西郊大桥悬臂浇筑施工挂篮优化设计

2021-12-07宋新新吴雨航

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2021年4期

刘伟，宋新新，吴雨航，王斌，吕盟

(1.中建铁投路桥有限公司，湖北武汉 460014;2.石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄 050043)

悬臂浇筑施工具有结构整体性较好、不中断桥下交通、造价低等特点，是连续刚构桥、连续梁桥及斜拉桥中普通施工方法之一[1-3]。挂篮作为悬臂浇筑常用设备，其结构技术已较为成熟[4-5]，但当桥面宽度和横坡较大时，挂篮浇筑过程受力较大、行走难度增加、调坡过程繁琐，对挂篮结构设计提出了更高的要求。许多学者结合具体工程对宽幅桥梁挂篮结构优化设计展开了研究。

张洪斌等[6]通过对某铁路桥挂篮进行理论与试验测试得出结论，挂篮强度设计相对保守，仍有较大优化空间；靳会武等[7]对镇山大桥44 m超宽桥面挂篮施工进行仿真分析，并根据计算结果对挂篮进行了优化；李长坤等[8]提出使用密布吊杆解决某城市宽幅桥梁挂篮前托梁变形较大的问题；吴月星等[9]通过改变挂篮锚吊杆数目和位置，使拱圈节段受力更加合理。以上研究通过建立挂篮有限元模型，对挂篮进行受力分析，并对悬臂浇筑施工方法进行了技术总结，可为宽幅桥梁挂篮设计提供参考，不过仍缺乏对横坡较大的桥梁挂篮施工技术的研究。

目前，挂篮主要依靠支垫钢板的方式进行调坡，该过程材料消耗大、调坡过程繁琐且安全性不高。以西郊大桥为工程背景，提出一种简易的挂篮调坡装置，并对该装置使用方法进行介绍。

1 工程概况

西郊大桥14#～17#墩跨径为47 m+88 m+47 m，如图1所示。上部结构采用直腹板预应力混凝土箱梁，箱梁为单箱三室断面，箱梁顶宽24.5 m，底宽21.5 m，悬臂长1.5 m。合龙段处箱梁中心高度为2.5 m，顶板厚0.3 m，底板厚0.3 m；0#块中心高度为5.5 m，顶板厚0.5 m，底板厚0.8 m。箱梁悬浇段长度3～4 m，中跨合龙段2 m，最重悬浇段为1#块，重约302.12 t，14#～17#墩处于半径为800 m的圆曲线上，横坡较大，达到4%，左右两侧挂篮主构架高差为810 mm。

图1 桥梁立面图(单位：m)

2 菱形挂篮优化设计

西郊大桥横坡较大、桥面较宽且位于曲线上，传统的挂篮较难满足施工要求，具体为：

(1)桥面横坡渐变，由2%逐渐变到4%，挂篮4片主桁始终不在同一高度，施工时，每一节段均需对挂篮主桁进行调坡，调坡过程繁琐。

(2)桥面较宽，采用全幅整体式施工方法，挂篮后托梁长度达到30 m，挂篮在行走工况下自身变形较大。

2.1 挂篮调坡改进设计

采用全液压调节方案，坡度可以随意调整，且安全系数高，不可调节高度的菱形架为基本形式，其位于连续梁梁体高侧，采用轨道、浇筑制作直接支撑即可满足要求；图2为可调节高度菱形架架构，其位于连续梁梁体低侧，通过调节菱形架与滑移支座之间的支座来调节菱形架高度，使菱形架无论梁体坡度如何变化，均可调整为与其他3组菱形架平行，保证受力安全。可调支座分为上支座、下支座和中间集成的自锁式液压千斤顶，如图3所示。液压千斤顶用于调节菱形架的准确高度并自锁，上下支座用于保持调节和浇筑时的稳定性。

图2 自锁式液压顶升装置可调高度菱形架结构

图3 自锁式液压顶升装置示意图

2.2 使用方法

因本桥梁体为单箱三室结构，因此单支挂篮(半套)共设置4片菱形架，其中最高侧2片菱形架采用轨道+高低垫梁+垫片形式调节，低侧2片菱形架采用套筒调节高度。具体包括以下4个步骤：

(1)当挂篮安装到位后，测量0#块或已浇筑混凝土块段的坡度及相应菱形架下梁体标高，计算出最高侧菱形架与其他3片菱形架之间高差。

(2)根据所测数据，采用液压油缸对液压千斤顶进行顶升，顶升到位后即刻停止，泄压后自锁完成。

(3)采用相同方法调节最低侧菱形架高度至指定位置，并完成自锁。

(4)按正常挂篮操作流程调节其他位置标高，准备浇筑。

另外水平稳定器、手动式锁死装置、后部可调伸缩反扣装置，因每片主构架高度均不相同，可采用这种顶升装置，在浇筑混凝土时将主构架调平，达到水平效果。

2.3 挂篮后托梁改进设计

挂篮行走工况下，后托梁锚固全部松开，后托梁变形过大。为减小挂篮行走过程中后托梁变形，采取以下2个措施，如图4所示。

图4 挂篮后视图(单位：cm)

(1)在后托梁底侧增设2道双拼[32#b槽钢，底导梁前端锚固在前托梁上，后端锚固在箱梁底板上。

(2)挂篮行走时将后托梁与导梁使用倒链或螺纹杆连接，减小后托梁变形。

3 挂篮有限元模型

3.1 挂篮构造

考虑西郊大桥第2联小半径(R=800)和大横坡(4%)的特点，在传统菱形挂篮的基础上，降低前吊点高度，采用变异菱形挂篮施工。该挂篮结合菱形挂篮和三角形挂篮优点，加强受力稳定和平衡的同时方便工人操作。挂篮主要构件规格见表1。挂篮整体模型如图5所示。

图5 挂篮三维图

表1 挂篮主要构件规格

3.2 基本设计参数

挂篮主要构件采用Q235和Q345钢材，钢材抗压强度和抗剪强度见表2。计算时，混凝土容重取26 kN/m3，混凝土胀膜等超载系数取1.05；挂篮行走冲击系数取1.3，挂篮抗倾覆系数取2。

表2 材料用表

3.3 荷载工况

分混凝土浇筑和挂篮行走2种对该挂篮进行分析。西郊大桥悬臂浇筑12个节段，其中1#块混凝土体积116.2 m3，梁重为3 021.2 kN，为最重节段，因此选择该节段为最不利浇筑工况。考虑荷载：a为混凝土荷载；b为挂篮自重；c为模板荷载；d为人群及机具荷载；e为振捣和倾倒混凝土荷载;f为护栏荷载；g为挂篮冲击荷载，0.3倍挂篮自重。2种工况下作用在挂篮上的荷载组合如表3所示。

表3 荷载组合

3.4 浇筑工况挂篮检算

采用Midas/Civil建立挂篮有限元模型。模型采用梁单元进行模拟，挂篮主桁前支点约束所有自由度，后支点约束3个线自由度，中门架与主桁之间、底纵梁与前后托梁之间、行走导梁与前后托梁之间均采用刚性连接。计算时荷载以线荷载的形式施加在挂篮内外导梁及底纵梁上。挂篮主桁架、前上横梁及前后托梁为挂篮承重构件，主要对其进行受力分析。

3.4.1 挂篮主桁检算

挂篮主桁主要承受由前上横梁传递的导梁及底篮荷载。挂篮主桁计算结果如图6和图7所示。由图6可知，挂篮最大应力值为158.2 MPa<215 MPa；由图7可知，主桁架最大位移为11 mm，满足文献[10]规定的20 mm限值。

图6 主构架应力云图(单位：MPa)

图7 主构架位移云图(单位：mm)

3.4.2 前上横梁检算

前上横梁主要承受导梁及底篮前吊点传递的荷载。前上横梁计算结果及轴力计算结果如图8～图10所示。由图8可知，前上横梁最大弯曲应力91.8 MPa<215 MPa。由图9可知，前上横梁最大剪应力46.8 MPa<125 MPa。由图10可知，前上横梁跨中最大变形值122.1 mm-110.2 mm=11.9 mm

图8 前上横梁应力云图(单位：MPa)

图9 前上横梁剪力云图(单位：MPa)

图10 前上横梁位移云图(单位：mm)

3.4.3 前后托梁检算

前后托梁主要承受底纵梁前后支点传递的荷载。计算结果如图11～图13所示。由图11可知，前上横梁最大弯曲应力67.5 MPa<215 MPa，由图12可知，前上横梁最大剪应力24.1 MPa<125 MPa，由图13可知，前上横梁最大变形值为14.6-13.38=1.22 mm

图11 前后托梁应力云图(单位：MPa)

图12 前后托梁剪力云图(单位：MPa)

图13 前后托梁位移云图(单位：mm)

3.5 行走工况挂篮检算

挂篮行走时，后托梁锚固在梁底板的精轧螺纹钢全部拆除。挂篮在浇筑工况受力均小于容许应力，在行走工况下，挂篮受力更小，因此重点关注挂篮在此工况下的变形分析。行走工况下挂篮优化前和优化后变形如图14和图15所示。由图14可知，优化前挂篮最大变形值为56.3 mm；由图15可知，优化后挂篮变形值仅为1.9 mm。可见，优化后挂篮可显著减小挂篮变形。

图14 优化前位移云图(单位：mm)

图15 优化后位移云图(单位：mm)

3.6 千斤顶型号选定与连接节点检算

浇筑1#块工况下，挂篮主构架下方支座反力最大，其值为Fz=2 034.1 kN，Fx=1 301.3 kN，Fy值为0，如图16和图17所示。为使自锁式液压千斤顶与现场匹配，未选用市场上已有的千斤顶型号，千斤顶为专业厂家订做，推力设计为260 t，能够承受竖向最大203.41 t的压力，千斤顶本体高度设计为450 mm，满足最小横坡为2%时的调坡高度，千斤顶行程设计为400 mm，能够满足最大横坡为4%时的调坡高度，外径和杆径分别为350 mm和160 mm。