大跨径桥梁悬臂现浇施工挂篮结构分析及优化

大跨径桥梁悬臂现浇施工挂篮结构分析及优化

杨,妮，雷浪

陕西高速机械化工程有限公司,陕西 西安 710038

摘  要：挂篮悬浇施工作为大跨径连续梁和连续刚构的主要施工方法，应用广泛。挂篮结构在施工阶段的安全性显得尤为重要。本文以一座连续刚构桥施工挂篮为例，建立挂篮结构的有限元分析模型，从结构强度、刚度、整体稳定性、抗倾覆稳定方面综合分析了挂篮的承载能力和使用安全性能，并提出挂篮设计中的常见问题及优化措施，验证了该方法在挂篮结构分析中的有效性，可供同类结构参考。

关键词：桥梁工程；挂篮结构；大跨径；优化设计

0  引言

随着我国西部大开发战略的进一步深入，西部省份高等级公路的大规模修建均已进入山高谷深、地势险峻地带，必然需要在高等级公路上设置大跨径桥梁以跨越深谷。连续刚构桥作为一种组合体系，它综合了连续梁和T型刚构桥的受力特点，既保持了连续梁行车平顺的优点，又保持了T型刚构桥不设置支座、不需体系转换的优点；它利用高墩的柔度来适应结构由于预应力、混凝土收缩、徐变和温度变化所引起的位移，能满足特大跨径桥梁的受力要求。随着预应力混凝土技术和悬臂施工方法的日益成熟，预应力混凝土连续刚构桥梁在西部地区尤其是陕西黄土沟壑地区得到了广泛应用。

目前对挂篮悬臂浇筑法施工工艺较为成熟，施工图设计文件中一般只给出挂篮设计吨位。现场施工时进行挂篮设计时，挂篮结构必须满足施工要求。施工现场挂篮变形过大、结构发生倾覆情况时有发生，施工前对挂篮结构进行分析具有重大实际意义[1][2]。

1  工程概况

某桥桥孔布置为（22×40）+(92.75+6×170+92.75)+（12×40），桥全长2573.5m。其中主桥上部结构为（93+6×170+93）m变截面预应力混凝土连续刚构箱梁，采用挂篮悬臂浇筑法施工。单幅采用单箱单室截面，箱底宽7.0m，两侧悬臂各长2.75m，全宽12.5m。主墩根部箱梁中心梁高10.2m，跨中箱梁中心梁高4.0m，梁高及底板厚均按1.8次抛物线变化。顶板厚0.28m，悬臂板端部厚0.2m，根部厚0.7m；腹板厚0.5m～1.2m，底板厚0.3m～1.2m。分别在中支点、10#块、合龙段和边支点处设置横隔板。

箱梁悬臂浇筑施工共划分为20个梁段，其中1号～5号梁段长3.0m，最大梁重216.0t；6号～9号梁段长3.5m，最大梁重181t；10号～14号梁段长4.0m，最大梁重198.0t；15号～20号梁段长4.5m，最大梁重133.7t，全桥悬臂浇筑最大梁重为216.0t。

2  结构概况

2.1挂篮组成

主桁系统：挂篮主要受力构件，由三角架立柱、纵梁和斜拉杆组成，三角架立柱和纵梁为双拼45B工字钢，斜拉杆为双拼[32A槽钢。

横向联系组：把两片三脚架横向连接为整体，提高整体稳定性。主要由前上横梁、上中横梁、三脚架立柱横向桁片组成；横向桁片为[14、[10槽钢，前上横梁、上中横梁为50A、40B双拼工字钢。

底托系统：由下横梁和小纵梁组成，通过吊杆或吊带把荷载传递给主桁系统。下横梁为40B双拼工字钢，小纵梁为36B工字钢。

悬吊系统：连接主桁系统和底托系统，吊杆一般为精轧螺纹钢筋，吊带为锰钢钢板。该挂篮吊杆为PSB830螺纹钢筋，吊带为20mm厚22cm16Mn钢板。

行走系统：由行走轨道、导梁和滑梁组成，材料均为工字钢，该挂篮材料未特别说明均为Q235钢材。

挂篮立面图及典型横断面如图所示：

图1 立面图

图2断面布置图

2.2材料及结构分析参数

材料力学性能参数见表1。

表1材料力学参数表

主要涉及计算参数[6]

（1）主梁容重按26.5kN/m3计算，同时考虑超方系数1.05；考虑混凝土浇筑体积具有代表性节段重量；

（2）模板、支架荷载按200kg/m2计入；

（3）混凝土振捣竖向荷载取2.0kN/m2；

（4）人员机具荷载取2.5kN/m2；

（5）挂篮行走时动力冲击系数：1.4。

2.3模型建立

采用MIDAS软件建立有限元结构仿真模型进行计算分析。按空间结构分别建立挂篮浇筑混凝土时的模型，添加实际工况荷载。本模型共253个节点，248个单元，如图3所示。

图3挂篮结构计算有限元模型

2.4工况分析

挂篮结构受力分析一般考虑两种工况：一种是混凝土块段施工状态，挂篮位置固定，所受施工荷载变化；一种挂篮处于行走状态，挂篮主要承受自重荷载，结构在轨道上滑动。

3  结构分析及优化

3.1强度分析

箱梁翼缘板混凝土及箱梁侧模重量通过外滑梁分别传至前一节段已施工完的箱梁翼板和挂篮主桁的前上横梁承担。箱梁顶板混凝土及箱梁内模、骨架重量通过内滑梁分别传至前一节段已施工完的箱梁顶板和挂篮主桁的前上横梁承担。箱梁腹板、底板混凝土重量及底模板通过底纵梁分别传至前一节段已施工完的箱梁底板和挂篮主桁的前上横梁承担。

在挂篮浇筑工况，考虑挂篮自重、混凝土湿重、施工人员机具及混凝土振捣作用下的基本组合的主桁结构应力如图4和图5所示，挂篮最大拉应力89MPa，最大压应力90MPa。

图4 挂篮主桁施工状态上缘应力

图5 挂篮主桁施工状态下缘应力

其他构件在挂篮浇筑工况时，考虑挂篮自重、混凝土湿重、施工人员机具及混凝土振捣作用下的基本组合的结构构件应力汇总见表2。

表2结构验算

3.2变形分析

挂篮施工状态结构整体向下最大位移18.5mm，小于规范限值20mm，如图所示。

图6 挂篮结构整体变形

挂篮结构中各构件变形如表2所示。

表2  结构构件变形结果

由上表可知，各构件的变形均在规范要求的变形限值之内。

3.2稳定分析

整体稳定性分析以挂篮结构自重以及挂篮自重+底板混凝土横向浇筑一半两个工况进行分析，得到结构稳定屈曲系数：

图7 挂篮结构自重工况

图8 自重+底板混凝土横向浇筑一半工况

由上图7、8可知，挂篮结构自重作用下，临界荷载系数λ=11.1；挂篮自重+底板混凝土横向浇筑一半，临界荷载系数λ=3.56，在两种工况下结构临界荷载系数λ均大于2，满足整体稳定性要求。

3.4抗倾覆分析

挂篮行走状态对结构抗倾覆稳定最不利，挂篮行走状态承受主要荷载及倾覆力矩见下表：

表3结构倾覆力矩

考虑1.4倍冲击系数，挂篮走行时作用在后支点上的后钩力P=1.4×1101/5=308.3kN，由2个反压轮承受，每个反压轮承受154.2kN，后钩板反作用在挂篮走道梁上，由对应位置的走道锚固筋承受。

走道竖向锚固筋为φ32（PSB830）精轧螺纹钢筋，间距50cm，单根精轧螺纹钢设计拉为：[F]=566kN。

最不利状态按单侧2根锚固筋受力计算，挂篮走行抗倾覆系数为： K=566×2/154.2=7.3大于2，满足要求。

3.5设计优化

挂篮结构设计一般存在构件强度不足、结构整体变形过大、整体抗倾覆安全储备不足三方面问题，对这三方面问题优化措施也有一定不同。

对于构件强度不足问题，一般采取增大构件截面，进而提高断面抗弯模量，或者提高材料强度等级，实现截面承载力的提高。本例中，承托系统底纵梁原为32A工字钢，在挂篮施工状态基本组合作用下，底纵梁下缘最大拉应力达到179MPa，非常接近Q235钢材抗拉强度设计值190MPa。底纵梁调整为40工字钢后，下缘拉应力降低明显，下降到156MPa。

对于结构整体变形过大问题，可以通过增大构件截面刚度减小变形，也可优化横向联系组、悬吊系统，减小主桁结构传递的位移。本例中，底纵梁优化后的结构经有限元分析发现，挂篮整体变形达到20.6mm，超过规范规定的限值20mm。对个构件变形分析发现，变形较大的构件主要是主桁纵梁、前上横梁、底板前吊杆和底纵梁，因底纵梁已优化过且梁高较大不再优化；底板前吊杆本身长度较大且受力较大，一般均为φ32精轧螺纹钢筋，也不再调整；调整主桁纵梁较为麻烦，最终选择调整前上横梁。把前上横梁由双拼40B工字钢调整为50A双拼工字钢，整体变形降低到18.5mm，效果明显。

对于挂篮整体抗倾覆安全储备不足情况，一般可增加锚固钢筋、增大后压锚固梁自重、优化主桁受力，进而提高挂篮整体抗倾覆安全性。

4  结语

随着西部交通事业的发展，大跨径连续梁和连续刚构的建设将会成为一种趋势，随之也会带来挂篮悬臂浇筑的施工安全问题，挂篮结构受力安全是保证结构悬臂施工的关键[3][4]。本文依托某连续刚构桥，采用有限元分析软件模拟结构实际受力状态，进行结构分析：

（1）在挂篮施工状态和行走状态，结构强度、抗倾覆性满足要求，结构在挂篮施工状态的整体变形及稳定满足相关规范要求。计算结果合理，分析方法恰当有效。

（2）总结挂篮结构设计遇到的常见问题：构件强度不足、结构整体变形过大、整体抗倾覆安全储备不足。给出从这三方面入手进行结构设计优化的处理思路及措施。

参考文献（References）：

[1]马克诚,吴小燕,王建军,刘福江. 连续梁桥菱形挂篮结构设计与验算[J]. 技术与市场,2022,29(07):61-66.

[2]滕振超,刘佳琳. 基于有限元的大跨径连续刚构桥挂篮稳定性研究[J]. 徐州工程学院学报(自然科学版),2022,37(02):77-81.

[3]卫东. 变截面连续梁挂篮施工技术要点分析[J]. 四川建材,2022,48(06):130-131+135.

[4]李如强. 预应力混凝土箱梁挂篮受力分析[J]. 交通世界,2022,(17):130-132.

[5]公路桥涵施工技术规范.人民交通出版社[S].JTG/T 3650-2020.

[6]钢结构设计规范.中国工业建筑出版社[S]GB50017-2017.