连续刚构桥菱形挂篮设计

余云芳，余涛

（1.江西省天驰高速科技发展有限公司，江西 南昌 330000；2.江西际洲建设工程质量检测有限公司，江西 上饶 334000）

0 引言

连续刚构桥具有墩梁固结、梁体连续等结构优势，并充分利用高墩柔度适应结构预应力变化、混凝土温度变化及收缩徐变等所造成的位移。随着桥梁设计软件的升级及桥梁设计施工经验的不断丰富，预应力连续刚构桥跨径也持续增大，这种桥型在工程实践中的应用也日益广泛。悬臂浇筑施工技术自20世纪80年代引入我国以来，已经成为大中跨度桥梁常用的施工技术，但挂篮悬臂施工在梁面宽度20m及以上的连续刚构桥方面的应用较为少见，桥面宽度的增加必将增大挂篮设计及施工难度，尤其是挂篮下横梁设计难度，如果采用常规的挂篮设计思路，后下跨梁跨度增大后所对应的后下横梁刚度会更大，不利于箱梁线形控制。为此，连续刚构桥挂篮设计便成为解决问题的关键。

1 工程概况

某高速公路桩号K411+127处特大桥按照三向预应力混凝土连续刚构桥设计，桥梁长345m，且位于半径260.06m和276.85m的小半径曲线上。箱梁为单箱单室，且顶面横坡和路线横坡吻合，底板平行于顶板，两侧腹板高度一致，使得箱梁在曲线上呈现出平行四边形截面，随着桥面横坡的变动，腹板和顶底板夹角随之改变。箱梁顶底面宽22.5m和11.5m，根部及跨中梁高7.5m和3.0m，梁底下缘呈二次抛物线的变化形式。该连续刚构桥面宽及底宽较大，如果采用常规的挂篮形式及设计方法，必将增大挂篮下横梁跨度及相应的结构自重和刚度。梁面横坡的增大必将增加梁面高差，同时也增大了设计难度[1]。

2 挂篮构造

考虑到该预应力混凝土连续刚构桥结构的特殊性，故对挂篮也提出了较高要求：挂篮结构必须能够在曲线上行走，以适应桥面横坡变化的需要；挂篮模板必须能灵活调整，以满足标高变化及腹板和顶底板夹角的变化要求。按照以上要求对挂篮结构进行设计，具体见图1。挂篮结构包括主承重桁架、底模平台、上吊杆横梁、顶模悬吊分配梁、模板系统及纵向移动系统等部分。单个挂篮结构设计重量为70.2t，其中模板系统和支承系统各自的重量分别为24.6t和45.6t；最大浇筑段重量为212t。

图1 菱形挂篮整体布置

2.1 主承重桁架系统

该连续刚构桥挂篮结构中主承重桁架设计为平行四边形，并在各个挂篮横向箱梁梁肋处设置2片桁架片，考虑到最大桥面横坡取7.0%，2片桁架片之间的距离为11.0m，高差较大。为保证主承重桁架系统能满足桥面横坡变化方面的要求，并克服弯道上两片主桥前移距离方面的差异，在2片桁架片之间并不设置横向联系，以保证桁架片不受任何约束的情况下较好适应桥面横向高差变化方面的要求；并通过主承重桁架间距的调整适应箱梁宽度的变化。然而，不设置横向连接系的桁架片并不稳定，为此，还应在主桁架立杆上增设斜向辅助支撑，并借助后行走反扣和前角钢反扣将主桁架卡固在滑行轨道结构上，再通过f32mm精轧螺纹钢竖向预应力筋与压板配合的方式固定轨道。考虑到安装和拆卸的便捷性，应通过2根槽钢将主桁架片杆件均焊接成组合梁形式，前支撑和下纵梁、立杆、上纵梁和后斜拉杆等分别采用Ⅰ40a、Ⅰ32a和Ⅰ36b工字钢，并通过钢销连接各杆件。以∠100×10等边角钢设置辅助支撑，并通过钢板与螺栓将辅助支撑和立杆、下纵梁牢固连接。通过以上方式所设计出的挂篮结构受力明确，作业空间更为广阔。

主桁锚固通过箱梁竖向预应力筋完成，由于精轧螺杆钢具有一定的脆性，为此必须在设计环节充分考虑安全度，通过YGL连接器将主桁架尾部箱梁竖向预应力筋接长，并借助压板和千斤顶锚固，保证锚压力直接作用于纵梁顶面，锚固合力则作用于主桁架后销节点四周30cm区域内。

2.2 底模平台

该连续刚构桥菱形挂篮的底模平台主要包括横纵梁、背销横梁、吊杆及平台模板等部分。其中前后横梁的主支承结构为吊杆，纵梁则以前后横梁为支承，纵梁上支承背销梁，背销梁上再支承底模平台。通过Ⅰ45b工字钢将前后横梁牢固栓接并构成组合式断面结构；底平台上分别设置10根纵梁，并通过槽钢将纵梁栓接成组合梁形式。将2根f72mm钢吊杆和2根f56mm钢吊杆分别设置在前横梁上；后横梁上未浇筑横隔板及浇筑横隔板的节段分别设置4根f72mm钢吊杆和6根f72mm钢吊杆，并将长度为1m的杂木垫纵向安装在底板上，起到分散吊杆应力的作用。

2.3 上吊杆横梁

在主承重桁架前部设置上吊杆横梁，主要起到支承及锚固底模平台和顶模悬吊分配梁前吊杆的作用，并借助Ⅰ50b工字钢将其整个栓接为组合梁形式。考虑到该连续刚构桥面横坡存在一定程度的变化，故应借助铰座和销钢牢固连接上吊杆横梁和主桁架，并在铰座上按照设计要求打设椭圆形销孔，以满足吊杆横梁长度变化的需要。

2.4 顶模悬吊分配梁

该分配梁的主要作用除支承内外模板外，还用于挂篮行走过程中底平台的支承梁，该分配梁前后端分别支承在上吊杆横梁和箱梁顶板上。在其翼缘板上分别设置1根Ⅰ40b和Ⅰ50b工字钢滑梁，主要作为模板支承及后吊点支承。将1根Ⅰ40b工字钢滑梁和2根32a槽钢吊梁设置在内模结构中，起到支承顶模板的作用，在挂篮行走过程中将2根32a槽钢吊梁结构撤除后仅剩下1根Ⅰ40b工字钢滑梁支承顶模板向前移动。

2.5 吊杆

该连续刚构桥所设置的吊杆包括钢板吊带、钢吊杆和f32mm精轧螺纹钢吊杆3种。为降低滑梁行走过程中所承受的摩擦力，必须在全部滑梁后支承上增设钢板吊带，并将滚轮设置在吊带下方以支承滑梁。底模平台、滑梁前吊点和内滑梁前吊点等均通过钢吊杆悬吊，故钢吊杆设计时必须充分考虑支承结构重量、所对应的拉应力以及挂篮行走过程中所产生的水平摩擦力、吊杆下端产生的弯应力[2]。由于f32mm精轧螺纹钢具有很大的脆性，故f32mm精轧螺纹钢吊杆只在顶模吊梁前后吊点和外滑梁前吊点处使用[3]。

2.6 纵向移动系统

在该连续刚构桥各片主桁架前支点下方增设钢板，并将1块厚度为10mm的四氟乙烯橡胶滑块增设在钢板下方，进而构成纵向移动系统。滑道由20mm厚、240mm高的钢板焊接而成，为降低摩擦阻力，通过砂轮将其顶面打磨平整，借助压板与竖向预应力筋锚固滑道。借助滑车组和四套手拉葫芦实现主承重桁架的牵引行走，进而在吊杆滑梁的带动下使底平台和悬吊分配梁、内外模板等均顺利前移。菱形挂篮后端则在反扣轮的带动下沿着轨道滚动，起到全过程重量平衡的作用。为避免主桁架运行在弯道的过程中和轨道卡死，必须在后走行反扣轮、前限位角钢和滑轮外侧设置一定间隙，具体宽度通过计算得出。

2.7 模板系统

该连续刚构桥菱形挂篮底模板采用厚度为5mm钢板，通过点焊方式与背销横梁固定；其余模板所用材料与底模板一致。挂篮结构中的主副背销分别采用槽钢和∠75×8的角钢材料，并在设置过程中交叉形成网格状，将交叉处焊接牢固。考虑到桥面横坡不同所导致的翼缘板和腹板相交角度的变化，必须通过铰接方式连接翼缘板和腹板交叉部位。腹板外模按照不同形式组合后形成4m、6m及8m的不同高度，超出部分则悬吊在底平台外侧。

通过设置在外侧的2根滑梁支承翼缘板和腹板外模，同时借助2根滑梁和2根悬吊梁支承顶模，从而简化翼缘板模和顶模支承架，减小模板系统的实际重量。

3 挂篮行走

按照设计，该连续刚构桥菱形挂篮滑梁和吊带滚轮之间的摩擦力并不大，为克服滑梁和滚轮之间的摩擦力，只需要将前吊杆偏移量确定在5.6cm即可，并直接借助主桁架前吊杆的带动，实现内外模板和底模平台前移。待完成梁段预应力张拉后将内外模板支承纵梁和底模平台放松，借助15t滑车和钢绳将底模平台后横梁挂在滑梁上收紧，再解除顶底板非滑梁吊杆。全面检查走形状态结束后的钢轨压板和反扣轮，完全满足受力要求后将主桁架后锚撤除。此后2片主桁架在4套5t倒链滑车的牵引下均匀慢速前移，与此同时底模平台和模板也在前吊杆、滑梁等的带动下向前滑移。待主桁架、底模平台和内外模板等结构均滑移到位后将主桁后锚锚固好，再按照设计标高将底模平台和内外模板提升，此后安装滑行吊带和后吊杆，并将前段滑行吊带及钢绳等全部撤除，使菱形挂篮重新回到初始状态。

4 挂篮加载试验及受力验算

4.1 加载试验

考虑到挂篮结构的安全稳定性，必须在消除非弹性变形的基础上得到结构荷载和挂篮结构变形的相关关系，并在挂篮结构试压后对其受力吨位和受力位置展开模拟。考虑到袋装砂预压对密封性要求不高，且经济性较好，故该刚构桥菱形挂篮采用袋装砂预压方式。试压时按照压载总量的20%、40%、60%、80%、100%及120%等六个级次逐级加载并一次卸压，进行各级荷载所对应挠度的测定。结合所得到的挠度值，绘制挂篮载重弹性变形曲线。根据挂篮载重弹性变形曲线，挂篮各测点弹性变形值和试验荷载大致呈线性关系，表明各构件工作过程中均未超出材料线弹性范围，且不同荷载下测点的弹性变形值均小于设计值，挂篮结构载重系数取值均合理。

4.2 受力验算

挂篮强度计算时，以挂篮结构自重和浇筑段混凝土为静态荷载，同时考虑1.2倍的动力附加荷载和1.0kPa的施工荷载。分别计算相应节段中重量最大的7#浇筑段和12#浇筑段混凝土重量，再按照各单元内力最大值进行控制。在计算挂篮刚度时，以挂篮结构自重和浇筑段混凝土为主要荷载形式，并考虑1.0kPa的施工荷载，此外的浇筑段混凝土重量同样分7#浇筑段和12#浇筑段计算。挂篮行走时，以挂篮结构自重和1.3倍的行走冲击系数进行荷载确定，同时考虑各单元内力最大值后选择最不利工况进行设计。

应用空间杆系结构和SAP84有限元分析软件进行挂篮结构稳定性分析，将菱形挂篮视为空间杆系结构，借助吊杆将底模平台前横梁支承在吊杆横梁上，应用空间杆系结构进行结构稳定性分析，更能体现出结构内力及变形状况。此外，计算挂篮行走期间后走行反扣轮、滑轨顶板及锚固结构等的稳定性以及牵引力状态。

5 结语

综上所述，连续刚构桥菱形挂篮结构因取消了平衡重结构，尾部锚固主要使用的是高强钢筋，大大增强了结构安全性。该连续刚构桥施工过程从2020年8月开始，到次年5月中旬完成悬臂浇筑，且梁体线形等指标均符合规范；菱形挂篮结构轻便、刚度好，行走稳定，标高调整灵活方便；前端具有较大的施工空间，施工过程干扰小；挂篮施工线性控制好，合龙精度高，一次投入可多次周转使用，经济效益和社会效益十分显著。