行走状态挂篮风荷载稳定性计算——以孟家沟大桥为例

金安迪

（甘肃路桥建设集团有限公司，甘肃 兰州 730000）

1 工程概况及施工工艺简介

G309 线孟家沟大桥位于甘肃省兰州市，结合测量结果来看，该桥梁的总长度为317m，桥跨布置为1×30m 简支小箱梁+（65+120+65）m 悬浇预应力箱梁+1×30m 简支小箱梁。下部结构为柱式墩、格构墩、凳式台、钻孔灌注桩基础。

该桥梁就是使用了悬臂施工技术，在现场利用挂篮完成对混凝土的浇筑操作，实际施工便利性相对较高。注意在具体施工时要先做好悬臂安装工作，确定施工位置，并应当展开对现场安全隐患的排查工作。施工人员应了解挂篮的组成结构，根据不同构件的形状、位置，来确定在使用挂篮时，相关风荷载计算工作的侧重点[1]。（图1）

图1 孟家沟大桥悬臂挂篮浇筑示意图

2 挂篮行走状态下最不利条件确定

对于纵桥向，其迎风面积明显小于横桥向，故不进行考虑。

而从横桥向方面来看，受风面主要为模板，要考虑到风力、风向会对挂篮稳定性产生的影响。一般风荷载问题主要会作用在主桁架上，如果整体的悬臂装置体型较大，为保证连续、顺利的完成桥梁建设任务，必须要在前期设计施工图纸、拟定施工计划时，对风荷载的作用力进行准确计算[2]。

当施工人员开始移动挂篮时，应当根据悬臂结构的特点，考虑挂篮自重会对悬臂承载力产生的影响，还要关注模板的自重大小。一般来说，前上横梁受力源自于底模模板自重。故在考虑最不利情况时，应选择模板自重最大梁段进行计算，根据孟家沟大桥设计图纸，2 号梁段模板自重最大，应当重点针对这个位置计算挂篮的空载和满载数据，以此来保证移动过程中挂篮的稳定性和安全性。（表1）

表1 孟家沟大桥箱梁设计参数表

3 横向风荷载计算方法确定

在目前山区桥梁的研究中，风荷载作用主要以《公路桥梁设计通用规范》JTG D60-2004)[3]和《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）[4]相关条款规定为计算依据。

如果是在山区地段进行桥梁施工建设，会由于周围没有高大建筑物的遮挡，受到风力的影响比较大。所以，使用悬臂技术时，必须要侧重于展开风荷载计算。

《公路桥梁设计通用规范》取值：Fwh=K0K1K3WdAwh

Fwh：横桥向风荷载标准值；K0：设计风速重现期转化系数；

K1：风的阴力；K3：地理环境因素；Wd：设计基准风压；Awh：横向迎风面积。

《建筑结构荷载规范》取值：Wk=βzμsμzWo

Wk：标准荷载参数；βz：高度z 处风振系数；μs：风荷载体型；μz：风压高度变化；Wo：风压。

在展开数值计算工作时，应参照国家相关管理规定，通常可以使用的参考规范有两种，分别是：《公路桥梁设计通用规范》以及《建筑结构荷载规范》[5]。在本次计算中，为得到最保守取值，选用系数更大的《公路桥梁设计通用规范》进行计算。

4 计算过程

根据《公路桥梁设计通用规范》4.3.7 条规定：横桥向风荷载其标准值Fwh=K0K1K3WdAwh

4.1 K0- 设计风速转换系数

对于施工架设期桥梁，K0=0.75。

4.2 K1- 风载阴力系数

如果选择建设实腹桥梁，则桥梁上部所受风荷载的数值计算方式如下：

式中B- 桥梁宽度（m）；

H- 梁高（m）。

4.3 K3- 地形、地理条件系数

根据地形、地理条件系数取值表，综合孟家沟大桥实际地理条件，取峡谷口、山口K3=1.2。（表2）

表2 地形、地理条件系数表

4.4 Wd- 设计基准风压

4.4.1γ- 空气重力密度

γ=0.01207e-0.0001z

式中z 为距地面或水平面的高度。考虑孟家沟大桥最大墩高及2 号梁段模板高度，取z=65m（墩高54m，梁高7m）。

则，γ=0.01207e-0.0001×65=0.0119KN/m3。

4.4.2 Vd- 高度z 处的设计基准风速

Vd=K2K5V10

K2为考虑地面粗糙度类别和梯度风的风速高度变化修正系数，根据地表粗糙类别表及风速高度变化修正系数表，孟家沟大桥地表粗糙类别为B 级（田野、乡村、丛林及低层建筑物稀少地区），离地面或水平高度取70m，对应风速高度变化修正系数K2=1.36。（表3、4）

表3 地表分类表

K5为阵风风速系数，对B 类地表，K5=1.38。

V10指的是基础风速（m/s），在理想状态下，应当按照自然风经过平坦、开阔地面的速度来计算。不同风速对悬臂施工的影响力不同，应统计当地近年来10min 内平均最大风速，结合相关规范完成计算后可以发现，兰州地区V10=19.5。（表5）

表5 基本风速和风压取值表

则，Vd=K2K5V10=1.36×1.38×19.5=36.598m/s。

4.4.3 g- 重力加速度

4.5 Awh- 横向迎风面积

移动挂篮时，还要重点计算迎风面积。以横向风为例，在计算时，要考虑挂篮结构、混凝土结构以及模板的迎风面积大小。模板面积取最大梁段处（2 号块） 模板面积=B·H=7.33×3=22m2，桁架面积以最保守4m2估算取值，则横桥向迎风面积=4+22=24m2。

根据上述计算，可得在最不利状态下孟家沟大桥挂篮行走横向标准风荷载为：

Fwh=K0K1K3WdAwh=0.75×1.856×1.2×0.8123×24=32.56KN

5 挂篮受力分析

挂篮横向转动的力矩由风荷载提供，大小为上述计算出的标准风荷载值，此荷载作用在挂篮上的力臂距离为前上横梁距主桁架支点处的距离。本桥最大节段长度为3m，使用的挂篮其前上横梁距主桁架支点处的距离按2 倍节段宽度，即6m 考虑。

风荷载通常会先将风压施加给悬臂模板，再对挂篮和梁体结构产生作用力。施工人员要调控模板尺寸和需要浇筑的梁段尺寸，以避免在风荷载的作用下，导致整体结构的稳定性受到不良影响。（图2）

图2 菱形挂篮主桁架示意图

表4 风速高度变化修正系数表

故风荷载对挂篮支点的力矩为：

6 结论

挂篮抵抗横向转动的力矩主要由主桁架后支点反扣轮和前支点横向抗滑移槽钢提供。考虑挂篮抗倾覆系数至少取值为2，在孟家沟大桥悬臂梁浇筑施工时，应确保安装的挂篮其反扣轮剪力与横向抗滑移槽钢提供的力矩至少为195.36KN·m 以上，才能保证行走需要。若遇多年不遇大风，则应待大风过后进行行走。