制研究[D].西安：长安大学，2018.

[5]李乐.预应力连续梁桥悬臂浇筑施工监控分析[D].西安：长安大学，2018.