挂篮设计技术总结
黄锋
(福建建工集团总公司,福建福州,350001)
摘要:挂篮施工是国内常见的施工技术,其施工工艺相对成熟。本文总结了挂篮施工的优点、设计的指导思想、可供选用的类型等。本文的工作将会提高工程师的挂篮设计水平,同时促进挂篮设备及其使用方法的标准化。
关键词:挂篮;悬臂施工;设计原则;标准化
中图分类号:U445.466 文献标识码:A
Technical summary of the designing of travelling carriage
Huang Feng
(Fujian Construction Engineering Group Corporation, Fuzhou, Fujian, 350001)
Abstract: As a kind of well developed construction method, travelling carriage is a common constr uction technology in home. In
this paper, the merits, the designing principle, and the available type s of travelling carriage are summarized. The paper will help engineers improve the designing level and benefit the standardization of
travelling carriage.
Keywords: travelling carriage; cantilever construction; designing principle; standardization
1.概述
1953年,德国Finsterwald在建造Worms莱茵河桥时,首创挂篮悬浇的预应力施工工艺。挂篮悬臂施工技术是预应力桥梁发展过程中一项具有里程碑式的重要技术。我国在20世纪60年代中期在一座T型刚构桥上首次使用该施工方法。进入
80年代后,我国加大了基础设施的投入和实施西部大开发战略,越岭高速公路、高
速铁路、城市高架和跨海大桥发展很快,悬臂施工法已经成为修建大跨度预应力混凝土连续梁桥、连续刚构桥、斜拉桥等的常用的施工技术之一,特别是在桥墩较高、桥跨较长或桥下净空受到限制的情况。
悬臂浇筑施工技术是指从已建成的桥墩开始,沿桥梁跨经方向两侧对称进行逐段现浇梁段,待每段梁段混凝土达到设计强度后,通过张拉预应力束将各段连成整体,再移动挂篮浇注下一段梁段至全桥结束。挂篮是悬臂浇注施工中的主要工艺设备,其设计和使用是整个桥梁施工的关键。因此悬臂浇筑施工也叫挂篮悬臂施工,其优点主要有:在施工期间不影响桥下的水陆交通,不用或少用支架,节省施工费用,降低工程造价,适用性强(方便设计成变高度梁)、利用率高(是我国周转使用次数最高的模板体系),加快施工进度缩短工期,在施工中可以对各个节段的施工误差进行调整保证悬浇施工的精度。
悬臂式挂篮一般由承重系统、悬吊系统、行走系统、锚固系统(有些含压重,
来补充锚固对挂篮稳定性的不足)、模板系统、工作平台等基本组成。承重系统是挂篮的主要受力构件,可以采用钢板梁,工字钢梁或万能杆件组拼的钢桁梁和贝雷钢梁等;悬吊系统是结构的传力部分,主要由精制螺纹钢和预应力索组成,作用是调节工作平台和模板标高;行走系统由滑动小车和推进机构组成,使挂篮在上一段混凝土浇筑完成且混凝土达到一定强度之后顺利进行下一段混凝土的浇筑;锚固系统是一个平衡体系,作用是避免倾覆以确保挂篮施工安全;模板系统包括底模、侧模、内模;工作平台是施工人员的工作面,方便施工人员完成架设模板、绑扎钢筋、浇筑养护混凝土、张拉预应力筋等工作。
我国地域广阔,各家设计单位设计风格和特色不同,再加上施工企业的原因,生产定型系列化挂篮尚不具备条件,这导致目前我国的挂篮基本都是由施工单位根据
工程具体情况,在工地自行计算、设计、加工、制作、安装。国内虽然在挂篮的设计及使用方面已积累了丰富的经验,但是由于工期紧迫,往往来不及仔细推敲优化,设计过程中或者存在安全隐患或者存在材料浪费现象,因此总结挂篮设计的原则和目前已有的挂篮类型对于提高工程师的挂篮设计水平和促进挂篮设备及其使用方法的标准化具有重要的意义。
2.挂篮设计原则
挂篮的设计原则不仅对于指导设计人员进行创新设计有重要作用,而且对于施工人员深刻理解各个施工步骤过程的作用,保证安全性方面具有重要意义。所以,应当要注重挂篮设计原则的总结。
桥梁施工技术对桥梁的构思、力学体系的建立、计算方法和构件设计起着决定性的影响。因此,挂篮设计必须精心组织,注重整体功能,具体原则有:结构稳定、受力明确合理(传力路径明确,杆件尽量是轴向受力构件,但是需注意构件连接点的受力情况的复杂性)、有效承载能力大、自重轻、加工简捷、拼装拆除方便,浇注施工中变形量小、具有一定的保证施工人员的安全的措施等等。
下面从设计过程角度对材料选择、设计标准、挂篮工作系数、受力分析、挂篮静载试验等方面论述如何贯彻上述原则。
1.材料选择
挂篮一般是由钢构件组成,主要受力构件采用贝雷梁,万能杆件,型钢,槽钢,钢板等便于加工的高强轻质钢材;吊杆选用精轧螺纹钢或者预应力索。在使用前,需要对这些材料进行严格质量检查,检查结构尺寸、焊缝尺寸、焊接质量,探伤材质,检查后应有详细记录。从源头上保证施工安全。
2.设计标准
挂篮大多是钢结构,所以一般都采用容许应力法设计。施工荷载(模板、振动力、人员、机具)系数取1.4。抗倾覆稳定系数取1.5。挂篮行走时的冲击系数取1.2。前后横梁和外模的刚度取为1/400,内模刚度为1/300,整体刚度为1/600。挂篮整体刚度是悬臂浇注桥梁混凝土施工控制的关键,也是影响线形最主要的因素。过大的变形在节段施工中容易在节段面上产生裂缝。另外,对于海上峡谷等受大风影响的地区采用挂篮施工,应当选择低重心、大刚度的挂篮,同时必须对挂篮进行抗风分析,保证在大风情况下能安全地前移挂篮。
3.挂篮工作系数
挂篮工作系数是挂篮自重与箱梁梁段自重的比值,反映设计挂篮所用的材料数量(用钢量)。挂篮设计的趋势之一就是减轻挂篮自重,比如:选用受力合理、安全可靠的轻型结构作为挂篮承重主桁,利用箱梁竖向预应力筋平衡倾覆力矩以取消配重等。目前,在许多工程中挂篮工作系数达到了0.3。
4.受力分析
设计计算分析可以采用手算和电算相互结合的方法。电算计算过程是基于空间杆系有限元的理论,可采用SAP2000、ANSYS、MIDAS等有限元软件建立空间分析模型,计算时考虑施工安装过程可能遇到的荷载情况,进行最不利工况组合,确定各个构件的控制内力和位移,在此过程中应注意节点的处理是铰接还是固接、混凝土不同浇注龄期的力学状态。
5.挂篮静载试验
挂篮在使用前的预压试验是必不可少的环节。挂篮测试是在等效静态荷载下,对主要受力构件进行挠度观测和应力测试。试验目的是检验挂篮的实际承载力、整体安全可靠性,同时消除非弹性变形并测出弹性变形值、查明实际弹塑性变形与理论计算的差异。荷载可以通过千斤顶或等效重物(砂袋、水箱、混凝土块、钢筋等)
施加。试验分级加载,特别注意焊缝有无开裂情况。静载试验的超载系数一般取
1.1-1.2,实际加载重量为结构最大节段自重×超载系数。
对于跨经、结构形式、尺寸差别不大的类似桥梁,尽量采用一样的挂篮,通过
类比计算分析,各项指标接近,但为了避免安全事故和经济损失、新的桥梁在正式悬浇施工前,也应对新拼装的挂篮进行静载试验,而不能套用以往类似的试验结果。
3.可供选择的挂篮类型
悬臂施工是应用最广的施工方法,因此施工过程中积累下来可供选择的挂篮类型较多。按照主要受力构件结构形式可分为桁架式、型钢式、斜拉式及混合式四种;按行走方式可分为滑动式、滚动式和组合式三种;按抗倾覆平衡的形式可以分为全压重式、半压重式和自锚式三种。下面按第一种分类方法进行简单介绍:
桁架式挂篮(图1)是国内最早出现的挂篮,主要受力构件是制式杆件(万能杆件、军用梁等)组拼而成的桁架。其自重大,前吊点下挠大,拆卸移动麻烦,且需要配置平衡重。
型钢式挂篮(图2)主要有两种:三角式挂篮和菱形挂篮。主要受力构件由槽钢组焊而成。型钢挂篮结构简单、受力明确合理、操作空间大、施工简便可靠。
斜拉式挂篮(图3)是利用系数最大的一种挂篮,它将最前端的荷载通过斜拉杆直接传递给已浇梁段,从而降低了对主梁的强度和刚度要求,使主梁悬臂部分的功能变成主要是悬吊空载的模板系统,减少材料用量,虽然其操作难度系数较大,但是它是近年来应用较多的挂篮类型。
此外,还要一些适用于特殊的挂篮,比如:不等角的菱形挂篮、平弦无平衡重挂篮等。
三角形挂篮、斜拉式挂篮由于它们的杆件(底边或大梁)位于腹板的上方,影响了腹板的钢筋绑扎及混凝土灌筑作业,因而应用会受到抑制,而斜拉式挂篮更由于其
需要在梁上预留的孔洞较多,移位操作较复杂,会受到更多的影响。空间菱形挂篮为施工提供了宽阔的作业空间,是挂篮进一步轻型化、整体化发展的一种结构形式,是一种值得推广的挂篮形式。
图1 桁架式挂篮
图2 型钢式挂篮
图3 斜拉式挂篮
4.结语
随着预应力混凝土技术的发展及高强材料,高性能混凝土在桥梁工程中的应用,桥梁向大跨度方向发展,从而对挂篮的技术指标提出了更高的要求。安全性、经济性、适用性、快速性是评价挂篮优劣的四个非常重要的指标。受力性能应从杆件的强度、刚度、稳定性三方面来综合衡量,特别是焊接结构的疲劳裂纹和由于单个杆件的失稳造成的破坏。设计优秀、技术经济综合效果明显、经过施工实践检验的挂篮应当标准化,形成定型的系列化产品,推广应用,这样不仅能带来可观的社会经济效益,也有利于提高桥梁建设质量和科学技术水平。
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