悬灌梁菱形挂篮的设计原理与应用

悬灌梁菱形挂篮的设计原理与应用

以辽阳新运大桥70+120+120+70为实例，阐述了挂篮的设计原理、主要组成部分、安装程序、受力分析和挂篮检算。

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0 引言

悬浇施工法是在挂篮等各种移动的钢制脚手架上，由桥墩向跨中对称地支模、绑轧钢筋、穿预应力管道、浇筑梁体至设计位置，待梁体养护达到设计强度后，再穿束、施加预应力的架桥方法。由于采用挂篮的悬浇施工法具有许多优点，不影响桥下正常交通、不受地形限制、挂篮可重复使用等，因此，它广泛地应用于大跨度预应力混凝土梁桥的建设中，挂篮作为连续梁悬臂浇筑的一种常用设备，应用已经很普遍，目前国内挂篮的种类繁多，悬臂施工挂篮最初是平行桁架式，后来逐渐发展成多样化，辽阳新运大桥采用菱形挂篮。

1 工程概况

辽阳新运大桥连续梁为四孔一联（70+120+120+70）m预应力混凝土双线连续箱梁，箱体为单箱双室，直腹板、变坡度、变截面结构。箱梁顶宽18.5m，底宽13.5m，全联采用悬臂浇筑法施工，全联共设16个梁段，其中15个梁段需要采用挂篮进行悬臂浇筑。

2 菱形挂篮的设计原理

2.1 菱形挂篮各组成部分的设计：

2.1.1 主梁系：菱形构架、横向连接系和上下横梁构成了主梁系，其中主构架为整套挂篮的受力核心由三片菱形桁架构成，每片桁架有两根32c槽钢构成格构式组合截面，杆件间选取ф25的高强螺栓通过厚δ=20mm的两块节点板连接为一体，两片菱形桁架间的平面竖向联结，其作用是传递由前上横梁传接提吊系统的拉力。横向连接系由角钢焊接而成，其是为了连接两片主桁架，使其成为一体抗倾覆，前移时保持稳定及同步。挂篮横梁（前上横梁、前下横梁及后下横梁）都选用两根45B的槽钢组成的组合截面。前上横梁支撑在挂篮主桁的受力核心，两片菱形桁架上，其一是为使两片主桁架链接，二是为承受吊带传来的荷载。承受由前吊带传递来的所有荷载，前下横梁通过前长吊带吊挂在前上横梁上，承受由纵梁桁架前端传递过来的全部荷载；后下横梁通过后长、短吊带吊挂于已灌筑的箱梁梁体上，承受由纵梁桁架后端传递过来的全部荷载。

2.1.2 底模系：底模系由前后拖梁、纵向桁架以及模板组成，托梁由两根32B 槽钢、两根40c槽钢分别焊接后叠加组合而成，底模的面板为δ=8mm的A3钢板，根据模板所在位置的受力状况，在模板的面板下设置相应间距的加劲肋。底

模系前托梁悬挂在前横梁上，后托梁由两个后锚锚固在已成梁段混凝土底板上。

2.1.3 外模系：外模系由侧模架和模板组成。侧模架由[14B槽钢形成桁架结构，桁间距100cm；模板由δ6mm钢板以及角钢作肋制成，侧模夹住底模，通过调整底模的高程以适应不同高度的梁段，这样外模能循环使用，大大节约了投资。外模系下端牛腿支撑在底模系前后托梁上，中部用对拉筋与内模系相连，顶部利用已成梁段上的预留孔将侧模锚固在已成梁段上，另一侧利用斜拉杆固定在主构架上。

2.1.4 内模系：采用箱内支架法。

2.1.5 锚固系：锚固系分上下锚固区。上锚是主桁架的自锚平衡装置，由锚固扁担梁、竖向预应力筋、连接锚杆、千斤顶等组成。每根主桁纵梁尾部用3根精轧螺纹钢筋作为连接锚杆与箱梁内的预埋的竖向预应力筋（或预留空洞穿精轧螺纹钢紧）相连，单根主梁设置3个锚固点，一个挂篮共设置6个锚固点。下锚是在已成梁段箱梁底板预留孔处将底模系后托梁锚固在已成梁段上。精軋螺纹粗钢筋上方设置千斤顶进行锚固力的转换并可调整挂篮悬臂端挠度。

2.1.6 挂篮走行系统：挂篮走行系统分为：底模、外模走行系统及桁架走行系统。桁架走行系统是在两片桁架下已灌筑的箱梁顶面铺设横向的轨道固定扁担梁，在轨道固定扁担梁顶面沿纵向铺设两根用20B工字钢上下满焊δ=20mm钢板焊的箱形轨道，采用已灌筑箱梁的竖向预应力筋锚将轨道扁担梁固着在箱梁顶面，轨道锚固在轨道固定扁担梁上。将前后支座设置于轨道顶面，利用螺栓使桁架节点和支座连接，前支座沿轨道滑行，利用反扣装置后支座沿轨道顶板下缘滑动，不必增设平衡重，轨道分节向前倒用；外模及底模与挂篮主桁同步走行，走行过程中，外模吊挂在外导梁，而底模仍支撑于纵梁桁架上。

2.1.7 挂篮吊带：吊带包括前长吊带、前短吊带、后长吊带、后短吊带和后短吊杆。前长吊带是前下横梁和前上横梁间的传力结构；前短吊带是内外导梁前端与前上横梁之间的传力结构；将后下横梁所受荷载传至已灌筑的箱梁梁体为后短吊带及后长吊带，根据所传力的大小，采用ф32的精轧螺纹钢制作而成；后短吊杆是将内外导梁后端所受荷载传至已灌筑的箱梁梁体，制作时选材为精轧螺纹粗钢筋，其抗拉标准强度为830Mpa，直径为ф32。

2.1.8 挂篮外导梁：外导梁主要承受待灌筑箱梁悬臂翼缘板自重及相应的施工荷载，两端分别通过前短吊带和后短吊杆将所受荷载传递到前上横梁和已灌筑的箱梁梁体上，采用两根32C的槽钢组成组合截面。

2.2 挂篮的受力分析：进行悬灌施工的过程中，主梁系承受的拉力多为底模系传输的竖向拉力，挂篮走行过程中，承受的多为外滑梁前吊杆传来的竖向弯矩和竖向力。底模系承受悬灌箱梁施工荷载。外模系承受的多是翼板混凝土荷载和腹板混凝土产生的侧压力。

2.2.1 荷载系数：按照交通部颁发的公路桥涵设计及施工规范对荷载系数的

规定，得出以下荷载系数取值：

兼顾箱梁混凝土浇筑时胀模等因素的超载系数：1.05；浇筑混凝土时的动力系数：1.2；挂篮空载走行时冲击系数：1.3；浇筑混凝土和挂篮走行时的抗倾覆稳定系数：2；由于0#块及1#块均为现浇，故本次挂篮验算2#块，2#块混凝土体积为101.2m3，混凝土容重为25.25KN/m3，施工人员及施工设备的自重为2.5KN/㎡；振捣混凝土时产生的荷载为2.0KN/㎡；倾倒混凝土时产生的荷载为4.0KN/㎡；挂篮及模板材料为Q235钢材。

2.2.2 荷载组合：荷载组合Ⅰ：砼自重+动力附加荷载+挂篮自重+施工机具及人群荷载；荷载组合Ⅱ：砼自重+砼偏载+挂篮自重+施工机具及人群荷载；荷载组合Ⅲ：砼自重+风荷载+挂篮自重；荷载组合Ⅳ：砼自重+挂篮自重+施工机具及人群荷载；荷载组合Ⅴ：冲击附加荷载+风荷载+挂篮自重。荷载组合Ⅰ～Ⅲ用于挂篮强度及稳定性计算，荷载组合Ⅳ用于刚度计算，荷载组合Ⅴ用于挂篮走行验算。

2.2.3 结构分析计算：挂篮主桁结构内力和位移计算：挂篮主桁属空间桁架结构，杆件联结分刚性、半铰接及铰接节点，焊接节点可处理成刚性节点，而半铰接是仅在一个平面内转动且另一平面无法转动的铰接。采用清华大学结构力学求解器计算位移及主桁内力。主桁杆件稳定分析：按照空间杆系计算得出的内力，对各杆件按受拉受压分别进行计算，压杆采取相应的屈曲长度K1，分别对平面内外的压杆稳定及局部稳定进行计算。其他构件计算：手工计算挂篮各种轨道、销子、螺纹件及分配梁等。

3 菱形挂篮的应用

3.1 菱形挂篮安装程序：

为了加快连续梁施工进度，规范挂篮安装作业，保证将挂篮准确、快速和安全的安装到位。根据我单位在沈阳北一路公铁立交桥连续梁使用菱形挂篮结构和现场实际情况，制订辽阳新运大桥挂篮安装程序：

清理弹线→找平铺轨→安装轨道→安装主构架→安装横向连接系→后锚固定→安装前上横梁→安装后吊带→安装底模架和底模板→安装外侧模→调整立模标高。