小干大桥主梁牵索挂篮主要结构介绍及设计建模要点

小干大桥主梁牵索挂篮主要结构介绍及设计建模要点

牟军

广东省长大公路工程有限公司广州510620

摘要：介绍小干大桥主梁牵索挂篮主要结构与设计建模要点

关键词：主梁；牵索挂篮；结构；设计

1、工程概况

该项目位于浙江省舟山市，由广东长大一公司承建。小干大桥起于舟山市勾山街道，与329国道相连，经沈家门海洋工业园区，跨越沈家门渔港，终于小干-马峙岛西北侧。其中小干大桥为预应力混凝土斜拉桥，由梁、斜拉索和塔柱三部分组成，全长2275米，引桥全长1440米，全线按一级公路技术标准设计。

主梁采用单箱三室预应力砼结构，箱梁中心高度2.75m，箱梁一般截面全宽19m，桥面行车道净宽15m，两侧各0.5m防撞护栏，护栏外侧为1.5m斜拉索锚索区和检修道区。

箱梁标准段顶板厚0.25m，底板厚0.3m，三角边箱底板厚0.25m，中腹板厚0.4m；中间箱室净宽6m，边箱净宽4.2m，两侧挑臂根部厚1m，端部厚0.795m，做为拉索在主梁上的锚固区域。

主梁悬浇节段共59个，包括主跨34个标准节段、边跨22个标准节段、2个边跨合拢段及1个中跨合拢段。标准节段长8m，混凝土方量约125m³。

2、挂篮主要结构

本挂篮主要由承重系统、提升锚固及水平止推系统、定位调整系统、走行系统和模板系统组成。

图1挂篮总体结构示意图

（1）承重系统

主要包括2片主纵箱梁、1片前横箱梁、1片带C形挂钩的后横箱梁、多排分布贝雷梁及行走、牵引和吊挂装置。

①主纵梁：采用Q235B钢板工厂组焊而成，断面为1400x1500mm，局部（C型挂钩处）由梁高1500mm加高到1800mm，其中顶、底板厚为16mm，腹板厚为12mm，隔板为10mm钢板。为适应斜拉索角度变化，主纵梁前端由1.5m变宽到1.7m并设计为圆弧状。

②后横梁：采用Q235B钢板工厂组焊而成，断面为700x1500mm，其中顶、底板厚为16mm，腹板厚为12mm，隔板为10mm钢板。为改善挂篮结构整体受力，后横梁上布置吊杆。

③前横梁：采用Q235B钢板工厂组焊而成，断面为700x1500mm，其中顶、底板厚为16mm，腹板厚为12mm，隔板为10mm钢板。

④分布贝雷梁：采用1.5m高贝雷，贝雷间通过花窗连接，主要承担混凝土浇筑荷载及加强挂篮的整体稳定性。

（2）提升锚固及水平止推系统

提升及锚固系统主要采用圆钢吊杆。提升千斤顶采用液压穿心式千斤顶，以确保安全和调位方便，提高自动化。锚固系统吊杆采用直径φ80mm圆钢（40Cr），提升下放系统吊杆采用φ60mm圆钢（40Cr）。

水平止推系统固定设置于主纵梁上尾部，利用斜拉索已浇筑主梁锚块作为水平抗推结构，方便挂篮抵抗在浇筑过程中产生的水平力。

（3）定位调整系统

挂篮纵横向定位依靠设于挂钩和主纵梁尾部的定位轮，每套挂篮设4个定位轮，挂篮平面位置可通过千斤顶调整。

（4）走行系统

挂篮行走系统主要有C型挂钩及主纵梁尾部行走反顶轮构成。挂篮前移采用液压油缸作为行走动力，走行面设置四氟滑板。

（5）模板系统

箱梁外模采用大块钢模。内模采用木模钢管支架体系。

3、挂篮设计建模要点

（1）利用MIDAS.CIVIL软件进行整体建模验算

近年来，随着工程计算软件的不断升级和换代，以往需要分解计算的复杂结构均可以利用软件进行较为准确的整体建模验算。在本次挂篮设计中，采用了MIDAS.CIVIL软件进行计算。

图2挂篮整体建模分析

挂篮主要结构模拟如下：

①主纵梁、前横梁、后横梁均利用普通梁单元进行模拟。截面尺寸由箱形截面自定义得出。

②分布贝雷梁利用MIDAS学习教程中的标准贝雷梁建模方法进行模拟，由型钢组成，贝雷主体为梁单元、花窗为桁架单元。

③斜拉索利用系统中的只受拉索单元进行模拟，塔端边界条件为固定端；梁端边界条件为与挂篮弧形首刚结。

④吊杆及前移系统均采用直接在相关节点上添加边界条件来实现模拟，例如，吊杆在相关节点处模拟为+Z方向的约束。

（2）工况分析及计算

在基本模型建立完成后，需要对挂篮使用的各个工况进行分析，确定各工况的外加荷载和边界条件，开始详细验算。挂篮主要施工工况包括以下三个：

移机工况：挂篮拉索体系转换后安装新浇梁段下放吊杆，前、后吊杆组同时下放挂篮，安装就位行走反顶轮，释放吊杆组，通过牵引C型挂钩底部的重物移运器使挂篮前移，挂篮就位后安装吊杆组，将挂篮提升到位。

空篮张拉拉索工况：移机到位后，安装止推装置抵抗斜拉索水平分力；主纵梁前端安装拉索接长杆，挂索并张拉斜拉索至施工初拉索力。

浇筑工况：绑扎钢筋，安装模板、支架，由中间向两端同步对称浇筑砼，浇筑完成后调整挂篮标高，使其符合监控值。养护砼箱梁达到设计强度的90%后张拉钢绞线，并完成体系转换，将施加于挂篮上的索力转换到混凝土箱梁上，按照施工监控要求张拉到设计索力。

建模计算时针对上述工况进行逐一分析，模拟合适的外加荷载和边界条件，并得出结果。下表为移机工况计算结果示意。结果表明，在移机状态下，挂篮整体结构满足要求。

（3）利用MIDAS.FEA软件进行弧形首验算

由于弧形首直接承受斜拉索的索力，因此，有必要对其进行单独验算。

图3弧形首实体建模分析

挂篮局部应力分析采用Midas.FEAv3.0.0进行计算。检验对象包括主纵梁前端弧形首及前横梁与主纵梁相接处。

根据各斜拉索的设计初拉力，最不利工况出现在MB17梁段的施工过程中，故数值模拟主要针对该梁段进行。

本次分析所截取区段的荷载情况，根据Midas.Civil挂篮整体分析结果中的各杆件内力得到。

4、挂篮结构设计主要创新点

（1）利用标准贝雷梁作为分布梁，节约钢材。

在以往牵索挂篮的设计中，大多数采用型钢材料作为分布梁，其虽然具有重量较轻，截面特性好的特点，但增加了投入。由于本项目牵索挂篮横桥向宽度较窄，仅为19.6m，因此，大胆采用了标准贝雷梁作为分布梁，包括横向和纵向。在挂篮主纵梁及横梁上设计了贝雷专用连接板以安装贝雷。这增加了一定重量，但仍然满足设计对挂篮总重的要求，且大幅降低了型钢材料的加工安装费用。

（2）对已获国家专利的止推装置进行改装，以适应梁型。

我公司近年来已进行过多个斜拉桥预应力砼主梁牵索挂篮悬浇施工，积累了大量施工经验，并获得数项专利。在此基础上，对止推装置进行了改装，将锚盒改装成顶杆+拉杆的结构形式，有效适应了主梁空间锚块的变化。

（3）对挂篮的前移系统进行标准化设计，重复利用

在总结施工经验的基础上，对挂篮的前移系统进行了标准化设计，该设计主要内容为：

前移系统主要由轨道、重物移运器、反力盒、反力轮系统组成。

挂篮具有自行步履移机功能。步履移机作业是在轨道和挂篮C型挂钩之间，借助0.45m行程油缸顶推完成。油缸固定端销接在滑道滑块上，活塞杆端的横销嵌入移运器耳板内。轨道在梁面设置有螺栓固定孔位，可确保挂篮在指定的位置移机就位。

5、结语

在全体人员的共同努力下，小干项目主梁牵索挂篮悬浇施工于2014年11月份顺利完成。四套挂篮在整个施工过程中均保持了良好的使用状态，证明了上述设计是可靠的、安全的，同时为以后同类型挂篮施工也提供了宝贵的经验。