挂篮优化设计及检算

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可编辑 挂篮优化设计及检算

1、前言

挂篮悬臂灌注法是大跨度连续箱梁桥施工的主要方法之一，尤其在大跨度乃至特大跨度连续箱形梁桥梁建设中有着不可替代的位置，因此对该项技术的深入研究对掌握特大跨度桥梁施工技术具有重要意义。

本文籍以XX高速公路XX河特大桥挂篮优化设计及检算过程为例对该项技术做一些深入研究，希望可以对今后类似工程项目的施工设计起到一定的借鉴作用。

2、挂篮施工的基本原理

挂篮悬臂灌注施工方法是利用已经完成的墩顶节段（一般为0#段）为起点，通过挂篮的对称施工来逐段完成砼灌注及预应力张拉等工序的一种施工方法。

3、挂篮设计的几个核心问题

目前在实际施工中应用比较广泛的挂篮形式主要有：三角形挂篮、菱形挂篮、桁架式挂篮及锚索挂篮等几种类型，其中锚索挂篮主要应用于斜拉桥悬灌施工，其余几种则主要应用于大跨度连续箱形梁悬灌施工。

经过工程实践总结，挂篮在实际施工中应满足以下几个基本要求：

⑴ 挂篮自身在不同荷载工况下挠度满足设计要求；

⑵ 挂篮模板自身具有一定刚度且与前一节段成型砼的衔接密贴；

⑶ 挂篮各个调整机构应具有良好的操纵性能；

⑷ 挂篮前移速度快，操作简单；

⑸ 挂篮的拼装快捷、安全；

⑹ 挂篮的安全防护系统及人员操作平台及通道的设计完善；

⑺ 挂篮构件应采取模块化设计，以保证构件的通用性。

其中⑴、⑵两项主要是为了满足有效的进行线形控制的需要，⑶、⑷、⑸三项是为了满足可靠的操作性的需要，⑹、⑺是为了满足安全文明施工的需要。

由以上几点可以得出挂篮设计中的几个关键要素： 精选

可编辑 ⑴ 挂篮设计是以挠度控制为主，强度控制做为一种复核手段；

⑵ 挂篮应做为一个系统来进行设计，除了主要构件的结构检算外还应对其配套设施进行专项设计，以满足其综合使用功能；

⑶ 由于桥梁结构尺寸的多变性，挂篮设计应以模块化设计为主，确保其通用性。

4、挂篮设计工作程序

4.1 挂篮设计流程

挂篮设计应遵循以下设计程序：

⑴ 搜集原始参数，进行荷载分解；

⑵ 选定计算程序及复核程序；

⑶ 根据需要选定挂篮结构形式；

⑷ 应用计算软件对挂篮主要受力结构进行计算分析；

⑸ 对挂篮节点、吊挂系统、走行系统等进行局部设计及计算；

⑹ 绘制挂篮设计图纸

⑺ 组织挂篮加工，进行静载试验，并提交各节段建议预拱度值；

4.2 设计实例

XX高速公路XX河特大桥为95+4×170+95连续刚构桥，该桥跨度虽然无法和其他特大跨度连续刚构桥相比拟，但在同一座桥上集中了深桩（人工挖孔105m）、高墩（102m）、大跨（170m）三项技术难点于一体也属罕见，梁部悬灌施工难度较大。

本桥挂篮设计顺序分以下几个工作流程：

4.2.1 XX河特大桥原始荷载及工况

XX河特大桥结构尺寸原始数据经过整理可参见：“附表一、桥梁结构基本参数表”，经过对1#段、8#段、16#段三个长度递变节段荷载的初步分析，确定1#段为设计控制节段。

4.2.2 确定计算及复核程序

挂篮设计本属空间结构分析，但为了简化操作程序，可将空间问题转化为平面问题去计算分析。

目前平面分析软件较多，最终选定使用“好易懂2.0升级版”进行设计计算分析，“结精选

可编辑 构力学求解器”进行复核。“好易懂2.0”这个力学分析程序具有界面易懂、交互方便、计算结果显示直观且纠错能力强等优点，做平面结构分析效率较高。

4.2.3 挂篮结构形式比选

XX河特大桥墩高102m，墩顶风力较大，挂篮作业高度不宜过高，宜采用三角形挂篮模式，同时为考虑到竖向预应力同步张拉的需要，采取高托船方案以解决这一问题。

4.2.4 挂篮设计检算

挂篮设计检算应按照荷载传递顺序对空间荷载进行等代替换，转化为平面问题。转化顺序为：底模→侧模→内模→前吊挂系统→主桁，计算前应根据经验初步确定主要受力构件的规格以进行试算。

4.2.4.1 底模:

底模承担悬灌施工中梁体腹板及底板荷载,是整个挂篮系统中承载要求最大的构件,底模由以下几个部分组成:

底模纵梁,根据承载部位及数值大小的不同,分为腹板区和底板区.

前下横梁:为底模纵梁的前支点托梁,一般设置2~4个吊点,将荷载传递到挂篮前上横梁上.

后下横梁:为底模纵梁的后支点托梁,一般设置2个吊点,将底模承担的荷载传递到即有梁段的底腹板倒角处.

前后挂架:为固定在底模横梁上,将横梁承担荷载传递至吊带的转换构件,具有转向功能,可以适应不同底板坡度.

限位梁:用于施工过程中控制底模与侧模位置的机构,可以在模板走行过程中将侧模位置限制在一定范围内。

分析过程:

底模所承担荷载传递顺序如下:

荷载加载到底模面板→由面板传递到底模纵梁→由底模纵梁分别传递到底模前后下横梁→下横梁将承担荷载通过前后挂架传递到钢吊带，并分别传递到挂篮主桁前上横梁及即有梁段底板上。 精选

可编辑 依照这一受力模式将底模承载模型按照以下方式进行简化：

面荷载简化为线荷载，按底板及腹板位置，分别进行分析．

底模纵梁采用型钢焊接的桁架结构，结构图如下：

腹板区采用一组底纵梁，计算数据如下：

计算结果: fmax=4.3mm

前支点反力:185330N.后支点反力:278260N

底板区采用三组纵梁，计算数据如下：

底板计算结果: fmax= 1.4 mm

前支点反力:60627N,后支点反力:91029N(为一组数据，共计三组)

底板区底纵梁桁架最大杆件轴力:146520 N

腹板区底纵梁桁架最大杆件轴力:447880 N。

底模后下横梁计算：

后下横梁为2I400a工字钢组合而成，其截面特性如下：

单根:A=86.07cm2 2根:A=172.14cm2

Ix=21714cm4 Ix=43428cm4

后挂架吊定位置：从中心向两侧2.5m处，全长7.5m，计算模型如下： 精选

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腹板区后支点反力:278260N

底板区后支点反力:91029N(为一组数据，共计三组)

计算结果显示：后下横梁跨中最大挠曲变形为1.25mm，可以保证与即有梁体的密贴而不会出现漏浆现象．

后下横梁的挂架承载为420500N（单个挂架）

后下挂梁承担最大弯矩为121820 N·M,W=1085.7×2=2171.4cm3

σ=31714.2121820e=56.1 MPa＜[σ]=170MPa.

底模前下横梁计算：

在砼灌住时在前下横梁腹板外侧加设两根Ф32精轧螺纹钢吊带，以减少不平衡变形产生的影响，这一分析过程需要与上横梁联动分析。

钢销子及扁担梁局部抗压：

扁担梁局部抗压检算：

σ=208.0027.0420500=97.484MPa＜[240MPa]

销孔抗撕裂计算：

规范要求：

①垂直受力方向销孔直径处的净截面积应比杆件计算所需面积大40%.

②由销孔边至杆端的截面积不小于杆件的计算面积． 精选

可编辑 按以上要求：以Ａ3钢为基准，在该荷载下需要30cm2的抗拉面积：

现有横梁挂架承拉一侧截面积为Ａ＝29.02.1091.39×2+4.4×1.2×2=41.29cm＞30cm2 合格

4.2.4.2 侧模检算：

梁体侧模主要承担腹板侧压力及顶板垂直荷载，由于本桥挂篮设计中腹板混凝土侧压力由拉杆承担，所以侧模结构只需满足自身刚度的需要，并足够承担顶板及自重荷载即可。

侧滑道检算：

侧滑道承担荷载分两种工况：

① 挂篮走行过程：（最不利状态）

滑道后点吊挂在即有前一节段梁端，中点承担底模1/4荷重，中点至前点承担侧模自重的均布载，前点吊挂在挂篮主桁前上横梁上。

② 砼灌注过程：

滑道中点及前点分别吊挂在即有梁段端头及主桁前上横梁上，其间范围内承载挂篮侧模自重及顶板混凝土重。

模板自重荷载：

P侧模板=104770N P滑道=15580N P底模=107440N 精选

可编辑 检算模型简化：

工况1

滑道梁：[400a 58.91kg/m

单根A=75.04cm2 Ix=17577.7cm4

一组：A=75.04 e-4×2+0.26(0.01+0.006)=0.019168m2

Ix=17577.7×2+17355=52510cm4

跨中最大下挠14.6mm.

强度不必验算。

工况2：

本工况应分两种情况分别进行检算，第一种为侧模系统最大荷载下自身强度检算（16#段）；第二种为1号段前悬挂系统分析时侧模前吊点荷载计算过程。

第一种情况计算结果：

f最大挠度=3.8mm。

侧模前吊点荷载：p=110580N

第二种情况计算结果：

f最大挠度=3.4mm。

侧模前吊点荷载：p=87845N

4.2.4.3 内模验算：

内模自重：

P模板=68041N P滑道=9730N

q=68041/4=17010N/m

最不利荷载下砼重：

（5.7×0.3+1.2×0.3）×26500=54855N/M

合计：q=71865N/m

该荷载由两根2[320a滑道承载。 精选

可编辑 [320a A=48.5cm2 Ix=7510.6

2[320a A=48.5×2+15×1.6=121cm2

Ix=7510.6×2+15×1.0×16.52+15×0.6×16.32=21496cm4

工况1(同侧模分两部分检算)：

fmax=9.7mm

工况2(同侧模分两部分检算)：

第一种情况计算结果：

f最大挠度=6.1mm。

内模一个前吊点荷载：p=72720N

第二种情况计算结果：

f最大挠度=5.0mm。

内模一个前吊点荷载：p=44991N

4.2.4.4 前吊挂系统整体分析：

原始数据：

前上横梁2I450a A=102.4×2=204.8cm2

Ix=32241×2=64482cm4

前下横梁2I360a A=76.44×2=152.88cm2

Ix=15796×2=31592cm4

前下横梁荷载：

腹板：前支点反力185330N

底板：前支点反力60627N(为一组数据，共计三组)

侧模：

P=87845N