长平台牵索挂篮的总体设计与应用

2010-08-13唐志俊蒋红伟

中国港湾建设 2010年5期

唐志俊，蒋红伟

（中交第三航务工程局有限公司，上海 200032）

1 工程简介

丹阳市北二环大桥改建抢修工程由主桥、引桥及引道3部分组成。其中主桥长200 m，为独塔双索面混凝土斜拉桥；主跨110 m，边跨90 m，主桥桥面宽度35.8 m，桥塔处主桥宽度37.1 m。主梁为分离式现浇预应力混凝土箱梁结构，在拉索位置设置1道横隔梁，箱梁中心高度2.7 m，节段长度均为6.5 m。根据设计要求及场地条件，除0号、1号及2号节段采用支架现浇外，自3号节段开始，混凝土主梁均采用牵索挂篮平衡双伸臂悬臂法施工。

由于该工程桥面宽度达到35.8 m，单节混凝土质量在400 t以上，普通挂篮无法适应其悬浇施工，必须采用牵索挂篮进行施工。牵索挂篮系利用待施工节段外侧的两根斜拉索，上端固定于主塔相应设计位置，下端通过临时拉杆与挂篮前端连接，形成施工时的临时拉索。通过上述方法，拉索空间位置与设计位置相同，由于加设了临时接长杆，拉索在施工阶段可作为挂篮前端的支撑点（因此，该挂篮也称为前支点挂篮），使挂篮受力由悬臂状态变为简支状态，大大降低了挂篮的内力和挠度，有利于保持主桥线形。每节段混凝土浇筑完毕且预应力体系张拉完毕后，通过在挂篮端张拉临时接长杆，实现拉索拉力由挂篮转移至主梁的体系转换工作。

2 挂篮基本构造

本工程主梁混凝土悬浇施工使用的主要设备是挂篮，根据工程实际情况，主梁采用长平台牵索挂篮进行施工。长平台牵索挂篮由承重平台、临时拉索系统、止退系统、行走系统、高程调节系统、锚固系统、模板系统等部分组成（见图1）。

图1 挂篮结构图

挂篮的承重系统是挂篮受力的主体，由两侧主纵梁、前横梁、后横梁、次纵梁、普通纵梁、平衡尾梁、模板拱形桁架等组成。

临时牵索系统由施工中作为临时拉索使用的永久性斜拉索和其梁下锚具以外的接长杆、锚具等组成，其作用是利用接长杆及附加锚具把拉索与挂篮连接起来，使索力暂时通过挂篮传递，构成挂篮临时受力系统。

挂篮止退系统是挂篮施工过程中抵抗临时拉索水平分力的受力系统，由设置于挂篮主纵梁上的止退块和预埋于已浇梁段的止退装置组成。

挂篮的锚固系统由拉杆、下锚梁、分配梁和千斤顶等组成，分为前锚和后锚两部分，前、后锚各有4根，分布于两侧主纵梁上，前锚的主要作用是将主纵梁中部所受的竖向荷载传给主梁，并用于挂篮的下放和提升；后锚杆位于挂篮尾部，其作用是将挂篮尾部与主梁锚固连接。

挂篮模板系统分边箱模板、中箱模板和芯模。本工程主梁为分离式箱梁，考虑到挂篮下落高度及行走的方便等，中箱模板采用拱架结构，该结构可在挂篮自身承重系统中自行升降。

3 挂篮设计

3.1 挂篮形式选择

随着桥梁工程设计技术的发展，大跨度刚构桥、斜拉桥的应用日益广泛，随之而来的是挂篮的使用也日趋频繁，挂篮结构形式越来越多，并向实用、方便的方向上不断发展。目前工程领域使用的挂篮主要有自承式结构和牵索式结构，前者可分为三角形、菱形等结构；后者可分为长平台形式和短平台形式。

自承式普通悬臂挂篮无论是三角形还是菱形均为后支点形式，利用已浇节段作为锚固点，通过反吊实现后一节段的施工。这种挂篮为单悬臂受力，因悬臂结构承受负弯矩较大，所以浇筑节段长度受限制。而牵索挂篮能充分利用斜拉索的作用变悬臂负弯矩受力为简支正弯矩受力，其浇筑长度和承载力能较大提高。

牵索挂篮根据挂篮平台长度不同分为长平台牵索挂篮和短平台复合型牵索挂篮。短平台牵索挂篮由普通挂篮发展而来，在普通挂篮的基础上增加了临时拉索受力，从而形成复合受力结构。短平台复合型牵索挂篮一般由挂篮平台、三角架和伺服系统三大部分组成。施工过程中挂篮主纵梁前端由临时拉索支撑，后部则锚固于已完成施工的节段上，为减小横梁挠度，增加挂篮横向刚度，前横梁中间位置则根据桥梁宽度通过三角架加设一定数量的吊杆。此结构的优点是由于增加了三角吊架，因此前横梁断面可相对减小，挠度控制相对简单；其缺点是：1）前横梁受力较为复杂，因拉索与吊杆同时受力，施工过程中对索力的监控较难，且吊杆与临时拉索弹性模量相差较大，在受力分配、确定计算模式方面非常困难。2）该结构由挂篮平台和三角架两套系统组成，结构相对复杂，重量较大。3）挂篮平台较短，其横向刚度较弱。

长平台牵索挂篮基本脱离了普通挂篮的模式，其结构由挂篮平台及伺服系统两大部分组成，由锚固点和临时拉索共同固定挂篮平台。此挂篮结构简单、受力明确，其荷载传递路径为：待浇节段混凝土质量及施工荷载通过挂篮平台后部锚固点及拉索竖向分力承担，拉索水平分力通过止退装置由已浇节段主梁承担。长平台牵索挂篮在主梁下设置挂篮平台，且已成梁段下挂篮平台长度稍长于待浇梁段下的挂篮平台长度，这样方便了挂篮的行走并保证了挂篮在顺桥向的刚度。但由于长平台挂篮没有三角吊架系统，因而横梁挠度控制较难，特别是对于宽度较大的桥梁，前横梁由于跨度较大，为减小前横梁挠度，其截面需相对增大。

丹阳北二环大桥设计要求采用的挂篮质量不得大于待浇节段混凝土质量的45%，根据这一要求及长平台牵索挂篮和短平台牵索挂篮的特点，结合该工程主桥箱梁结构形式及平面尺寸情况，本工程挂篮采用长平台牵索挂篮进行施工。

3.2 挂篮结构设计

3.2.1 设计荷载

根据牵索挂篮受力分析，牵索挂篮主要承受以下荷载：

1）牵索挂篮自重；

2）待浇节段混凝土质量；

3）施工荷载，包括人群及必要的脚手架质量等；

4）模板系统质量；

5）其他荷载：包括水管、混凝土泵管、放缆索道质量等。

3.2.2 结构设计要点

长平台牵索挂篮需要利用位于主梁两侧的永久拉索作为临时支点，这就决定了其受力主梁为顺桥向纵向梁，且需要位于两侧。其平面布置为两侧设置纵梁2根，连接纵梁的横梁，一般分为前横梁、中横梁及平衡尾梁。为提高结构整体性能及方便模板铺设，在前横梁与中横梁之间根据主桥箱梁结构需要增加次纵梁。根据结构布置，挂篮宽度稍大于主梁宽度，长度按照已成梁段下长度稍大于待浇段下长度以提高挂篮横向刚度。根据上述布置原则，本工程挂篮平面尺寸为39.2 m×16.5 m。

本工程牵索挂篮采用钢结构，挂篮规模及承载能力均较大，对其主要受力构件，如主纵梁、次纵梁、前横梁、后横梁、尾部斜撑（平衡尾梁）及吊耳等均采用矩形截面焊接钢箱梁结构。

牵索挂篮的设计必须满足构件强度要求，并须保证其刚度。为保证混凝土主梁浇筑线形符合设计要求，挂篮构件的刚度十分重要，其允许变形值往往比普通钢梁设计要求高。普通钢梁设计时，根据规范要求其挠度值可在1/400～1/700之间即能满足使用及安全要求，而对于挂篮构件，其变形要求在满足钢结构设计规范的同时必须满足混凝土主梁线形的要求。如挂篮横梁设计时，如取挠度为跨度的1/400，则对于本工程来说其横梁挠度值将达到89 mm，即混凝土浇筑完成后，混凝土主梁挠度达到89 mm，大大超过了混凝土允许变形25 mm的要求。因此要满足混凝土施工过程中允许的变形值，挂篮横梁的挠度必须控制在1/1 780左右。以下是挂篮主要受力构件主纵梁及横梁设计要点。

主纵梁是挂篮的主要受力构件之一，其受力状态随挂篮工况的不同而异，挂篮就位未安装临时拉索时，主纵梁后部由前、后锚固定，前部则为悬臂结构，承受的荷载为挂篮自重荷载及施工荷载；临时拉索安装完毕后，主纵梁为由后锚、前锚及临时拉索支撑的超静定梁，其受力为挂篮自重、由横梁传递的待浇节段混凝土质量、施工荷载、临时拉索传递的张拉力及止退块抵抗拉索张拉力水平分力时对主纵梁产生的附加力矩。设计时需要分别对挂篮的不同工况进行强度和刚度计算。对上述两种工况分别进行计算得知，主纵梁最大弯矩为4 932 kN·m，最大剪力1 239 kN。主纵梁截面采用钢箱梁，根据计算结果，箱梁高度确定为2.0 m，宽度1.5 m。

长平台牵索挂篮一般包括前、中、后横梁，其中后横梁和中横梁在混凝土浇筑状态可通过精轧螺纹钢固定于已成梁段，而挂篮行走状态时仅承受其自重荷载，因此其设计相对简单。挂篮的前横梁则是主要受力构件之一，前横梁可简化为支撑于纵梁上的简支梁结构，承受的荷载主要为自重、通过次纵梁传递的待浇段主梁质量、施工荷载等，由于其跨度大，对混凝土主梁横向线形影响也大，因此在设计前横梁时，在保证其强度的情况下，尤其要注意其刚度，在混凝土浇筑状态下前横梁的变形除满足钢结构设计规范要求外，还应控制由于其变形带来的混凝土主梁变形不得大于混凝土结构变形的要求。

本工程前横梁计算受力为：弯矩2 353 kN·m，最大剪力1 525 kN。为减小横梁截面，减轻挂篮质量，前横梁采用了组合结构，上部为钢箱梁结构，底部则增加了钢管式加强桁架。钢箱梁断面尺寸1.8 m×1.2 m，加强桁架由φ820 mm×10 mm钢管焊接，高度2.0 m。在此情况下，前横梁施工期计算挠度为46 mm，为满足横梁挠度不超过25 mm的要求，挂篮设计时，在前横梁设置了30 mm预拱。挂篮的预压试验及实际施工中测得的横梁平均挠度为35 mm，达到了预期效果。

作为超重施工设备，挂篮在施工阶段其自重主要由已成梁段及临时拉索承担，在挂篮设计过程中还需充分考虑挂篮与已成梁段间的连接方式及局部强度，防止挂篮施工过程对主梁的损伤。挂篮与已成梁段之间的连接主要通过锚固螺杆、吊耳及行走滚轮（反顶支撑）完成，分两种工况，一是挂篮在下落及提升状态，二是挂篮行走状态。

挂篮在下落及提升状态，挂篮自重通过设置于挂篮主纵梁中部的吊杆等锚固件作用于混凝土主梁上。锚固件由吊杆、扁担梁、千斤顶、垫板等组成。因挂篮为偏心结构，在此阶段挂篮主纵梁尾部还需要通过反顶来保持挂篮下落及提升过程中的平衡。由于挂篮质量大，因此提升及下落过程中需要对受力支点部位局部混凝土强度进行验算，如支点作用于腹板位置，尚需对腹板整体强度进行验算。挂篮在行走状态主要通过吊耳与行走滚轮与主梁固定，需要验算吊耳作用位置的混凝土强度。