礼东大桥悬臂浇筑挂篮设计

邓国迪

摘要：本文按照结构力学和钢结构设计规范，对礼东大桥悬臂浇筑施工挂篮给出了设计和验算，分析了计算结果的可靠性，提出了挂篮现场施工工艺要求及注意事项。

Abstract： The paper not only gives the detailed design and checking calculation of hanging basket using in the cantilever pouring construction of the Lidong bridge， which lies in the Jiangmen city， according to the structural mechanics and code of steel structure， but also analyzes the reliability of calculation results and proposes the process requirements of site operation and the notice of hanging basket construction.

关键词：礼东大桥；悬臂浇筑；挂篮设计

Key words： Lidong Bridge；cast-in-place cantilever method；design of hanging basket

中图分类号：U445.466 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）16-0099-03

1 工程概况

礼东大桥位于江门市，省道S270与S272连接线上，横跨睦州水道，是连接礼东、礼西行政区域的重要交通桥梁。全桥按公路一级荷载，双向四车道标准设计。礼东大桥全长1015m，宽7m。施工采用现场浇筑，其施工最难处为位于河道中心位置处的90m连续刚构箱梁，河道水深流急。

90m连续刚构箱梁单幅桥箱梁为单箱室断面，箱梁顶板宽度11.75m，底板宽6.35m，两侧悬臂翼板长2.7m。箱梁中心高度变化范围：5.2m～2.6m，按2次抛物线线变化。梁段共有13段，梁块长度分为2.5m、3.5m两种。为保证顺利完成施工任务，本段须采用悬臂浇筑挂篮施工方法，其最重的梁块为6号梁块，重105T。

2 挂篮的施工方案及其设计

2.1 挂篮型式的选择

挂篮型式多种多样，目前常用的有：斜拉式悬臂浇筑挂篮、菱形悬臂浇筑挂篮、平衡重式浇筑挂篮、无平衡重式浇筑挂篮等。本项目箱梁跨度大、梁段较重，经最终研究决定采用三角型斜拉式悬臂浇筑挂篮。

2.2 挂篮设计思路

本套挂篮按最重梁段的重量和最不利荷载情况，考虑施工要求设计制造。在设计过程中，计算荷载始终取最大和最不利进行验算，并按受力最大的简支梁简化，使挂篮偏于安全。

2.3 挂篮的组成

三角形挂篮主要由三角形主桁、后行走及锚固装置、前支腿及轨道锚固装置、底篮及底模板、内外滑梁、侧模板和内模板、吊带总成等组成。主桁采用三角形形式，结构简单，受力明确。所有主要受力梁均采用型材或型材组合，保证刚度、强度要求的同时较大的减轻了制作强度和加工变形。为保证三角形主桁的安装方便，中间立柱设计有一合适厚度的墊片。两三角形主桁之间设计有桁架式拉杆用以保证挂篮整体的横向稳定性。三角形主桁是挂篮的主要受力构件，它承受新浇筑梁段混凝土、挂篮、模板及施工荷载的全部受力，并将全部受力通过行走装置及锚固装置传导到已浇筑并达到规定强度的混凝土梁上。结构示意图见图1。

2.4 结构计算与说明

主桁架采用三角形形式。结构简单，受力明确。所有主要受力梁均采用型材或型材组合，这样选材在保证刚度、强度要求的同时较大的减轻了制作强度和加工变形。为保证三角形主桁的安装方便，中间立柱设计有一合适厚度的垫片。两三角形主桁之间设计有桁架式拉杆用以保证挂蓝整体的横向稳定性。

2.4.1 模板荷载

底模板G底模=19.4（kN），单件侧模板G侧模=30.4（kN），单件芯模G芯模=48（kN）。

2.4.2 混凝土荷载

墩箱梁除墩顶0号块外分为13对梁段，墩顶现浇段0号块长度为7m，1号块长度为2.5m。悬浇节段2号～5号段为2.5m、6号～13号段为3.5m。选取较危险的2、6号梁段计算。

混凝土载荷G混=V*ρ*K1*K2

式中，V-体积，ρ-密度，取ρ=2.62t/m3，

K1-截面系数，取K1=1.05，K2-载荷系数，取K2=1.2。

底板混凝土：

G底混2=10.6521*2.62*1.05*1.2*9.8=344.6 （kN）

G底混6=12.24*2.62*1.05*1.2*9.8=396 （kN）

面板混凝土：G面混8=7.2404*2.62*1.05*1.2*9.8=234.2 （kN）

腹板混凝土：

G腹混2=14.6288*2.62*1.05*1.2*9.8=473.3（kN）

G腹混6=14.5556*2.62*1.05*1.2*9.8=470.9（kN）

翼板混凝土：G翼混6=6.5205*2.62*1.05*1.2*9.8=211（kN）

2.4.3 底篮纵梁、横梁校核

底纵梁采用4件HN396X199，6件HN298X149，在布置纵梁时充分考虑载荷情况，尽量使纵梁等强度受力。所有纵梁整体截面参数如下：

I=0.0011876（m4），Wmin=0.006638（m3），S腹=168.3*10-4（m2）

设计时，尽量按所有底纵梁等强度受载布置底纵梁布置，但实际中所有底纵梁不可能完全等强度受载，固按最大、最不利因素计算底纵梁受力。为简化计算，以所有底纵梁均匀承载进行计算，给底纵梁强度及刚度都留有一定余量。浇筑2号、6号块时底纵梁所受载荷参见图2。

底纵梁自重G自=23（kN），底模重量：G底模=19.4（kN）

底板混凝土：G底混2=344.6（kN），G底混6=396（kN）

肋板混凝土：G腹混2=473.3（kN），G腹混6=470.9（kN）

q自=23/4.5=5.1111（kN/m）

q外2=（344.6+473.3+19.4）/2.5=334.92（kN/m）

q外6=（396+470.9+19.4）/3.5=253.2286（kN/m）

经计算得：M2max=659.5（kNm）；M6max=622.3（kNm）；

R后2=523.2（kN）；R前2=337.1（kN）；R后6=454.7（kN）；R前6=454.7（kN）。

由上述计算结果可知：纵梁、后横梁以浇筑2号块时最危险，前横梁以浇筑6号块时最危险。

Qmax=R后2=523.2（kN），Mmax=M外2max=659.5（kNm）

强度校核（浇筑第2号块时）

σ=Mmax/Wmin=659.5*10-3/0.006638=99.4（MPa）<[σ]=140（MPa），安全。

τ=Qmax/S腹=523.2*10-3/（168.3*10-4）=31.1（MPa）<[τ]=75（MPa），安全。

底纵梁揉度f=0.0054（m）<[f]=4.5/400=0.0113（m），安全。

移篮时无混凝土荷载，底纵梁只受吊篮和自重的作用，荷载较小，可不作验算。

同理可得浇筑第2号块时腹板下的特殊纵梁的受力情况，其σ=107.5 （MPa），f=0.0053 （m），τ=44.6（MPa）；底板下的一般纵梁，其σ=86.6（MPa），f=0.0057 （m）。τ=19.6（MPa）。

2.4.4 主桁及立柱校核

主桁由8根[28a工字钢组成，每两根焊接成一根拉带，截面积S=80×10-4m2，拉带承受由混凝土和挂篮及施工所产生的附加力P=800kN。每根立柱由2根[28a构成，共有2根立柱，承受由拉带产生的垂直力。主桁和纵梁通过直径？准105，材质20CrMnTi的销子连接在一起。主桁受力如简图3。

拉带所受力P1=4.5*400/（4*sin43.7562）=650（kN）

σ=650*10-3/（80*10-4）=81.25 （MPa）<[σ]=140（MPa），拉带安全。

立柱受力简图见图4。

拉带的力P1=650（kN）

立柱受力P=2*P1*COS46.2438°

=2*650*COS46.2438°=899（kN）

立柱采用两根[28a，S=80*10-4（m2）

σ=899*10-3/（80*10-4）=112.4（MPa）<[σ]=140（MPa），安全。

沿拉带方向μ=1 ix=0.109m L=3.45m

λ=μ*L/iX=3.45/0.109=31.7，查得？准=0.95

σ=118.8（MPa）<[σ]* ？准=140*0.95=133（MPa），安全。

沿垂直拉带方向μ=1 ix=0.0233m L=1m

λ=μ*L/iX=1/0.0233=43，查得？准=0.91

σ=118.8（MPa）<[σ]* ？准=140*0.91=127.4（MPa），安全。

2.4.5 主梁校核

主梁由4根[36a型槽钢局部加强组成，每两根为一组。其截面参数：

不加强处：IX=238*10-6m4，S腹=57.6*10-4 （m2）；

加强处：WX=2020*10-6m3，S=166.6*10-4（m2）， S腹=57.6*10-4

受力简图见图5。

P1=400（kN） P2=650（kN） P3=899+10=909（kN）

P4=400*4500/（4850+4350+2850）=149.4（kN）

RA=P1+P3+3*P4-2*P2Sin43.7562°

=400+909+3*149.4-2*650*Sin43.7562°=857（kN）

MB=P1*0.5=200（kN·m）

MC=P4*（0.35+0.85）=149.4*（0.35+0.85）=179.3（kN·m）

Mmax=MB=200（kN·m），Qmax=P1=400（kN）

σwmax=200*10-3/（2020*10-6）=99（MPa）

σYmax=650*COS43.7562°*10-3/（166.6*10-4）=28.2（MPa）

σmax=σwmax+σYmax=99+28.2=127.2<140（MPa）。

τmax=400*10-3/（57.6*10-4）=69.4（MPa）<[τ]=75（MPa），安全

3 挂篮施工注意事项

本挂篮行走采用整体前移，逐步向前增加锚固的方法，在前移锚固时，松开后端两锚固位应严防主桁前倾失稳，且严禁在6级及以上风力下移篮作业，在新浇筑的梁段强度未达到设计值时严禁移篮，并应严格遵守挂篮施工有关作业规范。

4 结语

本挂篮设计过程中，通过对各构件的受力分析，建立了适用簡化的理论计算模型，满足了施工过程受力和变形要求，解决了总体强度、刚度及稳定性问题。经施工实际应用，完全达到预定的设计效果，施工安全有效。

参考文献：

[1]GB50017-2014，钢结构设计规范[S].

[2]江门市省道连接线礼东大桥新建工程两阶段施工图.

[3]机械设计手册[M].化学工业出版社，1994.