宽幅箱梁菱形挂篮结构设计与计算
发表时间：2020-03-24T05:54:22.344Z 来源：《防护工程》2019年21期作者：林沛城[导读] 挂篮杆件理论计算应力和实际测试应力远远小于材料的允许应力,挂篮的强度设计偏于保守,优化设计空间较大。
广东佛盈汇建工程管理有限公司广东佛山 528000摘要：结合佛山市魁奇路西延线佛开跨线桥工程实例，介绍了宽幅箱梁菱形挂篮的设计构思、挂篮结构。
该挂篮具有自重较轻，安装方便，受力明确，加工安装简单方便，综合技术指标高的特点。
挂篮杆件理论计算应力和实际测试应力远远小于材料的允许应力,挂篮的强
度设计偏于保守,优化设计空间较大。
关键词：宽幅箱梁、菱形挂篮、设计构思
一、箱梁概况简述
佛山市禅城区魁奇路西延线工程佛开跨线桥主桥长146m，单幅桥面宽28m，主桥上部结构采用（39+68+39）m跨变截面连续箱梁，共分为13种梁段，挂篮悬浇梁段长为2m、2.5m、3m。
桥支点处梁高3.8米，跨中梁高1.9米。
箱梁底板水平，由顶板形成单向2%的横坡，梁高均为结构中心高度。
箱梁为单箱四室截面，箱底宽22米，箱顶宽28米。
最大梁段1#重量为167t，梁段长2m。
箱梁翼缘宽度每侧均为3.0米，箱粱顶板厚度为25厘米；箱粱腹板厚度正常段为55厘米，支点附件加厚截面为80厘米；箱粱底板厚度变化范围从25厘米~60厘米；翼缘板端厚度20厘米，根部厚度60厘米。
腹板与顶底板相接处、横粱与腹板及顶底板相接处均设置承托过渡结构。
二、挂篮设计要求根据设计图纸及规范，挂篮需满足以下要求：
1、挂篮与悬浇梁段混凝土的重量比不宜大于0.5，且挂篮总重应控制在设计规定的限重之内。
2、各梁段采用一次浇筑，要求挂篮有足够刚度，挂篮的最大变形（包括吊带变形的总和）应不大于20mm。
3、挂篮在浇筑混凝土状态和行走时的抗倾覆安全系数不应小于2。
三、挂篮设计构思根据国内目前挂篮施工水平和加工能力，综合考虑本桥悬臂浇筑设计分段长度和梁段重量、外形尺寸，本桥挂篮设计构思：
1、挂篮采用自重较轻的自锚式挂篮，挂篮在箱梁浇筑状态下，通过箱梁顶板预埋的精轧螺纹钢锚固平衡倾覆力矩，无需配重。
2、选用安全可靠、受力合理、结构轻便的菱形桁架作为挂篮承重主桁架。
3、本桥箱梁为单箱四室，有5道腹板，一般挂篮设计为每道腹板上设置一片主桁架，但为了减少挂篮自重，优化结构设计，本挂篮设计为3片主桁架，即两边腹板和中间腹板处设置主桁架。
4、挂篮所采用的钢材均为国内钢材市场上常见的普通钢材，力求结构轻巧，便于采购加工。
5、挂篮行走轨道通过预埋在箱梁顶板的精轧螺纹钢锚固，挂篮在空载移篮时，依靠挂篮后行走小车勾住轨道，平衡倾覆力矩，达到取消平衡配重，减轻挂篮自重的目的。
6、挂篮主要受力节点均采用销接方式，保证了受力节点连接的可靠性，减小构件之间的弯矩传递，优化挂篮的受力结构。
四、挂篮结构及组成
菱形挂篮为钢结构组合式设备，主要由主桁总成、底篮总成、后行走装置、后锚固装置、轨道及其锚固装置、前支腿总成、外导梁总成、内导梁总成、底篮箱内吊带锚固总成、底篮行走吊带锚固总成、底篮前吊带锚固总成及各种模板等组成。
1、主桁总成
主桁总成包括主桁杆件、主桁节点、主桁销、立柱平联、主梁平联、前上横梁等构件。
主桁架是挂篮的主要承重结构，主桁架有3片主桁组成，截面尺寸由结构分析确定，每片桁架都由2[32a的型钢组焊成箱型断面而成，主桁杆件之间连接为销接，主桁杆件均为拉压杆件。
挂篮主桁架悬臂长4.5m，总9.3m。
三片主桁架分别置于箱梁腹板位置，横向间距为10.47m，采用槽钢焊接而成的平联，保证三片主桁架的整体性。
前上横梁由两根HN496H钢双拼而成，设置于主桁架前端之上，全长29m。
2、底篮总成
底篮总成由前下横梁、后下横梁、底篮纵梁组成。
前下横梁与后下横梁均由两根HN582H钢双拼而成，两根横梁全长均为29m。
其中前下横梁设吊带位置6个，后下横梁设吊带位置6个。
前、后下横梁支撑底篮纵梁，底篮纵梁为单根I25工字钢，底篮纵梁上铺设钢模板作为箱梁底模。
3、后行走装置及前支腿
后行走装置由吊带、销轴及行走小车组成，前支腿总成由前支腿、走棍、走辊限位器、支座等组成。
4、后锚固装置、轨道及其锚固装置、限位系统
后锚固装置由后锚固梁、精轧螺纹钢筋及其连接器、锚固板、螺母等组成；轨道及其锚固装置由3m轨道轨道锚固梁装置等组成。
其中，锚固用的精轧螺纹钢为原桥梁结构部分竖向预应力精轧螺纹钢与预埋精轧螺纹钢组成。
限位系统：挂篮在走行到位之后，要精定位后才能浇注砼。
在砼浇注过程中，必须保持其位置准确，不移位。
因本挂篮未设专门的定位系统，故在施工时必须确保挂篮轨道平面位置准确，并在轨道两端设限位器，当挂篮走行到位后即将挂篮前支点锁定。
此外，为避免砼浇注过程中底篮平台发生位移，在砼浇注前应将后吊带预施足够的拉力，使挂篮底篮与已浇注的梁体之间贴紧，并用于限位。
5、外导梁总成
外导梁总成由外导梁、前吊带锚固总成、中吊带锚固总成及悬吊锚固总成等组成。
外导梁为单根I32工字钢，全长8m。
6、内导梁总成
内导梁总成由内导梁、前吊带锚固总成、中吊带锚固总成及悬吊锚固总成等组成。
内导梁为单根25工字钢，全长8m
7、底篮吊带锚固总成
底篮吊带锚固总成由箱内吊带锚固总成、行走吊带锚固总成及前吊带锚固总成组成。
五、挂篮结构计算
1、计算荷载
A、主桥混凝土自重荷载:26kN/m3
B、混凝土振捣荷载: 2.0kN/m2
C、人工、机具荷载:1.0kN/m2
D、钢模平均模板荷载1.2kN/m2
荷载系数依据交通部颁发的公路桥涵设计和施工规范选定。
2、挂篮结构工况验算
本挂篮系统整体采用空间分析软件MIDAS（迈达斯）进行计算，考虑该桥的施工组织，在挂篮计算过程中，分别考虑了以下两个工况：
工况一：挂篮行走工况。
验算挂蓝在自重行走状态中的效应；
此工况挂篮主桁架走行时的倾覆稳定为主要计算项目，经计算，挂篮主桁架后行走小车、轨道及其预埋精轧螺纹钢的受力安全系数均大于2.0。
挂篮倾覆稳定系数为：K抗倾=M抗倾/M倾＞2，满足要求。
工况二：浇筑1#梁段混凝土。
验算挂篮的极限承载力状态，主要是验证挂篮结构强度符合规范要求，同时以挂篮最大变形作为评定挂篮刚度的参考标准；该工况考虑“挂篮自重+施工恒载+施工活载”的共同效应；
挂篮在本工况下，通过计算，各荷载组合中主桁架杆件最大应力为128Mpa，其他分配梁最大应力为100Mpa，均小于所用材料的容许应力。
挂篮悬臂端的最大计算挠度19mm。
满足刚度要求。
且挂篮主桁架及底篮平台后锚固和前吊带安全系数均大于2.0。
六、挂篮变形测试
1、挂篮测试的目的主要是检验实际承载力和安全可靠性，并获得弹性和非弹性变形参数，，同时检验挂篮的设计质量和加工质量。
静载试验按照最重梁段（1＃）的1.2倍进行模拟压重，分三级进行：0→50％→100％→120％→卸载，每级荷载加上后进行测量并记录原始数据，为箱梁施工控制提供数据。
2、主要测试方法：挂篮测试在静荷载下，对其进行挠度测试，加载采用模拟挂篮的实际受力模式进行。
试验分3级加载和1级卸载。
挠度采用精密水准仪配精密标尺进行观测，其观测点设于主桁受力中心前下横梁处，编号从上游向下游编号。
3、试验结果
由测试结果可得出结论：挂篮实测挠度较小，挂篮刚度较大，对保证箱梁混凝土浇筑质量有利；从挂篮变形测试结果来看，挂篮结构在超载系数为1.2时仍处于正常工作范围内。
由此可见，挂篮各部件均满足结构的设计要求。
也反映出挂篮的强度时满足使用要求且是安全的。
七、结束语
本挂篮为菱形挂篮，应用于本项目跨佛开高速主桥悬臂浇筑施工。
施工完成后，经公路桥梁检测单位检测各项指标均符合设计及规范要求。
挂篮受力合理，结构应力水平较低，具有较高的强度储备；挂篮结构变形较小，具有较高的刚度储备，安全可靠；本挂篮重量63t，
与悬浇梁段混凝土重量比为0.37，挂篮自重较轻。
这是宽幅箱梁挂篮设计在本人负责的项目上一次成功尝试，值得在以后类似的挂篮设计中借鉴。
参考文献：
《公路桥涵施工技术规范》（人民交通出版社，JTJ 041-2011）；《路桥施工计算手册》（周水兴，何兆意，邹毅松. 人民交通出版社）《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）
《钢结构焊接规范》（GB50661-2011）。
