悬臂施工用钢桁架三角形挂篮设计与应用

悬臂施工用钢桁架三角形挂篮设计与应用
摘要：结合悬臂施工特点，选择三角形挂篮，设计为轻型钢桁架结构形式。

建立空间有限元模型，进行挂篮各个构件的受力分析，并依据规范进行强度、稳定性和刚度验算，以及空载行走时和侧向抗风抗倾覆稳定性验算。

新设计的挂篮结构轻巧，节省材料，易于施工现场加工制作和拼装，节约了工期。

计算和荷载试验表明该钢桁架三角形挂篮满足承重200余吨时的施工要求。

关键词：悬臂施工；钢桁架；型钢；三角形挂篮；设计和应用
大跨度钢筋混凝土或预应力混凝土梁采用悬臂浇筑施工工艺时，必须选用合适的挂篮作为混凝土浇筑的承重结构。

挂篮一般采用钢结构，且方便工地现场加工，多采用型钢设计和制作加工挂篮。

常见的挂篮结构形式多为桁架式（菱形或三角形），也有采用贝雷梁或六四式军用梁改造制作的简易挂篮。

三角挂篮以其特殊的优点被广泛采用。

某大跨度预应力混凝土箱梁采用悬臂浇筑施工工艺，梁高从9m按照二次抛物线渐变为3m，各混凝土梁段重量较大，尤其1号块和2号块自重均达200t以上，采用一般挂篮不能满足施工变形和安全要求。

本文结合该预应力混凝土箱梁的特点，采用标准化生产的型钢，设计了三角形钢桁架挂篮，现场加工制作，并通过荷载试验和实际应用，满足施工要求，并节约了一定施工成本。

1 钢桁架三角形挂篮设计
挂篮由主桁架、前悬吊系统、后悬吊系统、底模平台、模板系统及后锚、行走系统组成。

主要构件选用型钢及组成方式分别是：
（1）主桁架包括上纵梁、立柱、斜杆及横向联接桁架。

其中前斜杆、上纵梁、立柱采用2[]40b槽钢；后斜杆采用2[]36b槽钢。

上纵梁、立柱及斜杆采用M27高强度螺栓联接，联接钢板3cm厚。

横向联接桁架采用14槽钢焊接。

（2）前悬吊系统包括前上横梁、前下横梁、操作平台及前吊杆。

前上横梁采用2I56b工字钢；前下横梁采用2I36b工字钢；设置6根吊杆，其中腹板两侧采用Q345钢带，钢带宽度15cm，厚度3.2cm和2cm，其余采用JL32精轧螺纹钢吊杆。

（3）后悬吊系统包括后下横梁、中上横梁及悬吊系统。

后下横梁采用2I36b 工字钢，设置7个吊带。

中上横梁采用2I36b工字钢。

吊杆系统全部采用JL32精轧螺纹钢。

（4）底模平台由底模及底纵梁组成。

底纵梁采用2][32b槽钢，腹板位置4道，底板位置3道。

挂篮构造图如下图1所示：
2.2.2 施工荷载
模板单侧自重为17.1t，共计34.2t。

其他施工荷载包括混凝土振捣、冲击荷载及人群、机械等活载，按恒载（混凝土、模板自重）0.2倍计。

2.2.3 风荷载
风荷载计算按50年一遇静风压力计算。

结合当地基本风压值所得风荷载标准值为：
Fwh=61.3253kN
风荷载仅在验算挂篮空载行走时的横向稳定性时组合，组合系数取1.1。

2.3 钢构件强度和稳定性验算
根据规范中压弯构件的强度规定值：
2.6.1 空载行走时抗倾覆稳定性
挂篮空载前进时，容易发生向前倾覆。

空载行走到最大悬臂时，由底模、侧模形成的倾覆荷载为287.8 kN，并假定作用在主桁架悬臂端，故倾覆力矩为：
287.8×5.48=1577（kN﹒m）
抗倾覆力矩由后锚固焊接勾板提供，且由焊缝抗剪承载力确定。

由焊缝强度计算，一个勾板承受的最大剪力为116.5kN。

一侧主桁架行走后锚设置8个勾板，可承受最大剪力为1864kN。

勾板中心到前支点距离3.87m，则抗倾覆力矩为：
1864×3.87=7214（kN﹒m）
抗倾覆安全系数：7214/1577=4.6>2，满足施工规范要求。

2.6.2 侧向抗风稳定性
假定挂篮承受的侧向作用在挂篮侧向的四个角点上，计算可得每个集中力大小为15.33kN。

风荷载对前支点力矩为：
15.33×2×（5.04+5.04）=171.1（kN﹒m）
侧向承受风荷载时，抗倾覆力矩仍由后锚固勾板提供，且每侧只有一个勾板受力，则两个勾板提供的最大剪力为233.0kN。

则侧向抗倾覆力矩为：
233.0×3.87=902（kN﹒m）
抗风倾覆安全系数为：902/171.1 5.32=>。

满足侧向抗风倾覆安全要求。

3 结论与建议
（1）采用型钢设计为钢桁架三角形挂篮，各杆件受力较为均匀，结构轻巧，有利于节约材料。

挂篮总重77t，小于设计文件不超过100t的限值，优于菱形挂篮结构，较为经济。

（2）采用型钢现场加工和制作挂篮，较为方便快捷。

共24只挂篮，加工周期3个月，保证了预应力混凝土主梁悬臂施工工期要求。

（3）挂篮与底模板、侧模板形成整体系统，每一个梁段施工完毕后，主桁架与模板整体向前推进，缩短了挂篮作业周期。

（4）力学分析得知挂篮各个构件的强度和稳定性满足安全要求，整体稳定性也满足安全要求。

但挂篮的变形在1#梁段浇筑时略超过规范限值。

依据要求，对挂篮进行拼装和静载试验。

试验结果标明，加载与1#梁段自重等重时，变形并未超过20mm，这是由于计算模型简化所致。

因此，在预应力混凝土箱梁1#梁段浇筑时，并未对前端上下横梁加强。

（5）实际应用中，联接主桁架的中横梁离混凝土梁顶高度1m左右，现场影响了工人作业和通行。

可借鉴菱形挂篮的设计，将中横梁抬高到1.8～2.0m，方便作业人员从下方通过。

参考文献
[1] 王祖蕾，王孝军.悬臂施工大吨位挂篮设计及力学性能分析[J].甘肃科技，2012（17）.
[2] 中华人民共和国建设部.钢结构设计规范（GB50017-2003）[S].北京：中国计划出版社，2003.。