连续梁悬臂浇筑菱形挂篮设计与计算

连续梁悬臂浇筑菱形挂篮设计与计算

林镇滨

林镇滨

广东佛盈汇建工程管理有限公司广东佛山528000

摘要：随着桥梁建设的飞速发展，桥梁的施工技术得到显著提高。在大跨度桥梁及其他方法难以实施的环境中经常采用悬臂浇筑施工的方法，从而使悬臂浇筑施工过程中临时结构的设计更为重要。悬臂浇筑法施工是连续梁桥施工最常用的施工方法之一，而挂篮系统是悬臂法施工所用的重要施工机具。同样，伴随着计算机技术的不断革新，桥梁结构及桥梁施工结构的电算也得到了充分的拓展。以往，由于桥梁施工结构的复杂性，受力的不明确性以及超静定结构次数过多带来的计算复杂性，致使桥梁临时结构的设计趋向结构简单化、受力明确化、计算简单化，挂篮结构的设计也不例外。

关键词：连续梁；悬臂浇筑施工；菱形挂篮；Midas；计算

一、工程概况

魁奇路西延线工程跨佛开高速主桥为左右两幅桥断面布置，左幅桥宽21m，右幅桥宽为28m，两幅桥支点处梁高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。21m宽箱梁为单箱三室截面，箱底宽15米，箱顶宽21米，28m宽箱梁为单箱四室截面，箱底宽22米，箱顶宽28米。

菱形挂篮的承重系统由两片主桁架组成。主桁架竖放于箱梁腹板位置，主桁的片数由主梁截面特性决定，一般为两片。主桁各杆件一般采用对扣双槽钢的截面，各杆间的连接一般为栓接或销接。两片主桁之间通过槽钢或者角钢组成的横联连接。主桁架承受施工设备和新浇筑节段混凝土的全部重量，并且通过支点和锚固装置将荷载传到已施工完成的梁身上。在主桁前端节点处放置一根横梁，横梁截面一般采用双工字钢截面，若悬吊系统采用吊带，两工字钢间距由吊带宽度确定。在横梁上设置吊点，用于悬吊底模横梁、侧模吊梁及内模吊梁。

二、计算说明

从总体看，菱形挂篮荷载约一半通过前吊带（或吊杆）传至主桁架节点，菱形桁架各杆以内部结构刚接，外部铰接来计算杆力，其前下节点支于箱梁顶板前侧，后下节点则通过竖向预应力筋锚于梁上。

1、菱形挂篮具体传力方式如下：

（1）底板荷载：底板荷载由底模加劲肋传给底模桁架（或底模纵梁），通过底模桁架（或底模纵梁）由于直接与前后底横梁连接，荷载会传到前后底横梁。前底横梁通过其吊带（或吊杆）将荷载传到前上横梁，再由前上横梁传给主桁。后底横梁通过其吊带（或吊杆）将荷载传给已浇梁段的底板。

（2）腹板竖向荷载：腹板竖向荷载由其模板加劲肋传给底模桁架（或底模纵梁），通过底模桁架（或底模纵梁）传给前后底横梁。前底横梁通过其吊带（或吊杆）可以将荷载传到前上横梁，再由前上横梁传到主桁。后底横梁通过其吊带（或吊杆）将荷载传给已浇梁段的底板。

（3）腹板水平荷载：腹板水平荷载主要是由于腹板在浇筑过程中混凝土处于流动状态，流动状态的混凝土会对竖向模板产生水平向的压力，通过水平方向设置对拉筋且将对拉筋锚固于内外模板上来平衡水平向荷载。

（4）翼板荷载：翼板荷载由侧模加劲肋传给侧模桁架，通过侧模桁架将其传给侧模导梁，再由侧模导梁通过前后吊杆将荷载分别传到前上横梁和已浇梁段翼板，传到前上横梁的荷载最终传给主桁。

（5）顶板荷载：顶板荷载由内模加劲肋传给内模框架，内模框架由内模纵向连接梁支撑，将所受荷载传给内模导梁，内模导梁再通过前后吊杆将荷载分别传到前上横梁和已浇梁段顶板，传到前上横梁的荷载最终传给主桁。

2、计算目的

本产品是由钢结构件组装而成的挂篮设备，为保证其工作的可靠性和安全性，特对设备整体及一些关键零部件进行强度、刚度和稳定性验算。

3、计算过程中计算原则

设备有些工作状态的受力较复杂，本计算书中的部分工作状态计算模型进行了简化，其简化原则是：计算工作状态比实际工作状态更趋保守。

三、材料参数

四、挂篮荷载计算

2、计算工况：

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，分别考虑了以下三个工况：

工况一：挂篮行走工况，验算挂蓝在自重行走状态中的效应；

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；

工况三：浇筑8#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+施工活荷”的共同效应；

3、挂篮空间结构图：

五、工况一：挂篮行走状态

挂蓝行走工况下Q235材料应力图（单位：Mpa）

最大应力为96.7Mpa，发生于外划梁跨中处，小于允许值145Mpa，满足要求。

挂蓝行走工况下Q345材料应力图（单位：Mpa）

最大应力为20.2Mpa，发生于底篮后行走吊带处，小于允许值210Mpa，满足要求。

挂篮行走工况下反力图（单位：kN）

求得挂蓝在行走中后锚点单个小车要承受157.1kN的拉力。

六、工况二：浇筑1#梁段混凝土

挂蓝工况二应力图（单位：Mpa）

最大应力为128.5Mpa，发生在底篮腹板位置纵梁跨中位置，小于允许值145Mpa，满足要求。

挂蓝工况二吊带应力图（单位：Mpa）

最大应力为58.3Mpa，发生在前中底篮吊带，小于允许值200Mpa，满足要求。

挂篮工况二竖向位移图（单位：mm）

挂篮总体最大变形点位于前下横梁处，最大位移为16.8mm（方向向下），小于规范允许值，满足要求。

挂篮工况二反力图（单位：KN），则挂蓝工况二后锚点反力为586.6kN。

七、工况三：浇筑8#梁段混凝土

挂篮工况三应力图

最大应力为118.7Mpa，发生在中主桁架处，小于允许值145Mpa，满足要求。

挂蓝工况三吊带应力图（单位：Mpa）

最大应力为65.6Mpa，发生在梯形主桁架上横拉带，小于允许值200Mpa，满足要求。

挂篮工况三竖向位移图（单位：mm）

挂篮总体最大变形点位于前下横梁处，最大位移为18.5mm（方向向下），小于规范允许值，满足要求。

挂篮工况三反力图（单位：KN）

则挂蓝工况三后锚点反力为722.6kN。（见后锚固计算）

综合上述：工况三8号块为挂篮最不利荷载组合工况，则在此工况下对各构件进行验算。

工况三挂篮前上承重横梁应力图

最大应力为117.9Mpa，小于145Mpa，满足要求。

工况三挂篮前下横梁应力图

最大应力为37.7Mpa，小于允许值145Mpa，满足要求。

工况三挂篮主桁架应力图

最大应力为118.8Mpa，小于允许值145Mpa，满足要求。

八、计算结论

本次挂篮结构的设计方法为承载力容许应力法。挂篮结构设计过程以“根据桥梁施工图结构尺寸—荷载计算—软件建模分析计算—根据计算结果修改结构形式及尺寸—再次检算”的过程最终得到最理想的设计方案。这就使得所设计的挂篮结构既具有可靠的强度、刚度及稳定性，又具有良好的经济适用性。在上述挂篮结构设计过程中，都用Midas软件进行了整体建模分析计算这一新的手段，克服了手算时简化计算模型而带来的种种误差，使得所设计的结构无论是内力，还是变形方面都更加符合实际，且建模计算的方便性与直观性更是手算所无法比拟的。计算结论为：

1、挂篮结构应力水平较低，具有较高的强度储备；

2、挂篮结构变形较小，具有较高的刚度储备；

3、挂篮结构在行走、浇筑混凝土状态稳定系数较高，稳定性较好。

结语：菱形挂篮可以认为是从平行桁架式挂篮的基础上简化而来的，其上部结构为菱形，前部伸出两伸臂小梁，作为挂篮底模平台和侧模前移的滑道，其菱形结构后端锚固于箱梁顶板上，无平衡压重，且结构简单，操作方便、受力明确，故自重轻，近年来在桥梁施工中广泛采用。通过对菱形挂篮的设计和计算，计算结果挂篮结构安全可靠。有效解决复杂环境下大跨度连续梁悬臂浇筑施工的难题。基于有限元分析的挂篮设计与计算为大跨度连续梁悬浇施工提供了理论基础和参考依据。

参考文献：

[1]《佛山市魁奇路西延线两阶段施工图设计》；

[2]《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50-2011）——人民交通出版社；

[3]《路桥施工计算手册》；

[4]《建筑结构静力计算手册》——中国建筑工业出版社；

[5]《机械设计手册》——94年版、化学工业出版社

[6《材料力学》——84年版、高等教育出版社