三角挂篮在普通干线公路桥梁建设中的应用分析

时间：2024-05-19

李珑

（滨州市公路事业发展中心，山东滨州 256600）

0 引言

我国从20世纪80年代起开始推广应用挂篮作为悬臂浇筑施工的主要设备，如今我国悬臂浇筑施工中应用的挂篮已不断向高强、轻型、大跨发展，从最初的平行桁架式，发展出菱形、三角形、全锚式等众多形式，日趋多样化，结构更加简便，安装使用更加方便，结构受力更加合理，应用也更加广泛。

虽然各种形式的挂篮大量应用于桥梁工程施工过程中，但现有技术资料大多偏重于前期的设计计算，或是具体的施工过程，很少有结合成桥后桥梁检测以验证挂篮的合理性及可行性，本文以施工方案和相关规范为依据，确定挂篮结构在挂篮预压、混凝土浇筑以及挂篮行走阶段的荷载组合，通过建立有限元模型对三角挂篮在不同工况下各杆件的强度、刚度、稳定性验算，并结合后期大桥荷载试验检测验证分析桥梁承载能力，为项目的顺利实施提供了技术保障，并为类似工程实践提供有益经验。

1 工程背景

K33+126.9徒骇河大桥位于S247乐胡线改建工程新建段，跨越徒骇河，桥梁中心桩号为K33+126.9，桥梁全长667 m，桥梁正交水流方向。主桥桥跨组合为50 m+80 m+50 m，上部结构采用预应力变截面连续箱梁结构。

主桥主要的施工工序，首先采用支架现浇0梁段，然后采用8套挂篮于9、10墩左、右幅同时对称浇筑悬臂梁段。其次利用支架浇筑边跨现浇段，最后采用挂篮浇筑中跨合拢段。

2 挂篮的选择

本桥挂篮选择三角形挂篮。优点是自重较轻，结构简单，行走方便，计算简便。主要由五个系统组成，即主桁、锚固、提吊、行走、模板和张拉作业平台。

3 计算荷载

荷载包括混凝土重量、挂篮自重和施工荷载。

3.1 混凝土重量

梁段混凝土最大重量为1 285 kN（1号节段），悬浇长度为3.5 m。

3.2 挂篮自重

挂篮自重根据实际情况计算得350 kN。挂篮与梁段混凝土重量之比均小于0.5。

3.3 施工荷载

振捣荷载采用4 kN/m；人群和施工荷载可采用2.5 kN/m；基本风压采用W=0.55 kN/m。

3.4 计算模型

本桥挂篮利用有限元法辅助相关专业软件构建结构模型，依据合理的施工方案对其进行工况分析。

4 挂篮预压阶段

4.1 荷载组合

采用的荷载组合及其分项系数见表1。

表1 挂篮预压阶段设计计算荷载效应组合及分项系数

4.2 强度分析

强度计算考虑采用基本组合。由软件分析计算可得，其计算结果见图1所示，构件最大应力为129MPa，小于Q235设计强度215MPa；螺纹吊杆内力最大为353MPa，小于设计强度770MPa，所以构件强度满足规范规定。

图1 挂篮预压应力图

4.3 挠度分析

由软件计算分析，其计算结果见图2所示，在没有安装内外导梁并以1.2倍最大梁段重量进行预压时，下横梁最大竖向挠度为20 mm，满足规范规定。

图2 挂篮预压挠度图

4.4 锚固安全性分析

锚固安全计算采用标准组合。挂篮设计每根主梁上设置两组分配梁，每组分配梁上的后锚上设置4根φ32高强精轧螺纹粗钢筋。

由软件分析，其计算结果见图3所示，后锚抗拔力单根最大为N=215 kN，

图3 挂篮预压后锚应力图

已知φ32钢筋允许轴向拉力为550 kN，并且P=215 kN＜Q=550 kN。

内侧挂篮后锚安全系数为：K=550/215=2.55＞2，符合规范的规定。

所以挂篮后锚在预压阶段安全。

4.5 稳定性验算

依据GB 50017—2017《钢结构设计规范》（以下简称《钢规》）规定，两端简支的箱形截面压弯Q235构件，如果h与b之比小于或等于6时，且l与b之比不超过95时，可以不验算构件的整体稳定性。

5 混凝土浇筑阶段

5.1 荷载组合

采用的荷载组合及其分项系数见表2。

表2 挂篮混凝土浇筑阶段设计计算荷载效应组合及分项系数

5.2 强度验算

强度计算采用基本组合。由软件计算分析，其计算结果见图4所示，钢构件最大应力为126MPa，小于Q235设计强度215MPa；螺纹吊杆内力最大299MPa，小于设计强度770MPa，满足规范规定。

图4 混凝土浇筑应力图

5.3 销钉验算

抗剪计算：连接斜拉带钢销采用40Cr号，钢销直径为60.5cm，根据连接情况可知为双剪，其计算结果见图5所示，故作用在剪切面上的剪力为Q=N/2=836/2=418 kN。

图5 主桁架轴力图（KN）

5.4 锚固性安全验算

由软件分析，其计算结果见图6所示，挂篮后锚单根最大抗拔力N=200 kN。

图6 后锚应力图

已知φ32钢筋允许轴向拉力为550 kN，

并且P=200 kN＜Q=550 kN，

内侧挂篮后锚安全系数为K=550/200=2.7＞2，符合规范的规定。

所以挂篮后锚在混凝土浇筑阶段安全。

5.5 变形验算

挂篮变形验算采用标准组合。由软件计算分析，其计算结果见图7所示，砼浇筑状态下，横梁挠度为19 mm，挂篮前端的挠度（包括吊杆变形）小于20 mm，满足规范规定。

图7 挠度图

5.6 稳定性分析

同上文4.5，依据《钢规》规定，可以不验算构件的整体稳定性。

6 行走阶段

6.1 荷载组合

采用的荷载组合及其分项系数见表3。

表3 挂篮行走阶段设计计算荷载效应组合及分项系数

6.2 强度验算

强度计算采用基本组合。由软件计算分析，构件最大应力为106MPa，小于Q235设计强度215MPa；螺纹吊杆内力最大88MPa，小于设计强度770MPa，强度满足规范规定。挂篮向前行走2.5 m，不仅可以满足梁端长度的要求，同时可以保证挂篮具有足够的安全系数，建议采用2.5 m的限位。图8是向前行走2.5 m的杆件应力图。

图8 挂篮行走阶段杆件应力图

6.3 锚固安全验算

锚固安全采用标准组合。

由软件分析，其计算结果见图9所示，挂篮后锚抗拔力单根最大为N=62 kN。

图9 挂篮行走阶段后锚应力图

已知φ32钢筋设计允许的轴向拉力为550 kN，

并且P=62 kN＜Q=550 kN。

内侧挂篮后锚安全系数为K=550/62=8.9＞2，所以符合规范的规定。

所以挂篮后锚在行走阶段安全。

6.4 构件稳定验算

同上文4.5，依据《钢规》规定，可以不验算构件的整体稳定性。

7 桥梁荷载试验

徒骇河大桥在成桥后，对其进行了桥梁荷载试验，检测内容包括桥梁静载试验和动载试验。通过测定桥跨结构在试验荷载作用下的控制截面应力和挠度，对试验现象和试验数据综合分析，以判定桥梁技术状况。

主桥及引桥的静载试验结论：其静力荷载试验主桥和引桥荷载工况的试验效率值最大为1.04，最小为0.92，均介于0.85～1.05之间，试验结果能够反映结构现有的技术状态；主要测点应变校验系数均小于1.0，主桥和引桥的强度均满足设计要求，主要测点挠度校验系数均小于1.0，主桥和引桥的刚度满足设计要求；试验残余应变统计值的最大值为13.9%，残余挠度统计值的最大值为14.1%，均小于20%，说明主桥和引桥的整体结构基本接近弹性工作状态。

主桥及引桥的动载试验结论：经自振模态检测，主桥和引桥的实测一阶自振频率均大于其理论频率计算值，主桥和引桥符合设计要求；经行车试验检测，主桥及引桥的实测冲击系数均小于其理论冲击系数，主桥和引桥符合设计要求。

因此桥梁荷载试验检测徒骇河大桥主桥、引桥承载能力符合设计荷载公路-I级要求。