潮白河大桥长平台牵索挂篮设计

莫以操 邱 攀

(中铁大桥局集团有限公司 武汉 430050)

预应力混凝土斜拉桥是一种桥面体系受压、支撑体系受拉的桥梁，一般以平衡悬臂法对称施工，但主梁节段尺寸及混凝土方量较大，普通挂篮难以满足施工的要求，因此，预应力混凝土斜拉桥多采用牵索挂篮进行对称施工。牵索挂篮可根据斜拉桥主梁结构的不同、斜拉索锚固点位置及平、纵面角度的变化等因素进行选型及设计。

1 工程概况

潮白河大桥为徐尹路上的一座特大桥梁，位于燕郊国家高新技术产业开发区西部，是整个徐尹路打通燕郊与北京快速路连接的控制性关键工程。该桥主桥采用165 m+165 m倒Y形单塔双索面预应力混凝土斜拉桥，采用墩塔梁固结体系，塔高99.12 m。本桥采用平行钢绞线拉索体系，空间双索面扇形布置，索距8 m,全桥共38对斜拉索。主桥立面见图1。

图1 主桥立面图(单位：m)

主梁基本断面形式为边主梁，截面顶全宽27.5 m，截面高2.3 m，设双向1.5%横坡。主梁节段划分为(2×3 m+18×8 m+6 m+2×9 m+6 m+18×8 m+2×3 m。其中，第0号节段、1号节段及边跨直线段采用现浇支架施工，第2号～19号节段采用牵索挂篮现浇施工。主梁标准截面见图2。

图2 标准横断面图(单位：mm)

2 牵索挂篮结构设计

由于主梁结构、斜拉索空间限制及工程实际情况，主梁采用长平台牵索挂篮进行施工。挂篮主要结构包括承重系统、牵索系统、模板系统、吊挂及走行系统、抗剪系统及操作平台等组成。牵索挂篮结构示意图见图3、图4。

图3 牵索挂篮立面布置图(单位：mm)

图4 牵索挂篮横断面布置图(单位：mm)

承重系统由主纵梁，前、中、后横梁等组成平台结构。为了运输及吊装的方便，主纵梁及横梁在工厂分节段制造，节段之间采用高强螺栓连接。根据结构受力分析，主纵梁主要承受斜拉索张拉产生的水平分力，主梁待浇节段混凝土产生的弯矩和剪力，前、中、后横梁及拱架产生的扭矩[1]；横梁结构主要承受主梁横隔板混凝土自重及模板结构荷载。

牵索系统为特制的加长连接装置，其下端锚固在主纵梁弧形首分配梁之上，上端与斜拉索锚具相连，起传递荷载及后期体系转换之用。

模板系统分为侧模系统及底模系统。侧模系统采用液压杆及模板组成；为减少施工现场模板拆装的工作量，挂篮底模设计摒弃了常用的脚手架+方木+竹胶板的结构形式，采用拱架及可开合式组合钢模板的结构形式，浇筑混凝土时，模板展开使之支撑于拱架及横梁之上；混凝土浇筑完毕，模板收拢于拱架之上，拱架下落，模板整体脱模。

吊挂系统将挂篮承重系统锚固于已浇筑节段顶部，根据分布位置不同可分为中外吊挂、中内吊挂及后吊挂，中外吊挂锚固于已浇筑节段前端，主要承受挂篮竖向荷载；中内吊挂、中后吊挂分别锚固于后横梁、主纵梁后部，使挂篮在混凝土浇筑过程中顶面与已浇段底面紧贴。

走行系统由走行滑道及挂钩组成。挂钩仅用于挂篮走行，为焊接箱型结构，主要承受挂篮走行过程中自重及模板荷载，其一端与主纵梁栓接，另一端则通过连续千斤顶拽拉滑块在滑道内进行滑动。滑道为U形组焊结构，2 m一节，节与节之间通过螺栓连接，滑道锚固于已浇筑梁端顶部，正对挂钩滑块。

抗剪系统由设置于主纵梁顶部的抗剪柱及圆弧形插片组成，主要起抵抗斜拉索水平分力的作用，同时适当调整挂篮的位置，使之满足主梁施工线形的要求[2]。

操作平台则可根据实际需要，在主纵梁两侧设计三脚架进行搭设。

3 牵索挂篮施工过程斜拉索中间索力确定因素

牵索挂篮在施工过程中斜拉索预拉索力的方向和大小均不断发生变化，计算时斜拉索的施工索力根据以下因素确定。

1) 牵索挂篮的主纵梁抗弯能力满足设计要求。

2) 牵索挂篮中、后吊挂轴向拉力满足设计要求。

3) 初张索力按挂篮安装到位，混凝土浇筑50%且挂篮主纵梁前端锚固点变形为0时的竖向分力确定。

4) 第二次调索索力按混凝土浇筑100%且挂篮主纵梁前端锚固点变形为0时的竖向支撑分力确定。

由于主塔两侧主梁节段斜拉索的初张力相同，且斜拉索竖向角度差别很小，故在表1中仅示意单侧斜拉索中间索力值。

表1 斜拉索中间索力表

4 牵索挂篮结构设计计算

4.1 牵索挂篮荷载分析

计算荷载主要包括挂篮结构自重、待浇筑主梁混凝土荷载、模板荷载、施工人员及施工机具荷载、混凝土振捣荷载及斜拉索2次张拉荷载。

4.2 牵索挂篮工况分析

主梁节段施工均采用2次调整中间索力，根据节段施工流程，可分为以下7个工况。

1) 工况1，吊装挂篮，安装模板及吊挂系统，

挂篮与已浇筑节段进行锚固。

2) 工况2，斜拉索初张拉。

3) 工况3，绑扎待浇节段钢筋骨架，安装预应力管道，浇筑主梁50%混凝土。

4) 工况4，斜拉索第二次张拉。

5) 工况5，浇筑主梁100%混凝土。

6) 工况6，解除牵索接长装置，斜拉索体系转换，挂篮脱模，然后整体下降。

7) 工况7，挂钩落于走行滑道之上走行至下一节段。

4.3 有限元建模计算

采用有限元软件midas Civil建立各个工况下牵索挂篮空间计算模型。模型中除主纵梁、挂钩采用板单元模拟外，其余结构均采用梁单元进行模拟。边界条件按实际工况进行模拟。主梁标准节段混凝土用量约174.18 m3，其中，控制节段为19号节段，混凝土用量约为179.1 m3。计算模型以最不利节段19号节段进行计算分析，按节段混凝土一次浇筑成型计算考虑。计算模型见图5。

图5 牵索挂篮有限元模型

根据计算模型，得出牵索挂篮在各工况下的各构件内力结果，从而对主纵梁、横梁、拱架、挂钩等构件的强度、刚度、稳定性进行检算。经计算，挂篮浇筑最不利节段19号节段时，构件最大应力197 MPa；挂篮走行时，构件最大应力204 MPa，均小于230 MPa的许用应力[3-5]，满足规范要求。各工况下的应力图见图6。

图6 最不利节段施工阶段主纵梁最大组合应力图

各工况下的位移见表2。

表2 各个工况下的位移

注：“+”表示位移向上，“-”表示位移向下。

一般情况下，为保证立模标高调整量不大、后期成桥索力调整方便，在浇筑混凝土后，主纵梁前端位移保证在±10 mm范围内，潮白河大桥牵索挂篮在工况3与工况5时，主纵梁前端位移分别为2.5 mm与4.3 mm，满足要求。

5 结语

预应力混凝土斜拉桥牵索挂篮对称悬臂施工以其施工速度快、方便主梁线形控制而得到广泛应用。本工程所使用的牵索挂篮具有以下优点。

1) 牵索挂篮刚度大，定位锁定后，挂篮与已浇筑主梁节段连为一体，挂篮随主梁转动而转动，对控制主梁线形有利。

2) 挂篮采用在工厂制造，现场组拼，施工完成后整体下放，降低了安全风险。同时，采用整体式模板系统，拱架及模板系统联动，可沿滑动轨道整体上升或下落，并随牵索挂篮走行至下一节段，解决了常用的脚手架模板拆装工序多、速度慢的问题，降低了施工难度、节约了施工工期。

[1] 张小川.牵索挂篮结构设计与数值模拟[J].四川建筑，2014，34(1)：155-158.

[2] 李宗长，唐宏路，张志长.牵索式挂篮设计及施工若干问题的探讨[J].交通科技，2005(5)：53-55.

[3] 钢结构设计规范:GB 50017-2003[S].北京：中国计划出版社,2003.

[4] 公路桥涵钢结构及木结构设计规范:JTJ 025-86[S].北京：人民交通出版社,1988.

[5] 王向阳,夏小勇,韩丽丽，等.独塔斜拉桥钢拱塔竖转施工风致抖振响应分析[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2016,40(2):251-255,260.