挂篮设计施工的基本知识
悬臂浇筑法目前成为了预应力混凝土连续梁(钢构）桥的主要施工方法。目前有许多的超过一定跨度的预应力连续桥梁采用挂篮悬臂施工。为适应不同跨径/不同截面的桥梁，挂篮设计也在不断的创新，挂篮越来越趋向轻型化，受力越来越合理，行走也越来越方便。为保证挂篮施工安全和桥梁的质量，挂篮的选择，设计/加工/安装以及验收的每一环节都非常重要。
1.挂篮的种类/特点及适用范围
为适应各种预应力混凝土连续梁(钢构）桥的施工需要，挂篮的形式多种多样，目前在我们施工中经常用到的主要有以下三种桁架式的挂篮，根据其不同结构/不同受力特点而分。
1.1，平行桁架式挂篮
平行桁架式挂篮的上部结构一般为等高桁架，采用万能杆件或贝雷梁组拼作为承重主桁如图1有专门的厂家生产或出租万能杆件或贝雷梁，现场可以根据需要拼接，其主桁成形较快，但是该种挂篮由于其自身荷载大，受力不合理，承重能力低，适合小跨度，节段重量较轻的连续梁或连续钢构桥。有采用越来越少的趋势。
图1
1.2三角式挂篮
三角式挂篮结构简单，受力明确，承重能力大，重心较低，悬灌时挂篮稳定性和挂篮行走时的稳定性较好。（如图2）挂篮杆件一般采用型钢组焊成箱形结构，主桁纵梁也可以采用钢板组焊，斜杆可以采用钢带、园钢或精轧螺纹钢筋。三角式挂篮适用范围很广，常用于单节梁段比较重的大跨度连续刚构梁和斜拉桥。（本桥采用三角式挂篮）
图2
1.3菱形挂篮
菱形挂篮结构简单，受力明确，构件一般采用型钢组焊成箱形结构（如图3）。菱形结构由于其结构的特点，前面部分空间较大，对工人施工操作影响较小。但挂篮重心比较高，主桁前横梁离桥面较高，存在一定安全隐患。
图3
2. 挂篮设计的原则
挂篮设计的原则是挂篮结构应具有足够的强度、刚度和稳定性。自重轻，结构简单，受力明确。易于加工拼装，走行方便。考虑到挂篮的重复利用，挂篮还需要具有通用性强，便于改造的特点，主要材料宜选标准通用材料，便于计算和重复利用。
3. 挂篮的结构设计
3.1 设计依据
3.1.1 桥梁施工图文件.
3.1.2 现行钢结构设计/施工技术规范.
3.1.3 现行公路桥涵设计施工技术规范.
3.1.4 现行钢结构施工及验收规范.
3.1.5 梁段细部情况.
3.2 挂篮的主要技术指标
3.2.1 可灌梁段的最大重量:根据桥梁设计施工图纸中的内容计算确定.
3.2.2可灌梁段的最大长度: 根据桥梁设计施工图纸中的内容计算确定.
3.2.3 高度变化范围: 根据桥梁设计施工图纸中的内容计算确定.
3.2.4 挂篮自重:一般为最大梁重的0.35至0.45倍并满足设计图纸中对挂篮重量的要求.
3.2.5 主桁最大变形:不大于20毫米.
3.2.6 抗倾覆稳定系数:走行时大于2.0;浇筑混凝土时大于2.0.
3.2.7 主桁杆件安全系数:大于1.2.
3.2.8 主桁前支点离梁段端面距离: 不小于0.5米.
3.2.9 挂篮走行方式:分次或一次性走行.
3.3挂篮的型式选择
应根据梁段细部情况和挂篮设计原则,选取不同型式的挂篮进行悬浇施工.各种类型的挂篮的区别在于主桁部分,其余部分如底模/内外模都大致相同.根据不同挂篮的特点及其适用性综合考虑,选取主桁的型式.另外,考虑挂篮的利用系数和节约,应尽量减轻挂篮的自重.挂
篮走行取消了配重,采用反扣轨道走行.主桁架/底模/外模一次走行到位,缩短施工周期.如一次走行有困难,也可分步走行,挂篮施工属于高空作业,为确保安全,需专门设置施工平台.安装防护栏杆,并挂设防护网.
3.4 结构设计(以三角形挂篮为例)如图4
图4
挂篮一般主要由主桁系统,底模系统,外模系统,内模系统和悬吊及走行系统五大部分组成:各部结构设计简要步骤如下
3.4.1主桁系统
挂篮主桁系统是整个挂篮的承重构件.
三角挂篮主桁系统主要由三角主桁架,横向连接系和前后横梁组
成, 前后横梁可以采用型钢组合而成,所采用型钢大小,可以根据计算确定.三角主桁架的纵梁可以用型钢组焊,也可以用钢板焊接成箱形结构,从材料节约和加工难易程度出发,采用型钢组焊更为合适,斜杆一般采用钢带,用钢销和纵梁连接,立柱采用型钢组焊,三角主桁同样设有横向联结系.
3.4.2 底模系统
底模系统包括底模前后横梁,底模纵梁,模板系统和辅助施工平台.底模前后横梁由型钢组焊箱形结构.前后横梁上设置吊耳.底模纵梁按照荷载分布进行布置,腹板位置布置稍密.底模纵梁也可以用桁架代替,采用小型钢组拼.底模纵梁上横向铺设160毫米*160毫米方木,用钢丝或螺钉与底模纵梁固定,方木上可以采用5厘米厚的木板,上面钉4毫米厚铁皮.也可在底模上直接铺设钢模板.(此方法采用较多)底模后吊可以采用吊带或吊杆.悬灌时贯穿梁底板锚固,走行时解开和横梁的连接.为保证施工安全,在后横梁位置设置施工平台,前后横梁之间设置走行平台.
3.4.3 外模系统
挂篮外模系统由外模模板,外模桁架,外模滑梁及吊架组成,外模模板宜用5厘米厚的钢面板和5#槽钢组成框架结构,为保证梁段外观质量,模板面板焊后的平整度应小于1/1000米,加工质量应符合规范要求.面板拐角处焊后应磨光打平.为节约成本也可利用墩身模板改制.使用前应检查钢模板的平整度和完整性.保证梁段浇注完成后的表面质量.外模桁架由型钢组焊而成.两侧外模模板和外模桁架可支承在外
滑梁上,外滑梁通过前后吊杆分别锚固在前上横梁和已浇注梁段上,也可支承在底模平台的纵梁上.
3.4.4 内模系统
内模模板采用定制钢模,内侧模根据高度采用小块模板拼装,内模骨架采用小槽钢,腹板厚度的变化由骨架调整,骨架上设置铰,便于拆模.内模骨架和模板支承在内滑梁上,内滑梁通过前后吊杆分别锚固在前上横梁和已浇注梁段上,内外模支架用对拉杆和背杆固定,防止爆模.
3.4.5悬吊及行走系统
挂篮底模前后吊杆一般可采用精轧螺纹钢筋,园钢和钢带,前吊杆比较长,现场可以根据需要分段连接.精轧螺纹钢筋需要专用连接器接长,但必须注意精轧螺纹钢筋的有效连接长度. 精轧螺纹钢筋应涂上红色标记,悬浇前应仔细检查此项目.使用精轧螺纹钢筋做吊杆时,最好采用通长.底模后吊锚固在已浇注梁段底板上,通过千斤顶调整标高.前后吊杆,吊带都通过钢铰和底模前后横梁用钢销连接.
4 结构验算
4.1结构验算的依据
4.1.1 浇注混凝土的动力冲击系数:1.2
4.1.2 空载走行时的冲击系数:1.2
4.1.3 挂篮总重控制在设计范围内,允许最大变形(包括吊带变形的总和)不大于20毫米.
4.1.4 自锚系统的安全系数:2.0
4.1.5 浇注混凝土和挂篮走行时的抗倾覆系数:2.0
4.2 荷载组合
4.2.1 荷载组合一:混凝土自重+动力冲击荷载+挂篮自重+人群和施工机具荷载(计算强度)
4.2.2荷载组合二: 混凝土自重+挂篮自重+人群和施工机具荷载.(计算刚度)
4.2.3荷载组合三: 挂篮自重+冲击附加荷载+风载(计算走行)
4.3 挂篮结构的验算
根据梁段的细部情况,梁截面可以分为底板,腹板,顶板和翼板进行荷载计算,底板和腹板由底模系统承担,顶板荷载由内模系统承担,翼板荷载由外模系统承担,通过前后吊杆.吊带传递到前上横梁和已浇筑梁段上.各个部分传递到前上横梁的所有荷载都传递到主桁架上.主桁架再通过前支点和后锚点把力传递到已浇注梁段上.悬吊系统部分在整个挂篮受力过程中起到力系转换作用,挂篮传力过程示意图如下:
挂篮传力过程示意图
4.4挂篮结构计算可以整体建模计算,需用计算机,也可分布建模计算,这里简单介绍分布建模计算的基本规则
4.4.1 底模系统
a．荷载分析
按照本标段为单箱双室为例，箱梁荷载分布如图5。计算中，把
底板荷载V1和腹板荷载V2按照图示均布荷载进行分布，支座间距和数量根据底模纵梁的间距确定。利用MIDAS 分析软件(MIDAS 软件有限单元法进行力学分析原理)进行受力计算或根据查连续梁表，将荷载分成几种简单荷载进行累迭加而计算（较复杂，适合简单验证）。
图5
b.底模钢模板及钢肋计算
根据底模荷载分布计算。此为常规计算在此略。
C ．底模纵梁计算
根据纵梁上从底模所传下的荷载来确定纵梁荷载，取腹板处纵梁
或选取承受荷载最大处的一根纵梁（有代表性）荷载分布如图6。利用MIDAS 计算(MIDAS 软件有限单元法进行力学分析原理)，软件计算得出底模纵梁最大剪力Qmax ，最大弯矩M ，最大挠度f 。底模纵梁强度，刚度计算如下：
B
图6
最大剪应力? =Q*S/I*B ＜[?]=110MP
最大弯矩力Q=M/W ＜[σ]=180MP
最大挠度f ≤L/400
d .底模前后横梁计算
底模前后横梁承受荷载比值按照1：1分布，根据纵梁的分布来
确定荷载受力图７，同样利用MIDAS 计算软件(MIDAS 软件有限单元法进行力学分析原理)计算得出前后横梁最大剪力Q ，最大弯矩M ，最大挠度f 。
图７
最大剪应力? =Q*S/I*B ＜[?]=110MP
最大弯矩力Q=M/W ＜[σ]=180MP
B
B
最大挠度f≤L/400
4.4.2 外模系统
a 侧压力计算
新浇混凝土的最大侧压力可按下列两种公式计算，取二者较小值。
F=0.22*r*t*β1*β2*/v
F= r*H
式中
r—混凝土比重，24KN/M3
t-新混凝土的初凝时间。
β2-外加剂影响系数，不掺外加剂时取1。掺外加剂时取1.2。
β1 -混凝土坍落度影响修正系数，坍落度小于30毫米时，取0.85; 50至90毫米时,取1.0;110至150时取1.15;
V-混凝土浇筑速度(M/H)
H-为混凝土侧压力计算位置处至新浇注混凝土顶面的总高度.
b. 面板验算
面板强度
按双向板计算，选用区格中三面固结，一面简支的最不利情况进行计算。由区格边长之比查《建筑结构静力学手册》得到相关数据，然后再按相关公式进行计算。此处略。
面板刚度
计算略
c ．横肋验算
横肋上荷载间距为H=400毫米，采用【8槽钢，支承在竖向桁架
上。
横肋上荷载q=F*h 。按三跨连续梁受力分析，荷载分布情况如图
８
图８ 利用MIDAS 分析软件(MIDAS 软件有限单元法进行力学分析原理)计算得M ，Q ，f.强度，刚度验算如下：
最大剪应力? =Q*S/I*B ＜[?]=110MP
最大弯矩力Q=M/W ＜[σ]=180MP
最大挠度f ≤L/400
d.竖肋验算
竖向大肋【12槽钢(通常采用)组焊成桁架，根据实际布置情况按
三跨连续梁受力分析，荷载分布情况如图９
B
图９
利用MIDAS 分析软件（MIDAS 软件有限单元法进行力学分析原
理 ）计算得M ，Q ，f.强度，刚度验算如下：
最大剪应力? =Q*S/I*B ＜[?]=110MP
最大弯矩力Q=M/W ＜[σ]=180MP
最大挠度f ≤L/400
面板与横肋或竖肋的组合挠度小于3毫米。
e 外模滑梁计算
外模滑梁根据挂篮施工情况按两种工况进行计算：
工况1：挂篮在悬灌过程中，滑梁承受挂篮外模自重q1和梁段翼
板荷载q2，荷载分布情况如图10
图10
B
工况2：挂篮在走行过程中，滑梁承受外模自重q1，荷载分布情
况如图11
图11
利用MIDAS 分析软件（MIDAS 软件有限单元法进行力学分析原
理 ）计算得两种工况下各自的M ，Q ，f.强度，刚度验算如下：
最大剪应力? =Q*S/I*B ＜[?]=110MP
最大弯矩力Q=M/W ＜[σ]=180MP
最大挠度f ≤L/400
4.4．3 内模系统
内模模板采用定型钢模板，由于一般顶板较薄，荷载较小，这里
不再计算。内模桁架由单独的桁片组成，桁片间距一般为0.7至1.0米，验算时计算受力最大的桁片。桁片荷载根据高度变化为梯形荷载，荷载分布如图12
B
图12
内滑梁计算时工况：挂篮在悬灌过程中，滑梁承受挂篮内模系统
自重q3和梁段顶板荷载q4，荷载分布如图13
图13
利用MIDAS 分析软件（MIDAS 软件有限单元法进行力学分析原
理 ）计算得M ，Q ，f.强度，刚度验算如下：
最大剪应力? =Q*S/I*B ＜[?]=110MP
最大弯矩力Q=M/W ＜[σ]=180MP
最大挠度f ≤L/400
4.4.4主桁系统
a ．主桁前横梁
主桁前横梁承受从底模平台，内外模传递来的荷载，根据各前吊
B
杆的位置，确定各荷载的加载情况图略
利用MIDAS分析软件计算得主桁前横梁最大M，Q和最大f，强度，刚度验算如下：
最大剪应力?=Q*S/I*B＜[?]=110MP
最大弯矩力Q=M/W＜[σ]=180MP
最大挠度f≤L/400
b．主桁架计算（三角形主桁架）
三角主桁架荷载分布情况如图14
图14
纵梁N1：最大剪应力?= Q*S/I*B＜[?]=110MP
最大弯曲力Q=M/W＜[σ]=180MP
斜杆N2，立柱N3主要承受轴心力σ=N/A＜[σ]=180MP
式中N—各杆件轴力；
A—各杆件截面积；
c.主桁后横梁
根据主桁架计算中支座反力R利用MIDAS分析软件（MIDAS软件有限单元法进行力学分析原理）建模计算得主桁后横梁的最大弯矩M，最大剪应力Q，最大挠度f及后锚杆拉力P。强度，刚度计算如下：
最大剪应力?=Q*S/I*B＜[?]=110MP
最大弯矩力Q=M/W＜[]=180MP
最大挠度f≤L/400
主桁后锚一般采用两种方式：
a采用后锚杆锚固后横梁,预先在已浇注梁段上预埋孔道,施工时后锚杆穿过梁顶板锚固在顶板位置,同时后锚杆上端用千斤顶顶紧,给主桁架后锚一个反力,消除浇注过程中主桁架后锚产生的负向位移,有利于标高控制,当设计中遇到单根后锚杆受力过大,可以采用分配梁进行分配,
b.利用梁段腹板的竖向预应力筋锚固挂篮后锚,竖向预应力筋露出梁段长度不够时,可以用精轧螺纹钢筋连接器接长.根据主桁架后锚的反力确定锚固的竖向预应力筋数量.这种方式可以节约一定的材料,减少预埋孔对已浇注梁段的破坏,施工较方便.
上面两种方式在挂篮施工中都经常使用,具体哪一种方式更为适合,可以根据梁段需要进行选择.本工程选用第一种方法.
4.4.5 悬吊及行走系统
a. 悬吊系统
悬吊系统主要包括底模前后吊带,内外前后吊杆及相关的分配梁,
通过底模,内外模计算得出各个吊杆,吊带的所受最大拉力N.吊杆材料可以使用直径32毫米的精轧螺纹钢,直径70毫米的45#园钢,及Q345B 的钢带。
b．走行系统
挂篮在走行过程只承受挂篮自重荷载P1，部分施工机具荷载P2和风荷载M1，还要考虑挂篮走行时的冲击系数1.3。
空载走行时的倾覆力矩：M=（1.3 P1+ P2）*l1+M1
抗倾覆力：F=M/L2=（1.3 P1+ P2）*l1+M1/L2
假设挂篮主桁架为两片,单边轨道有6个走行轮,挂篮走行中按单轨4个走行轮受力进行计算.走行轮轴一般用20CrMnTi,也可用45#钢进行车制。单个后轴走行轮轴所受弯矩：
强度计算：M=PL/8
σ=M/W<[σ]=290MPa
式中P-挂篮抗倾覆力；
L-走行轮轴的有效长度；
W=走行轮轴的抗弯模量；
挂篮在走行过程中，走行轮反扣轨道，一般都是利用梁段自身的竖向预应力筋锚固轨道，假设每次挂篮后锚移动到轨道任何位置，都有两根竖向预应力筋受力，进行强度计算：
σ=N/A<[σ]=675MPa
式中N-单根竖向预应力筋所受拉力；
A-竖向预应力筋截面积。
挂篮抗倾覆系数：K>2
4.4.6细部结构
销子,斜拉杆销孔削弱计算,立柱的稳定性计算等.
a. 销子,斜拉杆销孔削弱计算。
挂篮主桁是整个挂篮的重要受力构件,对各杆件相互之间的连接需进行验算.三角架斜杆为2根t=20毫米钢带，所受拉力为N，连接钢销材料为20CrMnTi，立柱头连接钢板材料为16MN，容许承压应力为295MPa。
销孔承压应力：σ=N/A1=N/2dt<[σ]=295MPa
销子剪应力：?= N/A2<[?]=259MPa
销子所受弯应力：：σ=M/W=Nt/2W<[]=295MPa
式中d-钢销直径；
t-钢带厚度：
A2-钢销的截面积；
W-钢销的抗弯模量。
b 立柱稳定性计算。
三角架所受轴向力为N，立柱两端按铰接计算，有效长度为L0,Q235钢容许应力为170MPa。
λ=L0/i<150
长细比计算:由λ.查得φ值
强度计算: σ=N/φA<[σ]=170 MPa
式中A-立柱截面积.