宽幅大悬臂挂篮变形控制技术研究

程刚杰 王 庆

（中交一公局第八工程有限公司，天津 300000）

0 引言

挂篮施工是悬臂浇筑法施工中的一种主要施工方法，在大跨度桥梁建设中都有很重要的应用。与其他方法相比，具有结构轻、安装简单方便和无压重等优点，使得全部安装精度均满足设计要求，节约了人力、物力、财力。挂篮按结构形式可分为桁架式（包括菱形、三角形、弓弦式等）、斜拉式（包括三角斜拉式和预应力斜拉式）、型钢式及混合式4种[1]。本文对挂篮杆件的变形控制进行研究，该项研究将会更好地提升挂篮施工技术的实践水平，从而优化大跨度桥梁施工的整体效果，为以后相关的工程提供一些指导性建议。

1 挂篮工程概况

龙溪嘉陵江特大桥桥面宽度为21.5m，施工过程中块段长度为3m、4m和5m，箱梁翼缘板至腹板距离为4m，是一种宽幅大悬臂结构。本桥挂篮为菱形挂篮，菱形架采用双[40普通热轧槽钢组焊，菱形架上弦杆与前斜杆采用双[36普通热轧槽钢加封板组焊，前上横梁采用双I60H型钢组焊，前后托梁均采用双I40工字钢组焊，中门架由120mm×120mm方管与120mm×60mm方管组焊，底纵梁采用I36工字钢，外导梁采用双[40普通热轧槽钢组焊，内导梁采用双[40普通热轧槽钢组焊，行走导梁采用双[36普通热轧槽钢组焊，吊杆采用SB930Φ32精轧螺纹钢，吊带采用Q345扁钢。

主桁系统挂篮菱形架由5根杆件与4组节点向组成，上弦杆长度为6.0m，下弦杆长度为3.7m，竖杆长度为4.105m，前斜杆长度为7.27m，后斜杆长度为5.87m。

单片菱形架设置3根后锚梁，6根后锚吊杆，后锚吊杆通过梁体预留孔锚固在翼缘和顶板上。行走系统包含钢枕、轨道、附件、液压泵站、液压油顶等部件，行走轨道通过预埋Φ32精轧螺纹钢与梁体锚固。

挂篮吊挂采用精轧螺纹钢和扁钢2种形式，其中，靠近腹板两侧的吊挂采用规格25×180mm的吊带，材质为Q345，其余包括前长吊杆、导梁前吊杆、外侧后吊杆、后长吊杆等均采用PSB830的Φ32mm的精轧螺纹钢吊杆。

作用于挂篮主桁的荷载如下：（1）混凝土荷载，重量为369.2t；（2）混凝土偏载，箱梁两侧腹板浇筑最大偏差取10t；（3）挂篮自重；（4）模板自重；（5）施工机具及人群荷载，取2.5kN/m2；（6）倾倒和振捣混凝土荷载，取4.0kN/m2；（7）风荷载。

2 挂篮主桁系统变形及挠度控制因素分析

挂篮主桁系统变形如图1所示，受力前为实线，受力后变形成虚线。

图1 挂篮主桁变形示意图

根据三角形变形规律及定律，挠度δ可按下式计算。

式中：a、b、c、d、e分别为下弦杆、后斜杆、竖杆、上弦杆、前斜杆长度；

△a、△b、△c、△d、△e分别为受力后下弦杆、后斜杆、竖杆、上弦杆、前斜杆变形量；

α、β分别为变形后竖杆与上弦杆、竖杆与下弦杆夹角。

杆件变形量根据胡克定律可按下式计算。

式中：Na、Nb、Nc、Nd、Ne分别为下弦杆、后斜杆、竖杆、上弦杆、前斜杆内力；

Aa、Ab、Ac、Ad、Ae分别为下弦杆、后斜杆、竖杆、上弦杆、前斜杆面积；

E为钢材弹性模量。

根据三角形力的平衡原则，各杆件内力可按下式计算。

挂篮桁架杆件的几何参数如表1所示，外力P=969.2kN时，根据上述公式得出的杆件内力如表2所示，角度和挠度的计算结果如表3所示，角度α引起的挠度为5.2mm，角度β引起的挠度为10.2mm，总挠度为17.0mm。

表1 挂篮主桁杆件几何参数

表2 挂篮主桁杆件内力及变形量

为考察总挠度中各杆件的所占比例，对如表4所示的5个工况进行分析。每个工况中只有一个杆件单位变形量的变形，其他杆件为零。计算结果如表5所示，在只改变上弦杆单位变形量的工况下得出总挠度为1.46，在只改变前斜杆单位变形量的工况下得出总挠度为1.77，在只改变竖杆单位变形量的工况下得出总挠度为1.43，在只改变后斜杆单位变形量的工况下得出总挠度为2.04，在只改变下弦杆单位变形量的工况下得出总挠度为1.46，总体挠度的变化范围在1.43～2.04，各个工况之间差距不大，说明通过加强某一个杆件减少挠度效果有限[2]。

表4 各计算工况杆件单位变形量 mm

表5 各杆件角度及挠度计算结果

3 挂篮有限元分析

挂篮有限元分析[3]计算模型如图2所示，共有878个节点和1163个单元。其中，挂篮主桁、门架系统、后锚梁、导梁、托梁、上横梁、精轧螺纹钢采用梁单元，下模板采用板单元，如图2所示。

图2 计算模型图

钢材弹性模量取2.00E5MPa，泊松比取0.3，加载方法为挂篮自重程序自动考虑，模板荷载采用单元线荷载，顶板混凝土采用单元线荷载，底板混凝土采用面荷载。边界6条件为约束所有吊杆锚固点及挂篮桁架锚固点位移。

基本组合下的挂篮主桁最大挠度为17.1mm，与理论计算值基本完全吻合。

上横梁两侧挠度最大，分别为26.5mm和24.0mm。其中，扣除挂篮主桁变形引起的挠度17.1mm，上横梁自身变形引起的最大挠度为9.4mm，说明横梁刚度偏小，需要加强横梁刚度才能避免挠度对整体结构的影响[4]。

4 挂篮变形控制措施研究

减少挂篮变形方法之一为增加杆件截面面积。当增加杆件面积20%时，挠度减少值计算结果如表6所示，将上弦杆、前斜杆、竖杆、后斜杆、下弦杆的截面面积均增加到原有截面面积的1.2倍，对应的挠度减少的范围只有0.4～0.8mm，效果有限并且各方法之间差距小。

表6 调整杆件面积后减少挠度统计表

改变几何形状也可减少挠度，方法1为减少上弦杆长度0.5mm，方法2为增加竖杆长度0.5m，方法3为增加下弦杆长度0.5m。具体计算结果如表7所示，对应上弦杆的挠度减少量2.9mm，竖杆的挠度减少了1.5mm，下弦杆的挠度减少了0.4mm。由此可以看出变化长度均为500mm情况下方法1最有效，方法3效果最差。但在实际工程中上弦杆需要满足施工需求，调整空间小，方法2加长竖杆长度方法最有效。

表7 调整杆件长度后减少挠度统计表

上横梁局部变形可采用精致螺纹钢斜拉方法进行加强，从而降低杆件的挠度。通过与未加固前上横梁的挠度计算结果对比，最大变形为21.7mm处的位置，加固后减少了4.8mm，这一方法极大地降低了局部位置挠度变形过大，保证上横梁构件整体的线性变化在一个相对稳定的范围内，增加杆件的刚度[5]。

5 结束语

通过对挂篮杆件变形的分析研究得出以下结论：

（1）单一加强一根杆件来降低挠度变化的效果有限，需要杆件之间的组合降低才能达到最优的效果。

（2）通过增加杆件面积方法减少挠度效果有限，并且各杆之间效果差距小。

（3）改变杆件的几何形状分析发现，减少上弦杆长度对控制挠度最有效，但在实际工程中调整空间小，加长竖杆长度最为实际。

（4）上横梁局部变形可采用精致螺纹钢斜拉方法控制。

在后期施工过程中，将这些分析研究应用到了现场实际施工生产中，对挂篮结构的变形控制和结构稳定方面产生了非常好的效果，保证了挂篮的使用寿命和现场的施工安全，达到了研究目标，对相关的宽幅大悬臂挂篮施工具有借鉴意义。