悬臂施工中挂篮结构形式探讨

姚健东 中铁二十四局集团上海铁建工程有限公司

预应力混凝土连续梁是目前我国铁路最常用的跨越既有道路所采取的桥梁形式之一，而挂篮法则是悬臂法现浇预应力混凝土连续梁必用的工艺。可以说一座连续梁的进度、质量、安全很大程度上取决于挂篮施工，挂篮这种设备近年来也越来越受到各方的重视。

1 目前国内挂篮的主要形式

目前挂篮的形式多种多样，以主桁架的不同来区分主要有贝雷梁式挂篮、三角挂篮、菱形挂篮等。以贝雷梁式挂篮为代表的挂篮，与三角挂篮及菱形挂篮有着较大的区别。贝雷梁式挂篮的主桁架采用多组贝雷片拼装而成，贝雷片是一种标准件材料，可以说贝雷梁式挂篮的主桁架是直接采用标准件拼装而成；而三角挂篮、菱形挂篮则是专门设计，采用型钢加工而成的定型架体作为主桁架。从外观上看似乎仅是主桁架上存在差别，实际却在施工上存在极大的不同，目前许多铁路大线都优先推荐采用三角/菱形挂篮，但笔者认为孰优孰劣不可一概而论。下面就两种挂篮（以菱形挂篮为例与贝雷梁式挂篮相比较）不同之处加以对比叙述。

2 菱形挂篮与贝雷梁式挂篮的优缺点对比

下图为新建连镇铁路某工程在选取挂篮时的两种不同形式的挂篮。图1、图2为贝雷梁式挂篮结构图，图1为贝雷梁式挂篮在0#块上拼装以后，进行1#块施工时的工况图，此时左右两副挂篮相连；图2为贝雷梁式挂篮在1#块施工完毕后前行至2#块后的工况图，此时左右两副挂篮分离。

图1 贝雷梁式挂篮1#块施工图

图2 贝雷梁式挂篮2#块施工图

图3、图4为菱形挂篮结构图，图3为菱形挂篮在0#块上拼装以后，进行1#块施工时的工况图，挂篮依靠预埋于梁内的精轧螺纹钢锚固，此时挂篮后导梁未安装，走行时压锚小车置于菱形架内；图4为菱形挂篮在1#块施工完毕后前行至2#块后的工况图，挂篮依靠后锚梁及后锚杆锚固挂篮，此时挂篮后导梁安装完毕，其后各节段走行时压锚小车置于后导梁上。

图3 菱形挂篮1#块施工图

图4 菱形挂篮2#块施工图

2.1 安全性能

工程施工，安全具有一票否决制，首先在安全性能上将两种挂篮进行比较，本处所述安全，仅涉及挂篮本身设计及材料的安全性能。

（1）桁架设计

菱形挂篮是为本榀连续梁专门设计而成的，故菱形挂篮在先天便具有对本榀连续梁施工的适用性，各项指标均在专项设计确定无误后再进行挂篮加工。

贝雷梁式挂篮，主桁架是根据既有的贝雷片的力学性能来设计，设计的主要工作在于增减贝雷梁的组数来控制桁架的挠度，以及调整贝雷梁的纵向位置以保证前后横梁及压锚梁尽量处于贝雷片的竖杆处。这种设计方法虽有设计验算进行复核，但依然是以一定的经验为基础上建立的。第一层经验是贝雷片本身的材料力学性能，第二层经验是由贝雷片所组成的贝雷梁的材料力学性能。

（2）桁架加工

菱形挂篮的主桁架是选用型钢焊接而成，型钢本身的性能易于检测，桁架的质量控制要点在于焊接接缝，焊接接缝本身的质量不易于控制，若有缺陷，则存在极大的安全隐患，必须进行100%无损检测。

贝雷梁式挂篮的主桁架是贝雷片拼装而成，两片贝雷片之间的阴头、阳头采用销子销接，两道贝雷梁之间采用竖向支撑架相连，连接方式亦是销接。故相对菱形挂篮而言，贝雷梁式挂篮的连接更为便捷，且更易于检查。但根据现场经验，此种方法在实际操作中亦存在一些问题，例如一些施工点存在销棒保险卡缺失的通病，这需要有充足的备料及常态检查；而贝雷片在市场上亦存在非国标的材料，一但错用则存在极大的安全隐患。

2.2 空间需求的差别

菱形挂篮一般所需的空间较贝雷梁式挂篮要大，故一些工程在0#块纵向长度不足的情况下，将1#块亦采用支架法施工，来增大挂篮拼装的空间。这种方法无论是在地基处理、还是在支架等方面无疑带来了极大的浪费，一些空间位置受限制的梁体甚至不能够采取此种方法。

贝雷梁式挂篮由于桁架采用贝雷片，故而存在极大的空间弹性，在0#块上拼装挂篮时，可将两侧挂篮桁架相连接为一个整体，这使得贝雷梁式挂篮适用于现有的各种连续梁0#块尺寸。

2.3 挠度的差别

笔者根据实际的两个工程相同跨度（48 m+80 m+48 m）连续梁分别运用菱形挂篮和贝雷梁式挂篮实测挂篮挠度来描述两种挂篮在挠度上的差别。

新建连云港至镇江铁路某（48 m+80 m+48 m）连续梁采用菱形挂篮施工，新建合肥至福州铁路某（48 m+80 m+48 m）连续梁采用贝雷梁式挂篮施工，挂篮预压得到的弹性变形见表1。

表1 两种挂篮得到的弹性变形参数

以上两种梁体各参数相近，且挂篮重量也相近，由以上数据可知，在相同的用钢量下及工况下，菱形挂篮的挠度要远小于贝雷梁式挂篮的挠度，在梁体线型控制方面有较大优势。产生这种结果的主要原因在于主桁架本身的结构设计，以及贝雷梁式挂篮后需接长主桁架用于挂篮走行。

2.4 走行系统的差别

两种挂篮的走行系统的最大区别在于在挂篮走行的过程中，挂篮的传力过程。

（1）一般菱形挂篮与贝雷梁式挂篮的区别

一般的菱形挂篮在走行时的后锚传力过程从桁架开始为：桁架→反扣轮→走行轨→梁体。走行轨受到反扣轮向上的作用力，这便需要一定的构造将走行轨道固定于梁面，且能承受足够的拉力。目前基本均借用连续梁自有的竖向预应力筋作为锚筋，加上垫片与螺帽来固定走行轨。

而贝雷梁式挂篮则是利用既有的后锚作为挂篮走行过程中的锚固，其传力过程从桁架开始为：桁架→后锚梁→后锚杆→梁体。该种方法的传力过程极为清晰，与禁止锚固状态下相比不需要增加任何的孔洞或预埋件。但这种方法亦是建立在一定的经验之上的，挂篮走行过程中，后锚梁与桁架之间为滑动摩擦，该摩擦力会导致后锚梁前移、后锚杆不铅直等问题，需要操作经验丰富的操作手来完成挂篮走行过程。

（2）有后导梁的菱形挂篮

上文已述具有反扣轮的菱形挂篮需要竖向预应力筋来锚固轨道，但并非所有的预应力连续梁均设计有竖向预应力筋，尤其是小跨度的预应力连续梁一般仅有纵向预应力，或纵/横双向预应力。故在此种情况下，需另行埋设较多的高强钢筋来锚固轨道，这样无疑造成极大的浪费。而贝雷梁式挂篮之所以可以直接在走行时借用后锚梁来锚固，是由于贝雷桁架可接长的性质。故一些菱形挂篮在其后增加了后导梁来模拟贝雷梁式挂篮，从而取消了反扣轮，更在其上加以改进新增压锚小车，将滑动摩擦变更为滚动摩擦，将走行时的传力过程由主桁架开始变更为：桁架→后导梁→压锚小车→锚杆→梁体。

这种传力结构解决了菱形挂篮轨道梁需要竖向预应力筋的限制，同时解决了贝雷式挂篮走行时滑动摩擦不容易控制的问题。但在实际施工过程中，该种方法依然存在一定的问题。首先，由于后导梁与主桁架为销接，且后导梁竖向高度较小，故在竖向方向存在一定的变形，在挂篮走行过程中，需对压锚小车进行多次调整。其次，由于加入压锚小车，故每个节段每个桁梁后需另行增加4个预留孔洞穿压锚小车的锚杆，增大了对梁体断面的削弱，同时对后期预留孔位封堵增加了较多的工作。

2.5 再利用的可能性

笔者所参与施工的铁路预应力混凝土连续梁一般每套挂篮介于40 t～60 t之间，以三跨连续梁为例，一片连续梁共需要4套挂篮，即160 t～240 t的钢材。仅以连镇铁路八标三分部为例，便设计有7座预应力连续梁，如果全部投入全新挂篮，则需消耗钢材约1 400 t。挂篮主要结构如果不能够反复利用的话，势必将造成极大的社会资源浪费。

（1）菱形挂篮再利用的条件

由于菱形挂篮是一种针对性设计的挂篮，桁架在加工完毕就已经定型，很难进行改装，从而极大地制约了菱形挂篮的试用条件。

（2）贝雷梁式挂篮再利用的条件

贝雷梁式挂篮主体各构造基本均可以进行再利用，尤其是主桁架的可反复利用，大大降低了挂篮使用的社会成本。但贝雷梁式挂篮的反复利用亦存在一定条件，首先，贝雷片这种材料价格偏高，如果并非长期有相关业务的单位，往往难以维继贝雷片的转运及保管费用。其次，贝雷片需要专业人员进行保养，若使用养护不当，则会造成贝雷片周转次数的降低，甚至存在安全隐患。

2.6 对比总结

从以上几个方面进行对比，可得到表2中的几个结论。

表2 两种挂篮比较

3 挂篮形式的发展展望

工程实践证明，不论是采用菱形挂篮还是贝雷梁式挂篮，均能满足安全施工要求。而就笔者所参与的工程，在满足施工不考虑再利用及竖向预应力筋的情况下，菱形挂篮除安全可靠、有利线型控制外，还具有现场操作空间大、文明施工较易控制等优点。我国铁路预应力连续梁施工，贝雷梁式挂篮这种形式目前逐步被菱形挂篮及三角挂篮所取代。

但笔者认为这种转变过程不是一蹴而就，首先，菱形挂篮走行系统上的问题尚有改进的空间；其次，一些梁体挂篮拼装空间不足的问题还需具体处理；再次，菱形挂篮的再利用问题还需进行更多的研究以避免社会资源的浪费；最后，挂篮形式的变更在默默变更着挂篮施工的形式。

3.1 社会知识的转移

在较多采用贝雷式挂篮的时期，挂篮的核心技术及队伍基本均掌握在工程总承包手中，挂篮的设计基本由总承包的工程师进行设计，施工过程现场具体实施控制主体与执行者亦均由总承包的技术、施工实力来担当。而在较多使用菱形/三角挂篮的今天，挂篮设计是由钢结构公司、设备租赁公司连同有资质的专业公司进行的，这便造成了挂篮设计、挂篮加工同现场施工及管理的分离。而这种分离看似社会分工更加详细，实则在目前状态下会造成操作人员对所使用挂篮不熟悉，管理人员需投入更多的精力去学习、研究新挂篮的问题。

3.2 专业公司的建立

随着我国桥梁事业的蓬勃发展，数不胜数的预应力连续梁的完成，我国挂篮施工亦逐步趋向于专业队伍对口专门挂篮。挂篮的操作人员必须由有经验的工人担当，且由于每种挂篮的某些性能基本均存在或多或少的差别，故若非操作过相同挂篮的人员，一般不予采用。这是我国桥梁事业大发展所产生的结果，众多有经验的操作人员在施工现场被培养而生。也正是有着庞大的市场需求，专业的挂篮公司也在孕育，集设计、加工、租赁、技术指导等为一体，在未来挂篮施工能否作为进行专业分包也值得探讨。

4 结束语

由贝雷梁式挂篮向菱形挂篮、三角挂篮的变更，是社会大生产的结果，也是施工单位综合能力提升的结果，同是也是监管单位对安全文明施工提出更高要求的结果，但如何渡过这个过渡时期依然有着深层的研究意义。