牵索式挂篮结构设计

牵索式挂篮结构设计
一、工程概况
某大桥是位于国道主干线丹拉（丹东-拉萨）支线高速公路上、横跨某的一座双塔双索面预应力混凝土特大型斜拉桥，主桥全长668米，跨径布置为：152m+364m+152m。

主梁为预应力混凝土双肋板式结构，通过桥面板及横隔梁连接形成整体，梁高2米，翼板厚32厘米，横隔板厚35cm，横隔梁标准间距6.8米，厚35厘米。

标准断面如下图所示：
二、主要荷载分析：
1、主梁节段重量：
主梁施工节段形式为：①0#块，长20m；1#、1＇#块长6.8m，采用支架现浇；②主跨2#~24#块、边跨2＇#~19＇#块为标准节段，长6.8m，采用牵索式挂篮悬臂浇筑；③主跨25#块，长7.8m，为加长悬臂浇筑段；④边跨20＇#~25＇#块，共计10.6m长，为支架现浇段。

6.8m标准节段砼体积为135m3，重338t；
7.8m加长段砼体积为150m3，
重375t。

2、施工荷载重量
主要包括模板系统重量、施工机械设备重量、操作人员重量等。

3、挂篮自重
根据挂篮结构所采用的材料、结构形式计算出挂篮的自重。

同时考虑到满足挂篮所吊挂的持力主梁的受力要求，挂篮结构重量拟控制在施工节段重量的0.42倍以内。

4、风荷载
在大风天气进行施工时，必须保持挂篮结构和位置的稳定性，考虑最大风力情况下挂篮的固结措施，从结构设计上满足挂篮抵抗风荷载的要求。

挂篮结构设计必须满足支持标准节段和加长节段施工的受力要求和技术要求，同时考虑到挂篮空载行走、浇筑前挂索张拉等特殊工况的受力特点，拟定出科学、安全、经济、便利施工的方案。

三、挂篮主体结构设计：
1、主体构造：
A、承重系统：包括前、中、后横梁及牵索纵梁。

B、模板系统：由底模、外侧模、内侧模及横隔板模板组成，本方案
采用顶模垂直下落、侧模翻转折叠式模板系统。

C、牵索系统：由弧形梁、牵引杆、垫块及千斤顶组成。

D、锚固系统：包括后锚杆、吊带、水平止推支座等。

E、升降系统：中横梁吊带，后横梁顶推装置，挂钩辅助升降千斤顶。

F、行走系统：由C形挂钩、行走滚轮、走道梁、牵拉精轧螺纹钢筋
及穿心式千斤顶组成。

2、主要材料：
主要承重部位材料均采用16Mn钢，由于挂篮属于临时施工设备，此钢材容许应力可达到：[σ]=230 Mpa [τ]=130 Mpa 销轴采用40Cr合金结构钢，轴承采用粉沫冶金轴承，以保证关键部位在组合应力作用状态下的结构可靠性。

容许应力可达到：[σ]=530 Mpa [τ]=306 Mpa
3、关键部位：
（1）弧形梁为受力复杂区域，本方案严格按照牵索的空间方位确定弧形梁的空间造型，加工时应严格保证弧形梁空间尺寸的精确性。

并采用有效的构造措施保证弧形梁与牵索纵梁合理传力。

（2）前横梁采用箱形变截面结构形式，主箱体上立钢桁架结合钢板。

加工时要使两箱体有效结合传力，实现前横梁的设计构思。

（3）预应力拉杆为控制前横梁挠度变形的调节设施，加工时必须保证传力钢臂与前横梁端头的有效结合。

（4）行走挂钩兼做为施工承重吊挂系统，施工中既要承受静载，又需承受动载作用。

加工时必须从构造上保证挂钩的稳定性。

挂钩与牵索纵梁、中横梁之间应作为空间刚性节点处理。

（5）中横梁、后横梁与牵索纵梁的结合部位要设置截面过渡肋板，保证梁体间的有效结合。

四、挂篮结构部位分析：
1、前横梁
(1)结构形式：
截面数据表
上立加强钢板截面形式，
并以型钢桁架作为加强
形成整体。

箱内设置六道
纵向加强肋板。

上立钢板
同时作为横隔板前外侧
模板，外侧用8#角钢截
面桁架兼作为加强肋板。

为控制跨中挠度，在横梁下方设置4道精轧螺纹钢筋，施加预应力产生反向挠度值以抵消竖向变形（此措施作为备用方案）。

计算不考虑上立钢桁架的影响，变形数值应以加载试验观测值为准。

(2)荷载分析：
A：悬浇标准节段，前横梁荷载如下：
①主梁横隔板前腹板重量：309KN
② 主梁横隔板后腹板分配重量：648.4KN ③ 主梁横隔板重量：594KN ④ 前横梁自重：183.3KN ⑤ 施工荷载重量：200KN 按均布荷载考虑，可得：
q=[309+648.4+594+183.3+200]／29.9=64.7kN/m
强度、变形计算：
M max =7230.3N.m Q max =967.3 kN
σmax =I M y=8628123103.72303
⨯×231=193.58Mpa<[σ]=230 Mpa
τmax =Id QS =2
3
108.0862812310357353.967⨯⨯⨯⨯=50.08 Mpa<[τ]=130 Mpa
f=EI
ql 38454
=37.88mm B ：悬浇25#块为控制节段，前横梁荷载由以下四项叠加而成: ①主梁横隔板前腹板重量：700.5KN ②主梁横隔板后腹板分配重量：648.4KN ③主梁横隔板重量：594KN ④前横梁自重：183.3 KN ⑤施工荷载重量：200KN
按均布荷载考虑，可得：
q=[700.5+648.4+594+183.3+200] ／29.9=77.8kN/m 计算图示如下：
强度、变形计算：
M max =8694.25kN.m Q max =1163.117kN
σmax =I M y=8628123
103.72303
×231=232.77Mpa>[σ]=230 Mpa
f=EI
ql 38454
=45.55mm 由以上计算可知，在加长段施工时，必须对前横梁进行加强，本方案采用横梁下拉预应力的方法来控制前横梁的应力和变形。

必须计算出预应力施加值的范围，以变形控制计算预应力P 的施加值，设预应力所产生的反向挠度值为f ＇=f =45.55mm ，计算图示如下：
求得：P ×1.689m=3516.86kN.m 即：P=2082kN
由此拟定设置5道Φ32精轧螺纹钢筋，可满足悬浇25#节段应力
和变形控制的需要。

预应力值应随节段的不同、施工程序的进展而进行调节。

预应力平衡后强度校核：
σmax =I M y=8628123101.59093
⨯×231=158.2Mpa<[σ]=230 Mpa
τmax =Id QS =2
3
102.18628123103573547.1354⨯⨯⨯⨯=46.75 Mpa<[τ]=130 Mpa
2、中横梁及吊带 (1)结构形式：
截面数据表
(2)结构计算：
①悬浇25#块时的结构计算
荷载分布：
a、主梁横隔板后腹板分配重量：558.7KN
b、普通纵梁的分配重量：62KN
c、牵索纵梁传递的施工荷载重量：323.68kN/端
d、中横梁自重：122.33KN
计算图示如下：
求得：M1=420.78kN.m Q1=323.68kN
M2=331.74kN.m M3=351.7kN.m
R 1=440 kN R 2=293.1 kN
验算强度：
σmax =
I
M max
y=18.7Mpa<[σ]=230 Mpa τ
max
=
Id
S
Q max =11.33 Mpa<[τ]=130 Mpa 验算挠度：
f 梁端=0.04cm f 3=0.15cm
②挂篮提升、下降时的结构计算:
挂篮提升、下降时，主要以边吊带为持力结构，中吊带作为稳定保险系统。

荷载分布：
a 、牵索纵梁传递的挂篮重量（包括模板、支撑）：690.12KN /端
b 、中横梁自重：122.33KN
c 、普通纵梁及模板、支撑分配重量：162 KN 计算图示如下：
求得：M max =897.15kN.m Q max =690.12kN R=832.1 kN
强度、变形验算：
σmax =
I
M max
y=39.87Mpa<[σ]=230 Mpa τ
max
=
Id
S
Q max =24.15Mpa<[τ]=130 Mpa f 梁端=0.14cm f 中=0.23cm ③吊带结构计算：
计算面积： A=79.2cm 2
T max =832.1kN
σmax
=
A
T max
=105.1 Mpa<[σ]=230 Mpa
3、后横梁及后锚杆 (1)结构形式：
截面数据表
(2)结构计算
①悬浇25#块时的结构计算
荷载分布：
a、牵索纵梁传递的重量：228.13/端
b、后横梁自重：133.22KN
计算图示如下
求得：M max=628.5kN.m
Q max=253.7kN
R1=310.5kN
强度、变形验算：
σmax =I M max y=2409603105.6283
⨯×90=23.5Mpa<[σ]=230 Mpa
τmax =Id S Q max =2
3
10
4.2240960310166657.253⨯⨯⨯⨯=7.31Mpa<[τ]=130 Mpa 变形无需验算。

②挂篮提升、下降时的结构计算: 荷载分布：
a 、牵索纵梁传递的重量：181.8kN /端
b 、后横梁自重：133.22KN 计算图示如下：
求得：M max =514.1kN.m
Q max =68.77kN R 1=115.1kN
强度、变形无需验算。

③后锚杆验算：T max =310.5kN
每侧可使用2根精轧螺纹钢筋作为锚杆。

4、牵索纵梁 (1)结构形式：
截面数据表
(2)结构计算：
①悬浇25#块时的结构计
算 荷载分布：
a 、主梁边肋施工荷载重量：811.2KN /侧
b 、前横梁传递的施工荷载重量：1390.5KN /侧
c 、C25索的索力：控制T=4
3
T 终
T=3605.5kN (T v =1802.75kN ；T H =3122.46 kN)
d 、行走挂钩的重量：50.75kN /侧
e 、牵索纵梁自重：115KN /侧 计算图示如下：
求得：M max =2678.1kN.m Q max =1510.5kN
R 1=323.68kN R 2=241.73kN 强度、变形验算：
σmax =I M max y=3323392101.26783
⨯×90=72.5Mpa<[σ]=230 Mpa
τmax =Id S Q max =2
3
10
4.233233*********
5.1510⨯⨯⨯⨯=42.4 Mpa<[τ]=130 Mpa f max =1.825cm (梁前端头位置) ②挂篮提升、下降时结构计算 荷载分布：
a 、主梁边肋模板重量：34kN /侧
b 、前横梁传递的挂篮及模板、支撑重量：217.6kN /侧
c 、后横梁传递的挂篮重量：66.6 kN /侧
d 、行走挂钩的重量：50.75kN /侧
e 、牵索张拉系统：23kN /侧
f 、牵索纵梁自重：115kN /侧 计算图示如下：
求得：M max =1895.9kN.m Q max =337.9kN
R 1=690.12kN R 2=-181.8kN 强度、变形验算：
σmax =I M max y=3323392109.18953
⨯×90=51.3Mpa<[σ]=230 Mpa
τmax =Id S Q max =2
3
10
4.2332339210223869.337⨯⨯⨯⨯=9.5Mpa<[τ]=130 Mpa f max =1.19cm (梁前端头位置)
5、普通纵梁
采用工字形截面，共设置9道，间距341cm 。

（1）结构形式：
截面数据表
(2)结构计算：
①前、中横梁之间部分：
荷载分布：
a、横隔板后腹板重量：1207kN
b、普通纵梁自重：8.5kN/根
计算图示如下：
求得：
M max=800kN.m Q max=617.2kN 强度、变形验算：
σmax =I M max y=1154452108003
⨯⨯×25=33.4Mpa<[σ]=230 Mpa
τmax =Id S Q max =2
3
10
2544521013102.617⨯⨯⨯⨯=74.24Mpa<[τ]=130 Mpa f max =0.2cm ②悬臂段普通纵梁
荷载分布：
a 、横隔板前腹板重量：700.5kN
b 、普通纵梁自重：4.64kN/根 求得：
M max =1333.4kN.m Q max =952.41kN 强度、变形验算：
σmax =
I
M max
y=39.5Mpa<[σ]=230 Mpa τ
max
=
Id
S
Q max =93.5Mpa<[τ]=130 Mpa f max =0.13cm
6、行走挂钩
(1)结构形式：
截面数据表
(2)结构计算：
M max =832.1kN ×
0.95m=790.5kN.m
Q max =832.1kN 强度验算：
σ
max =I M max y=612589
105.7903
⨯×32.5=41.94Mpa<[σ]=230 Mpa
τmax =Id S Q max =2
3102.36125891086281.832⨯⨯⨯⨯=36.62Mpa<[τ]=130 Mpa
7、水平止推销强度验算：
水平止推系统采用直径250mm 的实心40Cr 合金钢销子，伸进主梁预留孔道的深度为40cm 。

销子实心段长70cm ，接长空心段长160cm ，采用（δ=20mm ）钢管，连接方式采用承插塞焊式连接。

水平推力最大为3000kN 。

示意图如下：
强度复核计算：
τmax =Id S Q max =2
3
10
25191741013023000⨯⨯⨯⨯=81.48Mpa<[τ]=490 Mpa。