挂篮优化设计及检算.docx
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挂篮优化设计及检算
挂篮优化设计及检算
1、前言
挂篮悬臂灌注法是大跨度连续箱梁桥施工的主要方法之一，尤其在大跨度乃至特大跨度连续箱形梁桥梁建设中有着不可替代的位置，因此对该项技术的深入研究对掌握特大跨度桥梁施工技术具有重要意义。
本文籍以XX高速公路XX河特大桥挂篮优化设计及检算过程为例对该项技术做一些深入研究，希望可以对今后类似工程项目的施工设计起到一定的借鉴作用。
2、挂篮施工的基本原理
挂篮悬臂灌注施工方法是利用已经完成的墩顶节段（一般为0#段）为起点，通过挂篮的对称施工来逐段完成砼灌注及预应力张拉等工序的一种施工方法。
3、挂篮设计的几个核心问题
目前在实际施工中应用比较广泛的挂篮形式主要有：
三角形挂篮、菱形挂篮、桁架式挂篮及锚索挂篮等几种类型，其中锚索挂篮主要应用于斜拉桥悬灌施工，其余几种则主要应用于大跨度连续箱形梁悬灌施工。
经过工程实践总结，挂篮在实际施工中应满足以下几个基本要求：
⑴挂篮自身在不同荷载工况下挠度满足设计要求；
⑵挂篮模板自身具有一定刚度且与前一节段成型砼的衔接密贴；
⑶挂篮各个调整机构应具有良好的操纵性能；
⑷挂篮前移速度快，操作简单；
⑸挂篮的拼装快捷、安全；
⑹挂篮的安全防护系统及人员操作平台及通道的设计完善；
⑺挂篮构件应采取模块化设计，以保证构件的通用性。
其中⑴、⑵两项主要是为了满足有效的进行线形控制的需要，⑶、⑷、⑸三项是为了满足可靠的操作性的需要，⑹、⑺是为了满足安全文明施工的需要。
由以上几点可以得出挂篮设计中的几个关键要素：
⑴挂篮设计是以挠度控制为主，强度控制做为一种复核手段；
⑵挂篮应做为一个系统来进行设计，除了主要构件的结构检算外还应对其配套设施进行专项设计，以满足其综合使用功能；
⑶由于桥梁结构尺寸的多变性，挂篮设计应以模块化设计为主，确保其通用性。
4、挂篮设计工作程序
4.1挂篮设计流程
挂篮设计应遵循以下设计程序：
⑴搜集原始参数，进行荷载分解；
⑵选定计算程序及复核程序；
⑶根据需要选定挂篮结构形式；
⑷应用计算软件对挂篮主要受力结构进行计算分析；
⑸对挂篮节点、吊挂系统、走行系统等进行局部设计及计算；
⑹绘制挂篮设计图纸
⑺组织挂篮加工，进行静载试验，并提交各节段建议预拱度值；
4.2设计实例
XX高速公路XX河特大桥为95+4×170+95连续刚构桥，该桥跨度虽然无法和其他特大跨度连续刚构桥相比拟，但在同一座桥上集中了深桩（人工挖孔105m）、高墩（102m）、大跨（170m）三项技术难点于一体也属罕见，梁部悬灌施工难度较大。
本桥挂篮设计顺序分以下几个工作流程：
4.2.1XX河特大桥原始荷载及工况
XX河特大桥结构尺寸原始数据经过整理可参见：
“附表一、桥梁结构基本参数表”，经过对1#段、8#段、16#段三个长度递变节段荷载的初步分析，确定1#段为设计控制节段。
4.2.2确定计算及复核程序
挂篮设计本属空间结构分析，但为了简化操作程序，可将空间问题转化为平面问题去计算分析。
目前平面分析软件较多，最终选定使用“好易懂2.0升级版”进行设计计算分析，“结构力学求解器”进行复核。
“好易懂2.0”这个力学分析程序具有界面易懂、交互方便、计算结果显示直观且纠错能力强等优点，做平面结构分析效率较高。
4.2.3挂篮结构形式比选
XX河特大桥墩高102m，墩顶风力较大，挂篮作业高度不宜过高，宜采用三角形挂篮模式，同时为考虑到竖向预应力同步张拉的需要，采取高托船方案以解决这一问题。
4.2.4挂篮设计检算
挂篮设计检算应按照荷载传递顺序对空间荷载进行等代替换，转化为平面问题。
转化顺序为：
底模→侧模→内模→前吊挂系统→主桁，计算前应根据经验初步确定主要受力构件的规格以进行试算。
4.2.4.1底模:
底模承担悬灌施工中梁体腹板及底板荷载,是整个挂篮系统中承载要求最大的构件,底模由以下几个部分组成:
底模纵梁,根据承载部位及数值大小的不同,分为腹板区和底板区.
前下横梁:
为底模纵梁的前支点托梁,一般设置2~4个吊点,将荷载传递到挂篮前上横梁上.
后下横梁:
为底模纵梁的后支点托梁,一般设置2个吊点,将底模承担的荷载传递到即有梁段的底腹板倒角处.
前后挂架:
为固定在底模横梁上,将横梁承担荷载传递至吊带的转换构件,具有转向功能,可以适应不同底板坡度.
限位梁:
用于施工过程中控制底模与侧模位置的机构,可以在模板走行过程中将侧模位置限制在一定范围内。
分析过程:
底模所承担荷载传递顺序如下:
荷载加载到底模面板→由面板传递到底模纵梁→由底模纵梁分别传递到底模前后下横梁→下横梁将承担荷载通过前后挂架传递到钢吊带，并分别传递到挂篮主桁前上横梁及即有梁段底板上。
依照这一受力模式将底模承载模型按照以下方式进行简化：
面荷载简化为线荷载，按底板及腹板位置，分别进行分析．
底模纵梁采用型钢焊接的桁架结构，结构图如下：
腹板区采用一组底纵梁，计算数据如下：
计算结果:
fmax=4.3mm
前支点反力:
185330N.后支点反力:
278260N
底板区采用三组纵梁，计算数据如下：
底板计算结果:
fmax=1.4mm
前支点反力:
60627N,后支点反力:
91029N（为一组数据，共计三组）
底板区底纵梁桁架最大杆件轴力:
146520N
腹板区底纵梁桁架最大杆件轴力:
447880N。
底模后下横梁计算：
后下横梁为2I400a工字钢组合而成，其截面特性如下：
单根:
A=86.07cm22根:
A=172.14cm2
Ix=21714cm4Ix=43428cm4
后挂架吊定位置：
从中心向两侧2.5m处，全长7.5m，计算模型如下：
腹板区后支点反力:
278260N
底板区后支点反力:
91029N（为一组数据，共计三组）
计算结果显示：
后下横梁跨中最大挠曲变形为1.25mm，可以保证与即有梁体的密贴而不会出现漏浆现象．
后下横梁的挂架承载为420500N（单个挂架）
后下挂梁承担最大弯矩为121820N·M,W=1085.7×2=2171.4cm3
σ=
=56.1MPa＜[σ]=170MPa.
底模前下横梁计算：
在砼灌住时在前下横梁腹板外侧加设两根Ф32精轧螺纹钢吊带，以减少不平衡变形产生的影响，这一分析过程需要与上横梁联动分析。
钢销子及扁担梁局部抗压：
扁担梁局部抗压检算：
σ=
=97.484MPa＜[240MPa]
销孔抗撕裂计算：
规范要求：
①垂直受力方向销孔直径处的净截面积应比杆件计算所需面积大40%.
②由销孔边至杆端的截面积不小于杆件的计算面积．
按以上要求：
以Ａ3钢为基准，在该荷载下需要30cm2的抗拉面积：
现有横梁挂架承拉一侧截面积为Ａ＝
×2+4.4×1.2×2=41.29cm＞30cm2合格
4.2.4.2侧模检算：
梁体侧模主要承担腹板侧压力及顶板垂直荷载，由于本桥挂篮设计中腹板混凝土侧压力由拉杆承担，所以侧模结构只需满足自身刚度的需要，并足够承担顶板及自重荷载即可。
侧滑道检算：
侧滑道承担荷载分两种工况：
1挂篮走行过程：
（最不利状态）
滑道后点吊挂在即有前一节段梁端，中点承担底模1/4荷重，中点至前点承担侧模自重的均布载，前点吊挂在挂篮主桁前上横梁上。
2砼灌注过程：
滑道中点及前点分别吊挂在即有梁段端头及主桁前上横梁上，其间范围内承载挂篮侧模自重及顶板混凝土重。
模板自重荷载：
P侧模板=104770NP滑道=15580NP底模=107440N
检算模型简化：
工况1
滑道梁：
[400a58.91kg/m
单根A=75.04cm2Ix=17577.7cm4
一组：
A=75.04e-4×2+0.26（0.01+0.006）=0.019168m2
Ix=17577.7×2+17355=52510cm4
跨中最大下挠14.6mm.
强度不必验算。
工况2：
本工况应分两种情况分别进行检算，第一种为侧模系统最大荷载下自身强度检算（16#段）；第二种为1号段前悬挂系统分析时侧模前吊点荷载计算过程。
第一种情况计算结果：
f最大挠度=3.8mm。
侧模前吊点荷载：
p=110580N
第二种情况计算结果：
f最大挠度=3.4mm。
侧模前吊点荷载：
p=87845N
4.2.4.3内模验算：
内模自重：
P模板=68041NP滑道=9730N
q=68041/4=17010N/m
最不利荷载下砼重：
（5.7×0.3+1.2×0.3）×26500=54855N/M
合计：
q=71865N/m
该荷载由两根2[320a滑道承载。
[320aA=48.5cm2Ix=7510.6
2[320aA=48.5×2+15×1.6=121cm2
Ix=7510.6×2+15×1.0×16.52+15×0.6×16.32=21496cm4
工况1（同侧模分两部分检算）：
fmax=9.7mm
工况2（同侧模分两部分检算）：
第一种情况计算结果：
f最大挠度=6.1mm。
内模一个前吊点荷载：
p=72720N
第二种情况计算结果：
f最大挠度=5.0mm。
内模一个前吊点荷载：
p=44991N
4.2.4.4前吊挂系统整体分析：
原始数据：
前上横梁2I450aA=102.4×2=204.8cm2
Ix=32241×2=64482cm4
前下横梁2I360aA=76.44×2=152.88cm2
Ix=15796×2=31592cm4
前下横梁荷载：
腹板：
前支点反力185330N
底板：
前支点反力60627N（为一组数据，共计三组）
侧模：
P=87845N
内模：
P=44991N.
计算模型如下：
求得最大前主桁反力426050N
4.2.4.5挂篮主桁检算
计算模型如下：
主桁杆件均采用2[360a。
2[360a
A=60.89×2=121.78cm2
Ix=11874.1×2=23748.2cm4
当最大前主桁反力为426050N，挂篮主桁前点下挠度为11.2mm,悬挂系统最大下挠度为5.75mm，合计总下挠度为16.95mm，满足总下挠度＜20mm的要求（设计图纸要求挂篮总体弹性变形小于20mm），选用2[360a杆件。
主桁架杆件内力：
AB号杆：
轴力53.938t
BC号杆：
轴力53.938t
AD号杆：
轴力69.074t
CD号杆：
轴力69.074t
BD号杆：
轴力87.103t
经过分析：
现需要对AD杆、BD杆件进行局部受力分析（因节点板厚度大于杆件腹板厚度，所以仅对杆件端头进行局部检算）
4.2.4.6挂篮抗倾履计算：
①挂篮走行抗倾覆检算：
挂篮整体走行到工况1时最不利状态下的前点最大荷载为：
9.437+5.769+10.744/4+1.614/2=18.699t（一个桁片）
后锚走行系统焊缝最短长度为1.92m，焊缝厚度按8mm计则承载能力为122.88t
抗倾履系数：
K=122.88÷18.699=33.2>2.5通过
②挂篮悬灌施工抗倾覆系数检算：
挂篮后锚点最大反力为42.58t，按照设计要求由4根精轧螺纹钢承载，据此计算得出后锚点提供锚固力为：
54.27×4=217.08t
K=217.08÷42.58=5.1>2.5通过
4.2.4.7钢吊带及销子检算：
后吊带检算：
P=42.05t
后吊点为δ=40mm,16Mn钢板，宽200mm。
销子为Ф80，45号钢，销孔Ф82
16Mn钢：
[σl]=200MPa
[τ]=120MPa
[σ销孔]=300MPa
抗拉：
σ拉=
=89.089MPa
根据规范要求乘K=1.4系数:
σ=124.72MPa＜[σl]=200MPa
安全储备:
1.6
抗撕裂:
Amin=
=21cm2
现有面积:
A=9.4×4=37.6cm2＞Amin
销孔抗剪计算:
τ=
=41.06MPa＜[τ]=120MPa
后吊带销子检算:
抗剪:
A=5.02655e-3
τ=
=41.83MPa＜[τ]
局部抗压:
σ=
=131.4MPa＜[σl]
K=1.52
前吊带检算：
δ=30mm16Mn钢板.
[σz]=200MPa
[τ]=120MPa
[σ销孔]=300MPa
荷载:
p=20.648t
抗拉：
σl=
=62.57MPa
σ=σl×1.4=87.6MPa＜[σz]
安全储备:
K=2.28
抗撕裂:
Amin==
=1.032e-3
现有面积:
A=0.1×0.03=0.003m2=3e-3＞Amin
销孔抗剪计算:
τ=
=28.21MPa＜[τ]
前吊带销子检算：
抗剪:
A=3.619e-3
t=
=57.05MPa＜[τ]
局部抗压:
σ=
=143.34MPa＜[σz]
K=1.4
底模吊带用销子全部换用40Cu钢材加工。
安全储备增大1.75倍
4.2.4.8滑道检算:
采用2[200槽钢:
Ix=1913.7×2
A=32.83×2+2×5+1×15=90.66cm2
Ix=1913.7×2+1×15×10.52+2×5×7.42=6028.75cm4
反力:
42.05t/3=14.02t
经检算:
最大变形＜0.1mm,最大弯矩:
1.22t·m,不必验算.
最大反力：
16.08t＜54.27t可！
综上所述：
本挂篮设计满足XX河特大桥连续刚构悬灌施工的需要，整个结构安全、可靠，至此挂篮结构检算部分全部结束，检算完毕后使用复核程序逐一计算，计算结果无误，可以进行挂篮结构加工图纸设计工序。
4.2.5挂篮加工图纸设计
4.2.5.1挂篮主桁设计
挂篮主桁采用国标一级I36a工字钢加工，主桁高度选择4m，前后主纵梁节点间距选择5m，构件设计中需要注意以下几点：
⑴前后斜杆规格尺寸必须一致，以保证构件的通用性；
⑵杆件上应按照1m间距设置联结缀板，杆件端头应设置封端钢板，以保证其抗扭刚度；
⑶压杆端头应打磨平整，以保证于其他构件的密贴，确保有效的传递荷载；
⑷底纵梁联结缀板应适当加密，以增强其整体性。
4.2.5.2节点及联结销子设计
节点设计应遵循两个要求：
⑴节点板能够满足承受荷载的要求；
⑵节点与主桁构件之间的安装应快捷可靠。
基于以上要求，节点板宜加工成定型构件，与主桁之间联结宜采用销接，以便于安装作业，同时简化栓接中螺拴联结的紧固过程，有效的提高了拼装的生产效率。
联结销子的设计应本着适用、通用的原则，销子的规格应尽量减少，以确保其通用性，大吨位挂篮设计中，为减少销子的尺寸、方便操作，宜采用40Cr特种钢材加工。
成品销子应设置垫圈、螺母、限位销等配件。
4.2.5.3走行机构及牵引系统设计
目前国内大部分挂篮前移均采用人工机械牵引，这种牵引模式即费工又费时，安全隐患大，而且牵引过程中很难保证两只挂篮同步前移。
为了提高高空挂篮施工的作业效率，本挂篮设计中采用了新型自锚走行机构，走行系统稳定可靠，走行动力采用60t液压顶（竖向预应力张拉用）做为推进系统，传力装置为直径32mm的Ⅳ级钢筋以及四只限位卡。
走行速度经过实际使用平均为20cm/min，每个节段前移所需时间为45min左右（以3m节段为例，包含准备工作时间）每只挂篮移动需要3名技术工人即可。
相比人工前移挂篮功效可提高2倍。
4.2.5.4模板系统设计
底模系统
底模系统包含前后下横梁、底模纵梁、底模面板、前后悬挂系统、辅助联结系统、安全通道系统等几大部分。
底模设计需要满足以下几个条件即：
模板刚度满足要求；底模横梁与悬挂系统的联结机构必须保证受力轴心一致；底模与侧模接触区域应便于对拉装置的安装及拆卸；底模施工区域人员通道设计必须满足施工需要。
侧模系统
侧模系统包含：
侧模骨架、侧模面板、侧模导梁、前后悬挂系统、导梁滑轴系统、变坡调整系统、侧模顶口及底口对拉系统等几部分。
侧模设计应注意结合0#段施工需要，宜采取模块化设计理念，在施工过程中逐渐减少挂篮自身重量。
根据挂篮走行程序，侧模与底模同步走行，这样侧模导梁设计刚度需要在满足受力要求的前提下增大结构刚度。
鉴于XX河桥存在横坡变坡的情况，需要进行侧模变幅机构设计，该变幅装置应满足：
变幅范围符合设计要求、变幅过程可无级调整、结构联结牢固、锁定机构可靠、变幅过程不需要对面板系统进行改造等要求。
其余部分系统设计应本着适用原则进行细部设计。
内模系统
本桥内模系统设计一改以往的桁架式结构，采用了纵横导梁系统，大大降低了内模的变幅、安装及调整的难度，使内模系统结构受力更加明晰。
模板调整系统
模板调整系统采用螺旋顶杆无极调节设计方案，有效的提高模板调整的操纵性能，同时集合了调节与锁定功能，提高了调节模板的工作效率。
4.2.5.5悬挂系统设计
挂篮悬挂装置采用16Mn钢吊带方案，在设计过程中主要注意吊带长度的模数。
必须保证配合各个节段梁高的适用要求，同时吊带的规格不宜过多，避免混淆。
4.2.5.6安全防护及通道设计
为确保高空作业安全，同时满足文明施工要求，XX河特大桥做了专项的安全通道设计，可以有效的确保施工人员高空作业的安全。
4.2.6挂篮加工
挂篮设计图纸完成，在报经上级技术主管机关审核通过后可以交付专业钢结构加工厂进行加工。
加工过程中应加强例行抽查，尤其是对构件几何尺寸以及构件焊接质量要进行严格检查。
4.2.7静载试验方案设计及预拱度值分析
静载试验目的：
根据业主要求，挂篮在最大荷载下总下挠度≤20mm。
挂篮在设计加工完成后必须在施工现场进行静载试验，一方面可以确定挂篮设计是否满足业主要求，另一方面可以通过不同加载等级测得挂篮在不同节段悬灌作业时的实际下挠度，借以指导施工。
静载试验方案：
静载试验整个过程模拟混凝土灌注顺序进行加载，按照底板、腹板、顶板分别进行加载。
卸载过程、顺序与加载过程相反，每减一级荷载即测得一次下挠度监测数据，由此绘出下挠度与荷载之间的线性关系；根据监控数据还可以分析出挂篮非弹性变形值，借以指导其他挂篮施工。
本设计中静载试验在地面设置静载试验台座，挂篮进场后在试验台座上拼装就位。
静载试验台座采用贝雷片拼装反力梁做为加载反力提供装置。
荷载施加采用经过标定后的液压千斤顶进行分级加载。
静载试验装置构造及组成：
静载试验装置分为三部分，分别为反力架支承台座、反力梁、加载横梁。
具体结构形式见下图：
静载试验加载等级及设备配置：
本挂篮最大悬灌重量在1#段，悬灌混凝土方量60.407m3。
由于挂篮每节段混凝土灌注前需要精确调整一次底板标高值，所以引起挂篮下挠度的荷载仅为节段混凝土重量，不包含挂篮结构自身重量及节段钢筋重量。
现取混凝土容重G=2.45t/m3（含施工荷载），最大加载等级为：
150.92t。
现根据施工工况分以下几个加载等级进行
序号
加载等级
工况
混凝土方量（m3）
混凝土重量（t）
中间顶荷载（t）
中间顶荷载累计（t）
边侧顶荷载（t）
1
第一级
浇筑底板
20.16
49.392
19.757/2
9.879
2
第二级
浇筑腹板
26.567
65.089
26.035/2
22.896
3
第三级
浇筑顶板
14.873
36.440
14.576/4
26.540
3.644
4
超载1.2
63.696
31.848
4.373
根据最大加载等级荷载大小，选用配套设备进行静载试验。
具体试验台座工程量及设备型号见下表：
序号
设备名称
规格
数量
备注
1
贝雷片
3m×1.5m
32
2
平联
1.14m×0.45m
40
3
螺拴
170
4
销子
φ50
48
5
地锚钢筋
φ20/L=1.34m
16
6
扁担梁
2[140a/L=0.6m
8
7
型钢支墩
2[250a/L=1.5m
2
8
C30混凝土
4.244m3
9
YCW60液压千斤顶
4台
10
配套油泵
4台
11
挂篮前上横梁
1根
12
挂篮后锚固锚杆
Φ32精轧螺纹钢/L=5m
12根
13
挂篮前吊杆
Φ32精轧螺纹钢/L=6m
4根
14
台座配筋
Φ12螺纹钢筋
151m
静载试验流程：
静载试验应遵循以下流程进行，具体顺序如下：
⑴按照图纸拼装静载试验反力梁及挂篮；
⑵安装液压千斤顶等相关加载设备；
⑶在挂篮主桁前、中、后三点设置牢固的观测点，并测得各点初始标高读数；
⑷按照加载等级分级加载，在每级荷载施加完毕后2min开始测量主桁三组观测点的绝对标高值；同时加测一组挂篮前上横梁中点的绝对标高值；
⑸加载过程进行到1.2超载时，分别在：
持荷2min、15min、30min测得三次各个观测点标高值；
⑹按照5t为一个等级进行卸载，每卸一级需持荷2min，并测得各组观测点的标高值。
将以上⑷～⑹过程反复进行三次，每循环开始前都需要重新测定初始读数。
静载试验数据处理：
静载试验结束后，将所有数据进行分组计算，以初始读数为基准点，将后续各点标高变化与之比较，确定挂篮主桁实际下挠度变化情况，并绘制出荷载等级与下挠度变化曲线，进而确定不同梁段悬灌施工时的预拱度值。
将三个循环数据进行比对，可以确定挂篮主桁的非弹性变形量，以此来确定每只挂篮初始非弹性变形值。
静载试验注意事项：
⑴静载试验必须有驻地监理旁站，并在测量数据上签字确认；
⑵静载试验设备安装必须严格按照图纸及有关技术交底要求进行，严禁擅自改动设计；
⑶静载试验涉及到高空作业及预应力作业过程，在操作时有关人员必须严格遵守相关安全作业规章制度的要求；
⑷加载设备必须在有效期内，使用设备必须是配套标定过的；
⑸所有未尽事宜参照相关国家规范及标准；
⑹数据处理完毕后将形成静载试验报告，经驻地监理签认后上报项目组备案；
试验结果：
经过对试验结果进行分析后，实测挂篮主桁下挠度平均值为12mm，于计算值11.2mm非常接近，挂篮设计能够满足施工及设计要求，可以投入使用。
4.2.8挂篮总设计图
5、结束语
XX河特大桥挂篮设计新颖，操作简便，用钢量小（钢砼比为0.348），具有一定的推广价值。
通过XX河特大桥挂篮的设计优化过程可以发现挂篮设计需要结合现场施工的实际需要辅以专业计算软件的支持，有选择的进行设计，达到以最小的成本最大限度的满足现场施工的实际需要为目标。
籍以本文希望能够为今后的挂篮设计提供一定的参考价值。
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