辰塔大桥主梁前支点挂篮设计及施工工艺

上海市基础工程集团有限公司 上海 200002

1 工程概况

辰塔公路越黄浦江大桥新建工程，位于上海市西南角的松江区西南呈南北走向的辰塔公路上，主桥跨越黄浦江，为双塔双索面混凝土斜拉桥。主梁采用预应力混凝土双主肋断面，主梁桥面宽34.6 m，截面中心点梁高2.8 m。主梁采用前支点挂篮悬臂浇筑施工，标准节段长6.6 m，设置2道横隔梁（图1），混凝土体积为162.28 m3。

图1 主梁断面示意

2 主梁施工的难点和特点

针对大桥所处施工环境以及主桥结构特点，在实施悬臂浇筑过程中将主要面临以下难题：

1）根据设计及业主方要求，要实现全断面一次性整体浇筑，保证主梁结构整体性；

2）挂篮行走需要非常强大的C形挂腿及反压机构来平衡挂篮前倾力，使得挂篮超重；

3）大桥主跨位于黄浦江上游主航道，桥梁标高较低，在前支点挂篮设计时，要满足航道通航限高的要求。

这对挂篮的高度、操作平台、模板升降、行走系统和相应施工工艺提出了较高要求，传统前支点挂篮已经无法满足。为实现类似超宽翼缘全断面一次性浇筑：该挂篮承载平台能够满足主梁节段浇筑的要求，严格控制自重；挂篮自身的高度需满足通航限高要求；在挂篮高度受限前提下，自身结构刚度、安全性以及可靠性要满足；为能够保证挂篮安全、可靠前移，需要一种复合型前支点挂篮的行走系统；主梁标准节段设置2道横梁，需要一套可升降模板系统，保证挂篮前移时，模板不受第1道横梁的阻碍[1,2]。

3 复合型前支点挂篮的设计

针对主梁施工中的难点，该挂篮设计主要由承载平台、张拉机构、行走系统、定位系统、锚固系统和模板系统组成。

承载平台是挂篮支承混凝土荷载及模板体系的主体结构。结构主体采用在横桥向与斜拉索对应位置布置2根主纵梁，主纵梁前端设置张拉系统形成支点，在主纵梁上设置承力面，适应各节段斜拉索不同角度的变化，后端与已浇段混凝土锚固，主纵梁外侧设置支撑架承载主梁悬臂位置荷载。主纵梁间设置3根横梁，为提高承载能力和侧向稳定性，前、后横梁采用箱形截面，为加工制作方便和减轻自重，连系梁采用工字形截面。承载平台后部设置2根行走轨道滑梁（图2）。

张拉机构由前支点调节支座、张拉分配梁、张拉杆和精轧螺纹钢组成，如图3所示。前支点调节支座与分配梁之间采用销轴连接，分配梁可绕支座转动，调节支座可沿主纵梁端部斜面移动，通过两部分共同作用调整张拉杆角度，张拉千斤顶通过撑脚固定在分配梁上。该机构可调整以适应各节段斜拉索平面角度的变化。精轧螺纹钢筋用于固定前支点调节支座，张拉产生的沿主纵梁端部斜面的分力由其来承受。

图2 承载平台机构

图3 张拉机构

行走系统实现挂篮空载前移功能，挂篮行走系统主要由三角桁架、牵引机构以及后行走小车组成，如图4所示。该行走系统与其他方式相比有着明显的优势，首先这种形式的挂篮承载平台前移比较平稳，其次挂篮的承载平台与各部分模板同步一次性就位，减少了施工工序，缩短了施工周期。

图4 行走系统

定位系统实现挂篮浇筑前的初定位及微调定位功能，由顶升机构、主纵梁前、后锚杆组、止推机构等组成。

通过锚杆组的提升和下放实现挂篮的升降，到位后可机械锁定，以保证挂篮在施工中顶升支点的定位不变。止推机构锚固在已浇梁段上，其作用是微调挂篮纵向定位位置，并承受挂篮施工中斜拉索的水平分力。挂篮的竖向标高调整由锚杆及顶升机构完成。

挂篮锚固系统包括2组主纵梁前锚杆组、2组主纵梁后锚杆组、主桁后锚杆组、止推机构锚杆组和后行走小车锚杆组。主纵梁前锚杆组设在主纵梁中部，作用是将承载平台承受的施工荷载传递到已浇梁段上；主纵梁后锚杆组设在主纵梁尾部，用以平衡挂篮斜拉索初张拉时产生的倾覆力，同时，2组锚杆组亦作为抗风安全锚固点。

模板系统由主梁底模及侧模、横梁底模及侧模、顶板底模、拱架以及支撑等组成，如图5所示。主梁内侧模、横梁内侧模上下端分别与顶板底模、主梁底模和横梁底模采用铰连接，主肋侧模、横梁侧模之间采用对拉螺栓连接，悬臂模板和前端模板支撑采用可调撑杆支撑在承载平台上。

在挂篮前移前，拆除主梁内侧模、横梁内侧模上端与顶板底模的连接铰，顶板底模及拱架下降适当高度；松开对拉螺栓，将主肋外侧模、横梁前端侧模放置于承载平台上，将主肋内侧模、横梁内侧模转动一定角度脱离混凝土，放置在顶板底模上且随同拱架一起下降至挂篮行走时的定位高度。

挂篮前移到位后，再将拱架提升到设计标高位置，立模并浇筑下一节段。

图5 模板系统

4 挂篮结构施工计算

4.1 挂篮设计主要参数

挂篮在施工过程中，主要承受混凝土荷载、人群施工荷载、风荷载以及挂篮自身质量，根据主梁及挂篮构造特点，将以上荷载分别施加在挂篮承载平台各部分。其中混凝土荷载取2.6 t/m3，主梁标准节段混凝土总质量为422 t；人群及施工荷载取0.15 t/m2；工作状态桥面风荷载为0.03 t/m2，非工作状态风荷载为0.10 t/m2；挂篮各构件设计参数见表1。

表1 挂篮设计参数

4.2 挂篮施工验算主要工况

为了验算挂篮主要构件的受力，通过以下8种施工工况对挂篮进行计算：

工况一：挂篮位于边跨2#节段，混凝土浇筑完成1/2（混凝土湿重211 t，下同），风向竖直向下（风速19 m/s，下同），斜拉索第2次张拉完成，单根索索力1 930 kN，计算中支点垫块受力。

工况二：挂篮位于边跨2#节段，混凝土浇筑完成，风向竖直向下，斜拉索第2次张拉，单根索索力1 930 kN，计算挂篮工作状态的受力和变形。

工况三：挂篮位于中跨21#节段，混凝土浇筑完成1/2，风向竖直向下，斜拉索第2次张拉未开始，斜拉索一张单根索索力1 240 kN，计算主纵梁前锚杆组受力。

工况四：挂篮位于中跨21#节段，混凝土浇筑完成1/2，风向竖直向下，斜拉索第2次张拉完成，单根索索力3 180 kN，计算主纵梁后锚杆组受力。

工况五：挂篮位于中跨21#节段，混凝土浇筑完成但未凝固，风向竖直向下，二次张拉单索索力3 180 kN，计算挂篮工作状态的受力和变形。

工况六：混凝土浇筑养护并张拉完成，实现挂篮与主梁间的索力转换，挂篮在前、后锚杆组和顶升机构的配合下下放，风向竖直向下，计算挂篮下放时顶升机构受力。

工况七：挂篮下放完成准备行走，挂篮端部用连系钢带与三角桁架连接，挂篮后部行走轨道作用在行走小车上，风向竖直向下，计算挂篮开始行走状态时行走小车的受力情况。

工况八：挂篮行走到位，风向竖直向下，计算挂篮行走到位状态时三角桁架与连系钢带受力。

4.3 挂篮施工验算结果

根据验算数据，挂篮钢材拉伸、压缩、弯曲的许用应力及挂篮刚度均符合相关标准的规定。

挂篮行走到位锚固后的空挂篮状态，以及该工况下挂篮施加有斜拉索初张索力550 kN（单根），2种状态中挂篮在33 m/s风荷载作用下，挂篮稳定力矩与倾覆力矩之比分别为2.19和4.33，均大于2，说明挂篮整体抗倾覆性满足使用要求。

同时根据8种施工工况，验算了止推机构螺杆承压强度、螺杆螺纹副强度、抗剪柱剪切强度、连接焊缝、锚固精轧螺纹钢抗拉强度以及挂篮锚固机构的受力等均满足规范强度要求。

5 挂篮施工工艺

针对辰塔大桥的结构及前支点挂篮特点，设计了一套与之相对应的施工工艺，使各节段满足索力及变形双控的要求。

1）施工节段预应力张拉完成，将挂篮上索力转换到已浇主梁上，实现索力转换，拆除张拉千斤顶与斜拉索连接；

2）解除三角桁架后锚固点，安装反压机构；三角桁架在手拉葫芦牵引下前移；

3）三角桁架尾部与已浇主梁锚固，拆除止推机构，调整可调螺杆松开模板，下放拱架，折叠模板实现脱模；

4）通过挂篮承载平台前、后锚杆组和顶升机构共同作用将承载平台下放200 mm；

5）承载平台下放到位后，安装承载平台和三角桁架间的牵引机构；

6）安装并调整行走小车，让其与挂篮承载平台中的行走滑梁接触并受力；

7）拆除承载平台前、后锚杆组并回缩顶升机构；

8）承载平台在三角桁架前端千斤顶的牵引下，沿着行走滑梁向前移动一个节段；承载平台行走到位，安装承载平台前、后锚杆组，伸长顶升机构至梁底；

9）拆除承载平台与三角桁架间牵引机构，通过承载平台前、后锚杆组和顶升机构将承载平台提升200 mm；

10）安装止推机构和张拉机构，立模，提升拱架，使挂篮精确定位，并满足预变形要求；

11）连接张拉机构与斜拉索，形成挂篮前支点，并进行第1次张拉；

12）按主梁施工控制要求浇筑1/2节段混凝土，并进行第2次斜拉索张拉；

13）混凝土浇筑完成，养护至设计规定强度及龄期，张拉节段进行预应力张拉。重复前述工序，完成下一节段的混凝土浇筑。

6 结语

辰塔大桥前支点挂篮的设计，在保证挂篮结构安全的前提下，满足了通航限高的要求；可以实现超宽翼缘主梁全断面一次性浇筑，提高现浇混凝土梁体的整体性；利用三角桁架即可实现挂篮行走，这种形式的承载平台前移比较平稳，前移过程中动力系统所需配合人员相对较少；挂篮平台及其他各部分模板可以实现同步一次性就位，减少了施工工序，缩短施工周期[3-6]。

目前辰塔大桥主梁施工过程中，挂篮运行状况良好、安全性高、操作简单，有效地保证了主梁施工的安全和质量，满足了施工要求。