排调河1号特大桥三角形挂篮设计

唐华伟

1 工程概况

排调河特大桥位于贵州省三都县打渔乡,主桥上部结构为(105+200+105)m预应力混凝土连续刚构,箱梁根部梁高12.0 m,跨中部分梁高4.5 m,箱梁梁高由跨中至梁根部按1.75次抛物线变化。主桥截面为单箱单室箱形截面。箱梁顶板宽13.00 m,底板宽7.0 m,顶板厚 0.30 m,底板厚由跨中0.35 m按二次抛物线变化至根部 1.40 m,腹板分别为0.50 m,0.80 m,桥墩顶部范围内箱梁顶板厚 0.50 m,底板厚1.50 m,腹板厚1.00 m。桥面横坡采用不同腹板高度予以调整。

主桥箱梁除墩顶块件外,各单“T”构箱梁均采用挂篮悬臂浇筑法施工,分22对梁段,即(5×3.5+4×4.0+13×4.5)m 进行对称悬臂浇筑。桥墩墩顶块件长14.00 m,中孔合龙段长2.0 m,边孔现浇段长3.85 m,边孔合龙段长2.0 m。梁段悬臂浇筑最大块件1号块重量2 900 kN。主梁采用纵、横、竖三向预应力体系。

2 挂篮设计思路

挂篮设计时考虑如下几点:1)挂篮结构轻巧,该桥挂篮在箱梁顶段安装,所用构件重量均不得大于8 t塔吊的限重;2)挂篮结构简单,受力明确,刚度大,使用安全可靠;3)挂篮在行走过程中平稳、安全。除轨道、内模外挂篮需整体移出;4)模板设计坚固耐用,刚度较大;5)减少施工工序,缩短施工工期。

3 挂篮设计

3.1 挂篮构造

本桥采用三角形挂篮施工,挂篮重103 t。主要由主桁架、底模平台、模板系统、悬吊系统、锚固系统及走行系统六大部分组成(见图1)。

主桁架是挂篮的主要受力结构,由两榀三角主桁架、横向连接系组成。桁架主杆件采用槽钢焊接的格构式,节点采用承压型高强螺栓连接。

底模平台:直接承受梁段混凝土重量,并为立模,钢筋绑扎,混凝土浇筑等工序提供操作场地。底模平台由底模板、纵梁和前后横梁组成。底模板采用大块钢模板;纵梁采用双槽钢或单工字钢,横梁采用槽钢组焊。纵梁与前后横梁销接,消除梁底高度变化引起的次弯矩。

模板系统:外侧模的模板采用大块钢模板拼组,内模板为抽屉式结构,可采用手拉葫芦从前一梁段沿内模走行梁整体滑移就位。

悬吊系统:悬吊系统由前上横梁、吊杆组成。吊杆采用32精轧螺纹钢,将底模平台上的荷载传递到主桁架。

锚固系统:锚固系统设在两榀主桁架的后节点上,共两组,每组锚固系统包括3根后锚上扁担梁、6根后锚杆直接锚固在箱梁顶板和翼缘板混凝土上。

走行系统:走行系统包括轨道、前支座、后锚小车、内外走行梁、滚轮架、牵引设备。挂篮走行时前支座在轨道顶面滑行,连接于主构架后节点的后锚小车反扣在轨道翼缘下并沿翼缘行走。

3.2 施工荷载组合

荷载组合1:动力系数×混凝土重+动力系数×挂篮自重+施工人员、材料、机具荷载+风荷载;

荷载组合2:混凝土重+挂篮自重+施工人员、材料、机具荷载+风荷载;

荷载组合3:动力系数×走行时挂篮自重+施工人员、材料、机具荷载+风荷载。

荷载组合1用于强度、稳定性计算;荷载组合2用于刚度计算;荷载组合3用于挂篮走行计算。

3.3 挂篮主桁架设计

通过计算,主桁架杆选用[40槽钢焊接的格构式,并在槽钢腹板中心增设12 mm厚的连接板。槽钢焊接格构式重量轻,易于调整分肢间距离,保证杆件两个方向具有相同的稳定性。绕虚轴发生弯曲失稳时,因构件弯曲产生的横向剪力由比较柔弱的缀板负担,剪切变形较大,增设连接板,保证构件不产生较大的附加变形。

计算表明,杆件最大拉力1 565.5 kN,最大压应力1 959 kN。[40槽钢格构式强度、稳定性均满足要求(见图2)。

通过对挂篮空间整体建模分析,挂篮前节点最大挠度为23 mm;主桁架整体稳定性也能满足要求。

节点选用承压型高强螺栓连接,受力均匀稳定,非弹性变形可忽略不计,保证主桁架不产生较大的位移。

横向连接系选用[20槽钢焊接格构式,保证主桁架的横向稳定,并在走行时悬吊底模平台。

3.4 挂篮后锚设计

为了平衡浇筑混凝土时产生的倾覆力矩,确保挂篮施工安全,锚固系统通过6根32精轧螺纹钢将主桁架后节点的倾覆力传递到箱梁顶板和翼缘板上。工作状态抗倾覆系数为2.8,满足设计要求。

3.5 挂篮走行设计

走行过程中的抗倾覆力经后锚小车、轨道及两根精轧钢筋传递给梁体,通过三维建模计算,走行抗倾覆系数为2.2,满足设计要求。后锚小车选用双轮反扣于双排工字钢轨道上,既便于走行又能保持稳定。内模在钢筋绑扎完成后采用手拉葫芦沿内模走行梁滑移就位。

4 挂篮主桁架加载试验

主桁架在0号段顶面利用预埋挂篮锚固精轧螺纹钢筋和张拉设备进行加载试验,模拟最重梁段施工工况,以检验主桁架的强度、刚度、工作状态后锚和前支座的安全性。

4.1 主桁架加载试验程序

首先模拟最重梁段施工工况的加载试验,然后进行走行状态最不利工况的加载。最重梁段施工工况分4级加载,分别为实际荷载的10%,50%,100%,120%。每施加1级荷载均应记录主桁架前节点中心、主桁架前支座中心、主桁架后节点中心处位移,并仔细观察主桁架节点、杆件、后锚有无异常。荷载值以油表读数控制,位移值采用精密水准仪测量。

4.2 数据分析

先计算各级荷载作用下主桁架三个节点中心处的位移值,然后消除主桁架前支座下沉、后节点抬高及其他非弹性变形的影响,重新计算主桁架前节点弹性位移值,并以此值作为实测值与理论计算值比较(见表1)。

表1 挂篮主桁架试压变形观测计算分析表

挂篮变形回归方程:y=a+bx。

其中,a=-0.837 2;b=0.021 78。

主桁架加载试验数据见图3。

1)本次加载试验,挂篮的工作状态与正常进行循环施工时挂篮的工作状态有一定的差别,因此试验大致模拟了挂篮的受力状态,检验了挂篮主体结构,主要是承重系统的安全性,所取得的试验数据对以后的挂篮施工具有一定的参考意义。

2)本挂篮为新加工设备,设计时取用了较大的安全系数,同时挂篮主纵梁与底平台之间吊杆每次都要进行预拉以消除挂篮吊杆的非弹性变形,因而挂篮的变形主要是由于主纵梁的弹性变形引起的,其变形与在该种工况下设计计算值较为吻合。

5 结语

实践证明,该三角形挂篮结构简单,受力明确,重量轻、刚度大、使用安全可靠,在排调河大桥上的应用是成功的,对高墩大跨连续梁挂篮设计具有参考价值。

[1] TB 10203-2002,铁路桥涵施工规范[S].

[2] GB 50017-2003,钢结构设计规范[S].

[3] 苏维才.横沥大桥挂篮设计与施工[J].山西建筑,2008,34(2):324-325.