菱形挂篮设计与计算

菱形挂篮设计与计算

摘要：当前国内外的挂篮正向轻型化发展，菱形挂篮由于其主要受力构件均为二力杆，能够充分地利用材料的特性，具有结构轻巧，受力明确的特点，已广泛应用于中等跨径的悬浇施工。本文对应用于某桥的菱形挂篮的优化设计和计算作了介绍。

关键词：菱形挂篮设计计算

1 引言

挂篮按构造形式可分为桁架式（包括平弦无平衡重式、菱形、弓弦式等）、斜拉式（包括三角斜拉式和预应力斜拉式）、型钢及混合式四种。当前国内外的挂篮正向轻型化发展，挂篮的轻型化有助于节约钢材、便于运输和施工、同时挂篮的轻型化也有利于优化设计，减小跟部弯矩，进而节约纵向预应力的配束。挂篮设计的主要控制指标为：挂篮的总用钢量与最大块件重量之比值K

1

，主桁

架用钢量与最大块件重量之比值K

2。K

1

值愈低，表示整个挂篮的设计愈合理，K

2

值愈低，表示挂篮承重构件的受力愈合理，使用材料愈节省。减轻挂篮自重所采用的手段有：优化结构形式、不设平衡重并改善滑移系统、改进力的传递系统。下面就结合某桥的实际情况，介绍选用的菱形主桁、滑移行走机构、整体模板、标高调整系统的挂篮设计实例。

2.设计概况及总体构思

2.1箱梁结构物参数

（1）悬臂浇筑砼箱梁分段长度为4.0m，悬臂浇筑砼结构最大重量1540 KN

（2）箱梁底板宽8m，顶板宽16.25m。

（3）箱梁高度变化范围：左幅4.8m~2.4m，中间按半立方抛物线变化。

（4）挂篮的最大承载力不小于1850 KN, 挂篮自重及全部的施工荷载不大于600 KN

2.2挂篮的轻型化优化设计总体构思

（1）选用一种受力合理、安全可靠的轻型结构（菱形）作为挂篮承重主桁；

（2）挂篮用材利用国内普通的16Mn和A3钢.

（3）挂篮前移时尾部利用箱梁竖向预应力平衡倾覆力矩以取消平衡重，使用反扣式走行小车。

（4）吊升系统采用精轧螺纹粗钢筋，粗钢筋现场取材方便，可利用现场的竖向预应力筋。同时这种精轧螺纹钢可以通过大螺母进行精确的调整。使得锚固、装拆方便、调整简单。

（5）模板采用整体大模板，通过内外纵梁与挂篮主桁同时移动就位。

（6）采用桁架式横向连接。

（7）主桁采用销接的方式，以利于拆装。

2.3挂篮的结构形式

挂篮的结构形式如图1、图2所示:

2.4 菱形挂篮的组成

挂篮主要由三个系统组成：主桁承重系统、底篮和模板系统、走行系统。（1）主桁承重系统：主桁与前后横梁、行走装置、锚固装置、悬吊分配梁等。（2）底篮和模板系统：底篮、外模、内模、端模和工作平台等。

（3）走行系统：行走滑轨、滑梁小车、后锚。

3.施工荷载分析：

3.1荷载传递路径：

内顶板荷载内滑梁前横梁

翼板荷载内外纵梁后横梁主桁架

腹板荷载加强型纵梁前托梁

底板荷载普通纵梁后托梁底篮后锚

挂篮的设计顺序也是根据荷载的传递路径，一级一级的确定各级结构。先根据各自的荷载情况对内滑梁、纵梁、前、后托梁、前横梁等杆件进行设计，再设计主桁架并校核其刚度、前端的下挠度和销接的强度。随后再对锚固系统和走行系统进行设计。

3.2挂篮结构材料

挂篮主桁架和前后横梁采用16Mn钢，销子采用45号钢，纵梁、托梁、分配梁等采用组合型钢（A3）。

3.3各类荷载及参数的选定

（1）悬臂浇筑砼结构最大重量1540 Kn

（2）人群及机具荷载取2.5 KPa。

（3）风荷载取800 Pa。

（4）钢筋砼比重取值为26KN/m3；

（5）超载系数取1.05；

（6）新浇砼动力系数取1.2；

（7）挂篮行走时的冲击系数取1.1；

（8）钢材的应力：

①16Mn钢容许轴向应力取 240MPa。

②A3钢容许弯曲应力取 188.5MPa。

（9）计算复核的荷载组合：

①砼重+挂篮自重+人群机具+动力附加系数(强度、刚度)

②挂篮自重+冲击附加系数+风荷载 (行走稳定)

3 承重结构设计和计算

承重结构设计内容有：内滑梁、底板纵梁和前、后托梁、顶板及翼板纵梁、滑梁、分配梁及吊带、后托梁锚杆与锚梁、主桁架横梁、主桁架。现举例说明底板纵梁的设计计算以及主桁横梁及主桁的计算，其他的结构类似的计算方法也相同。

3.1底板纵梁计算

底板纵梁位于腹板和底板下主要承受底板和腹板的重量,纵梁根据它承受荷载的种类可分为普通型和加强型。普通型位于箱梁两腹板中间段，承受底板的荷载；加强型纵梁位于箱梁腹板下方除承受底板的荷载外，还承受腹板的荷载。

3.1.1 普通纵梁设计和计算

3.1.1.1 普通纵梁（箱梁两腹板中间段）受力分析

表1 普通纵梁荷载分析表

普通纵梁主要承受底板的重量并传递与前后托梁（图3示）

R

A =qcb/L R

B

=qca/L

M

max

=qcb[d+cb/(2L)]/L

=4.84×107N.mm

普通纵梁选用I

28a

工字钢,其截面特性为:

W

x

=5.08×105mm3

I

x

=7.114×107mm4

σ= M max/ W x= 95.3MPa<188.5MPa

3.1.1.3 普通纵梁刚度计算

当x=d+cb／L=2798.8时(弯矩最大处)，挠度最大。

f

max

=qcb[(4L-4b2/L-c2/L)x-4x3/L+(x-d)4/(bc)]/(24EI) =10.3mm＜L／

400=13.75mm

刚度满足要求。

3.2 主桁架横梁计算

3.2.1前横梁

前横梁承受由钢吊带传来的荷载，前横梁受力示意图如图4所示

F

1

=33939N（分配梁2通过钢吊带I传来的力）

F

2

=75977N（分配梁2通过吊带I传与前横梁）

F

3

=264721N（直接传与主桁架，可不考虑其作用于前横梁）

F

4

=223835N（分配梁1通过吊带II传与前横梁）

下面分别对各杆件的轴力进行计算：

由上面分析可列出前横梁各杆件的轴力如图5所示：

前横梁材料采用16Mn钢,容许轴向应力240MPa

由图15可得杆件最大轴力为N

max

=339.6kN

前横梁杆件有两种断面：口120×120×8mm

口120×120×6mm

取最不利情况来验算(杆件断面形状为口120×120×6mm时):

σ=N max／A=3.396×105／2736=124MPa<240MPa

满足要求。

3.2.2后横梁

后横梁在砼浇筑时，承载极小。在挂篮前移时，其承受部分底模重与部分侧模重，所受的荷载也较小，所以后横梁杆件均选用口120×120×6mm截面，后横梁强度已足够满足要求，无需再对其进行校核。

3.3 主桁架计算

3.3.1荷载分析