吉林兰旗松花江大桥单索面牵索挂篮设计07.1.15

吉林兰旗松花江特大桥主桥为主跨240m、边跨102.5m的双塔单索面预应力砼斜拉桥见图1。

主梁采用单箱三室断面，箱梁顶宽27.3m，梁底宽18.3m，主梁中心高为3.05m。

见图2。

主梁分0#块、边跨A1～A13#标准段、主跨B1～B17＃标准段、B18#非标准段、起点岸终点岸现浇段A14#块及边跨、中跨合拢段。

0#块长为30m，标准节段长度6m，非标准节段长2m，标准节段重约370t。

斜拉索布臵在中央分隔带上，锚固在梁体中箱内的锚梁上，斜拉索采用双排布臵，梁上索距为6m，两排索横向间距为1.1m。

标准节段主梁设纵、横双向预应力。

主梁标准段采用牵索挂兰悬臂施工。

2、挂篮结构
该牵索挂篮由牵索及锚碇系统、承重平台及模板系统、走形系统、升降及锚固系统、止推系统组成。

牵索及锚碇系统由梁底中心线处的牵索纵梁、弧形梁、牵引杆及锚固张拉设施组成。

承重平台及模板系统由设臵在主梁边腹板顶面上的顶纵梁、前后下横梁、底模纵梁、牵索纵梁走形吊挂框、水平千斤顶组成。

升降及锚固系统由牵索纵梁中锚固、后锚固、后下横梁锚固、前吊挂系统组成。

止推系统由抗剪柱、止推装臵等组成。

详见图3。

挂篮每组顶纵梁由四片加强贝雷梁组成，长18m。

牵索纵梁长16.3m，弧形梁长4.5m。

牵索纵梁上下弦采用焊接钢箱梁，上下弦间桁高2.8m。

前后下横梁为中间双层，边上单层的桁架，桁架高2.8m，采用槽钢及角钢通过螺栓连接。

前后横梁穿过牵索纵梁上下弦杆并与上下弦杆焊接。

前后下横梁上的底模纵梁采用小槽钢及角钢焊接的小桁架，桁架高0.8m。

止推装臵焊接在牵索纵梁上弦杆顶面，抗剪柱为焊接钢箱梁，从梁顶穿过梁底至牵索纵梁上弦。

抗剪柱与止推装臵间现场操垫钢板。

3、牵索挂篮设计总体思路
由于本桥为单索面，梁体横向宽度较宽，若前支点仅靠牵索支撑，施工过程中由于荷载加载不可能完全对称，牵索挂兰容易扭转变形；另外单索面前支点挂篮前端平衡性差、两侧翼缘标高控制较难、前下横梁需要的刚度大等缺点。

为此，在主梁顶面两边腹板各设臵一道顶纵梁。

顶纵梁在施工过程中解决单索面牵索挂篮立模时两翼缘标高调整困难、施工时上下游加载不对称造成挂篮扭转倾斜等难题。

在施工过程中挂篮顶纵梁起平衡作用并通过控制顶纵梁前端吊点初张拉力来控制其施工过程中与斜拉索一起共同承担砼梁体前端荷载。

梁体预应力张拉后，挂篮顶纵梁先走行到位固
图2：主梁标准断面图
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定后作为挂篮底模平台前吊点走行的承重梁，吊挂底模平台前端。

弧形梁上斜拉索体系转换完成后，将挂篮底模平台下降，前端吊挂在顶纵梁上的走形筐上，后端牵索纵梁落在后走行框上，利用顶纵梁前吊点和牵索纵梁后吊挂框三点吊挂底模平台向前走形滑移挂篮。

混凝土施工时其传力线路为：梁体荷载→底模→底模纵梁→前下横梁和后下横梁→牵索主纵梁→斜拉索和顶纵梁→主塔和已浇注梁段；牵索水平力经主纵梁传递至已浇注梁体。

4、挂篮设计计算目的及假定
4.1计算目的
4.1.1通过计算确定挂篮牵索纵梁、前后下横梁、顶纵梁等受力大小，然后选定各杆件尺寸；再验算杆件的安全度和变形值。

4.1.2通过计算确定各工况下各锚固点、吊挂点反力，选定各吊挂及锚固设施。

通过吊挂力验算顶纵梁在混凝土浇筑及走形过程中的安全度。

4.1.3通过模拟计算施工过程中前下横梁变形值，为施工提供前下横梁横向预抬值；通过模拟施工过程中总体前端变形值，为底模平台前端预抬量提供参考值。

4.1.4计算挂篮各工况下安全度及稳定系数。

4.2、计算假定
4.2.1主梁梁体砼、内模及支架、底模等荷载，按竖直向下投影传递至底模纵梁。

4.2.2每节段斜拉索长度按实际锚固点间长度计算，弹性模量根据各工况下的受力按Enst公式换算为线弹性模量，然后模拟为桁架或索元。

4.2.3换算后的斜拉索与牵索挂篮牵索纵梁、顶纵梁、前后下横梁、各锚固吊挂点共同组合体满足线弹性理论,进行整体计算。

5、挂篮静力计算分析
5.1、挂篮自重
挂篮总重159t（含模板）。

各部件重量见表1。

5.2、标准节段主梁自重
主梁标准节段钢筋250KN，混凝土143m3，总重约3700KN。

5.3、计算荷载
计算荷载有：挂篮自重（含模板）、钢筋、混凝土、施工荷载。

图3：挂篮总布置图
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表1：挂篮自重表
5.4、计算工况 工况1：挂兰走行到位并锚固完成后，绑扎钢筋安装内模。

挂兰走行到位时荷载有：顶纵梁及走道、前下横梁、后下横梁、牵索挂兰主纵梁、底模平台纵梁、底模及侧模、钢筋荷载和内模及支架荷载。

工况2：斜拉索初张拉，同时两顶纵梁上前吊点张拉一定力。

工况3：混凝土浇筑60％。

工况4：调整斜拉索索力。

工况5：浇注剩余混凝土，养护。

5.5、模型静力分析
在整体静力模型分析中，先将底模及底模纵梁、内模、混凝土荷载分别换算到相应前后下横梁节点上，将牵索纵梁、前后下横梁、顶纵梁及吊杆组成空间模型进行整体计算。

见
在工况1挂篮走形到位锚固后，进行钢筋绑扎，由于斜拉索未安装，前支点依靠顶纵梁上的吊点支撑挂篮自重及钢筋荷载。

钢筋绑扎完成后斜拉索初张拉同时张拉顶纵梁上的前吊点，此工况主要将牵索纵梁进行反弯预抬抛高，从而将挂篮前端预抬，减小混凝土浇筑后
的变形；同时通过顶纵梁上的前吊点张拉调整前下横梁翼缘处的变形。

根据斜拉索初张拉时梁端竖向力值，将斜拉索弹性模量换算成此力下的线弹性模量，然后加载60％混凝土重量，得出工况3下挂篮变形值及各杆件应力水平、锚固力大小等。

然后再张拉调整斜拉索索力，部分消除浇筑60％混凝土时的变形值，浇筑剩余混凝土得出工况5挂篮变形值及各杆件应力水平、锚固力大小等。

经过计算比较，钢筋绑扎完成后斜拉索初张拉时，单根斜拉索梁端竖向力张拉至约850KN ，同时将两顶纵梁上的前吊点各张拉约145KN 时挂篮前下横梁基本水平。

混凝土浇筑60％后，调整斜拉索索力，将单根斜拉索梁端竖向力张拉至约1700KN ，然后浇筑完剩余混凝土。

在牵索挂篮整体计算时，将各杆件按照实际截面尺寸输入SP2000计算程序，然后程序按空间结构进行三向变形及应力计算。

计算完成后按照钢结构对各部件进行校核，程序根据GB50017-2003规范中相应公式进行验算，得出综合应力比例系数，再选择综合应力比例系数较大者进行手算验证。

对于抗剪柱及牵索纵梁上抗剪装臵采用手算，其安全系数均在2.0以上。

5.6 挂篮前下横梁计算变形与实际变形比较
现仅将浇筑第13节段挂篮计算理论变形值与实测变形值列于表2、表3中。

对应观测点位见图5。

图5：前下横梁变形代表点
A
B
注:表中牵索力为单根斜拉索竖向牵索索力。

5.7、静力分析结论
实测牵索挂篮变位值分析中，由于牵索挂篮各锚固点锚固在前一个节段上，施工中由于前一个节段主梁会在挂篮等荷载作用下发生下挠和转动，从而引起挂篮相应变形，故分析时扣除了考虑此部分对变形的影响值。

从计算表明，本牵索挂篮横向变位边腹板A点和牵索纵梁B点变形差10mm左右，可以通过施工中预抬两翼缘板标高来克服其横向变位不一致。

牵索挂篮整体竖向变位绝对值边腹板在17～20mm之间，中腹板处在1～10mm之间。

从总体来看，该挂篮具有较好的刚度。

从计算与实测值来看，理论计算与实测值能较好地吻合。

6、本牵索挂篮技术特点
6.1、挂篮采用三点走形
该牵索挂篮设计中充分合理地利用顶纵梁结构，在施工和走形中充分发挥作用，走形时采用三点走形，结构新颖、合理。

6.2、采用空间模型将挂篮各部件、各吊点及斜拉索融为整体进行三维空间计算，通过对施工过程中逐步加载和分阶段张拉斜拉索，准确模拟施工，准确把握各结构受力和变形，优化了各杆件，保证了结构安全；同时也为施工控制提供了准确参数。

从而较为方便地可以确定斜拉索各工况下需要张拉的索力和挂篮各点的预抬值。

6.3、经过计算优化，立模张拉斜拉索后，确定了浇筑60％混凝土后调索一次完成每个节段混凝土施工。

本桥采用施工中调索次数最少，缩短了混凝土浇筑时间，有效地克服了浇筑过程中主梁接缝处的施工裂缝。

7、结束语
根据挂篮整体空间计算结果，施工将横向两边腹板处预抬14mm，纵向斜拉索初张拉后预抬5～10mm之间后均能保证主梁施工线型与监控计算线型一致。

因此牵索挂篮采用空间整体计算能较好地反映实际施工情况，能更准确地为施工控制提供参数。

对于此种复杂的牵索挂篮结构采用三维整体模型进行空间计算能较好地反应实际挂篮受力和变形状况，能更准确地为施工控制提供参数，有利于施工和控制。

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