大桥悬臂施工挂篮设计与验算研究

2023-01-28何俊

四川水泥 2023年1期

关键词：挂篮构架悬臂

何俊

（华亭市交通运输局，甘肃华亭 741000）

0 引言

随着我国交通基础设施建设力度加大，桥梁施工技术水平日益成熟，桥梁悬臂因独有的施工特点，在跨越河流的桥梁中具有明显的应用优势[1]。本文以某特大桥为例，介绍悬臂施工挂篮设计方案，通过工程实例验算，为不同跨径的桥梁悬臂施工提供参考。

1 工程概况

某特大桥主桥结构形式为主跨150m变截面预应力混凝土矮塔斜拉桥，跨径组成为（85+150+85）m，边中跨比为0.567，桥墩梁高5.5m，端部和跨中梁高3.2m，箱梁高度变化按照1.6次抛物线设计。横断面为单箱五室斜腹板箱梁。

主桥上部结构采用对称悬臂浇筑施工，主梁每个单“T”划分为20个梁段，其中0号、1号、1′号梁段共长为13.0m，在墩顶托架上现浇施工，2~7号块长3.0m，8~17号块长3.75m，18~20号块长4.0m，边跨支架现浇段长8.84m，边跨合拢段长2m，中跨合拢段长2m。箱梁施工采用挂篮悬臂现浇，梁段最大重量为525.8t。本文选取8#梁段，混凝土浇筑，梁段长度较长，混凝土重量最大。

挂篮结构计算模型如1所示，包括主桁架、前上横梁、立柱间横向连接系、内外滑梁底篮等承重系统[2]。

2 挂篮8#节段浇筑强度、刚度验算

2.1 荷载计算[3-4]

2.1.1 翼板荷载

（1）翼板处混凝土自重荷载：2.16×1.0×26.5÷( 1.0×4.65)=12.3kN/m2

（2）考虑超灌，系数取值1.05，腹板部位混凝土分布荷载：p11=12.3×1.05=12.9kN/m2

（3）模板荷载计算：p12=1.0×(2.65+2.03)×1.5÷(1.0×4.65)=1.74kN/m2

（4）人工和设备荷载：P13=2.5kN/m2

翼板下荷载效应的基本组合值为：p1=1.2×（p11+p12）+1.4×p13=1.2×（12.3+3.87）+1.4×2.5=22.9kN/m2

2.1.2 边腹板部位荷载计算

（1）边腹板混凝土自重荷载：2.21×1.0×26.5÷( 1.0×1.0)=58.6kN/m2，考虑超灌，系数取值1.05，则腹板部位混凝土荷载：p21=58.6×1.05=61.5kN/m2

（2）模板分布荷载计算：P22=1.0×( 2.36+0.8)×1.5÷( 1.0×1.0)=4.74kN/m2

（3）人工和设备荷载：P23=2.5kN/m2

边腹板下荷载效应基本组合值为：p2=1.2×(p21+p22)+1.4×p23=1.2×( 61.5+4.74)+1.4×2.5=83.0kN/m2

2.1.3 中腹板部位荷载

（1）中腹板混凝土自重荷载：3.13×1.0×26.5÷( 1.0×1.9)=43.65kN/m2。考虑超灌，系数取值1.05，则腹板部位混凝土分布荷载：p31=43.65×1.05=45.8kN/m2

（2）模板分布荷载：p32=1.0×( 2.36+0.8)×2×1.5÷( 1.0×1.0)=9.48kN/m2

（3）人工和设备荷载：p33=2.5kN/m2

中腹板下荷载效应的基本组合值为：p3=1.2×(p31+p32)+1.4×p33=1.2×( 45.8+9.48)+1.4×2.5=69.8kN/m2

2.1.4 底板部位荷载计算

（1）底板混凝土自重荷载计算：2.47×1.0×26.5÷( 1.0×3.5)=18.7kN/m2

考虑超灌，系数取值1.05，则腹板部位混凝土分布荷载：p41=18.7×1.05=19.6kN/m2

（2）模板分布荷载：p42=1.0×( 3.5+3.5)×1.5÷( 1.0×3.5)=3.0kN/m2

（3）人工和设备荷载：p43=2.5kN/m2

底板下荷载效应的基本组合值为：p4=1.2×(p41+p42)+1.4×p43=1.2×( 19.6+3)+1.4×2.5=30.6kN/m2

2.1.5 顶板部位荷载计算

（1）顶板混凝土自重荷载计算

3.23×1.0×26.5÷( 1.0×6.2)=13.8kN/m2

考虑混凝土超灌，系数取1.05，则腹板部位混凝土分布荷载：p51=13.8×1.05=14.5kN/m2

（2）模板分布荷载

p52=1.0×( 1.8+2.4+1.8)×1.5÷( 1.0×6.2)=1.45kN/m2

（3）设备及人工荷载：p53=2.5kN/m2

顶板下荷载效应的基本组合值为：p5=1.2×(p51+p52)+1.4×p53=1.2×( 14.5+1.45)+1.4×2.5=22.6kN/m2

翼板下外滑梁所受均布荷载为：q=22.9×1.0=22.9kN/m2

边腹板下底纵梁所受均布荷载为：q=83.0×0.5=41.5kN/m2

中腹板下底纵梁所受均布荷载为：q=69.8×0.5=34.9kN/m2

底板下底纵梁所受均布荷载为：q=30.6×0.9=27.5kN/m2

顶板下内滑梁所受均布荷载为：q=22.6×1.75=39.6kN/m2

2.2 主构架验算

主构架前端变形图如图2所示。由图2可知，主构架最大变形13.2mm＜20mm，满足施工要求。

图2 主构架前端变形图（单位：mm）

2.3 前上横梁验算

前上横梁应力如图3所示。由图3可知最大组合应力为：34.4MPa＜215MPa，满足强度要求。前上横梁挠度如图4所示。由图4可知，最大变形为：14.2mm＜6550/400=16.4mm，满足刚度要求。

图3 8#块前上横梁应力（单位：MPa）

图4 8#块前上横梁挠度（单位：mm）

2.4 底托系统验算

底托系统应力如图5所示。最大组合应力为：170.6MPa＜215MPa，满足强度要求。底托系统挠度如图6所示，最大变形为：3.0mm＜5300/400=13.25mm，满足刚度要求。

图5 8#块底托系统应力（单位：MPa）

图6 8#块底托系统挠度（单位：mm）

2.5 滑梁验算

内外滑梁应力如图7所示，最大组合应力为：113.4MPa＜215MPa，强度满足规范要求；内外滑梁挠度如图8所示，最大变形为：12.6mm＜5300/400=13.25mm，刚度满足规范要求。

图7 8#块内外滑梁应力（单位：MPa）

图8 8#块内外滑梁挠度（单位：mm）

2.6 吊杆验算

吊杆应力如图9所示，由图9可知，最大应力为：536.2MPa＜700MPa，满足强度要求。

图9 8#块吊杆应力（单位：MPa）

2.7 横联验算

横联应力如图10所示，由图10可知，最大组合应力为：18.3MPa＜215MPa，满足强度要求；横联挠度如图11所示，最大变形为：0.1mm＜1375/400=3.4mm，满足刚度要求。

图1 挂篮结构计算模型

图10 8#块横联应力（单位：MPa）

图11 8#块横联挠度（单位：mm）

2.8 主构架内力与支点反力

主构架内力和支点反力分别见图12、图13所示。

图13 8#块主构架支点反力（单位:kN）

3 主构架强度及稳定性验算

3.1 浇筑时主构架杆件强度及稳定性计算

主构架各杆件采用2[36b型钢，截面参数[5]：A=13618mm2，Wx=1406000mm3，I=253034000mm4。

（1）杆件强度计算

上弦杆与后斜杆均为受拉杆件，其中后斜杆轴向拉力最大：N=1009kN；压应力：74.1MPa<[σ]=170MPa

（2）压杆稳定性计算

下弦杆与前斜杆均为受压杆件，其中前斜杆轴向压力最大：N=943kN；

故前斜杆稳定性满足要求。

3.2 浇筑时主构架销轴强度计算

（1）销轴抗弯强度验算

销轴直径80mm,采用40Cr材质；弯矩：M=Fa=×0.015=7.57kN⋅m；压应力150.7MPa<480MPa，满足要求。

（2）销轴抗剪强度验算

（3）节点板销孔承压计算

节点板板厚为20mm，每块节点板单面焊20mm厚补强板，销孔直径D=80mm，压力P=804.5/2=402.25kN；压应力=157.6MPa<300MPa，满足要求。

（4）杆件销孔承压计算

槽钢腹板厚为9mm，槽钢腹板内侧焊20mm厚补强板，销孔直径D=100mm，压力P=1057/2=528.5kN；压应满足要求。

3.3 浇筑时主构架抗倾覆计算

混凝土浇筑时抗倾覆计算：主纵梁后锚在浇筑8#块3.75m节段混凝土时锚力最大，主桁架后锚力P1＝562.7kN，由模型得：倾覆力P=374.4kN；倾覆弯矩M=P×L=374.4×5.3=1984.3kN·m；后锚设置Φ32精轧螺纹筋4根，抗力为P1=4×562.7=2250.8kN；抗倾覆弯矩M1=P1×L1=2250.8×4=9003.2kN·m，抗倾覆系数K=M1/M=4.5>2，设计满足规范要求。