重庆忠县长江大桥挂篮方案设计说明.docx
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重庆忠县长江大桥挂篮方案设计说明
院长：
王贤成（教授级高工）
总工：
李宗哲（教授级高工）
项目负责人：
刘迪（工程师）
项目审核：
汪文霞（高级工程师）
参加人员：
李莅（高级工程师）
杨曙光（工程师）
孙其清（技师）
杨波（助理工程师）
目录
设计说明
1、工程概述
2、设计依据
3、设计概要
4、总体构造
5、设计特点
6、设计计算
7、主要施工步骤
8、制作与拼装
9、试载要求
设计图纸：
挂篮系统总图
（一）CZX-ZT-00（1/4）
挂篮系统总图
（二）CZX-ZT-00（2/4）
挂篮系统总图（三）CZX-ZT-00（3/4）
挂篮系统总图（四）CZX-ZT-00（4/4）
承载平台
（一）CZX-CZ-00（1/2）
承载平台
（二）CZX-CZ-00（2/2）
张拉机构CZX–ZL-00
牵引机构CZX–QY-00
止推机构CZX–ZHT-00
前/后锚杆组CZX–MG-00
顶升机构CZX-DS-00
行走反滚轮CZX-GL-00
JA2,14,15;JB2段模板系统
（一）CZX-MB-01（1/2）
JA2,14,15;JB2段模板系统
（二）CZX-MB-01（2/2）
JA3,JA13;JB3段模板系统
（一）CZX-MB-02（2/2）
JA3,JA13;JB3段模板系统
（二）CZX-MB-02（2/2）
JA4--JA12,JB4--JB23段模板系统
（一）CZX-MB-03（1/2）
JA4--JA12,JB4--JB23段模板系统
（二）CZX-MB-03（2/2）
JB24段模板系统
（一）CZX-MB-04（1/2）
JB24段模板系统
（二）CZX-MB-04（2/2）
JA16段模板系统
（一）CZX-MB-05（1/2）
JA16段模板系统
（二）CZX-MB-05（2/2）
JA17--JA20段模板系统
（一）CZX-MB-06（1/2）
JA17--JA20段模板系统
（二）CZX-MB-06（2/2）
JA21段模板系统
（一）CZX-MB-07（1/2）
JA21段模板系统
（二）CZX-MB-07（2/2）
JA22--JA26段模板系统
（一）CZX-MB-08（1/2）
JA22--JA26段模板系统
（二）CZX-MB-08（2/2）
JA27段模板系统
（一）CZX-MB-09（1/2）
JA27段模板系统
（二）CZX-MB-09（2/2）
JB25--JB28段模板系统
（一）CZX-MB-10（1/2）
JB25--JB28段模板系统
（二）CZX-MB-10（2/2）
JB29段模板系统
（一）CZX-MB-11（1/2）
JB29段模板系统
（二）CZX-MB-11（2/2）
1.工程概述
忠县长江大桥位于忠县县城上游8.0公里，距宜昌航道428.8公里。
该桥东起康家沱，跨越马粪碛及长江主航道（目前），西至高粱背，处于河段上、下弯道的过渡段，桥位上游有1.5公里长的顺直段，下游顺直段长达3.5公里左右。
忠县长江大桥为双塔双索面斜拉桥，公路等级为四车道高速公路，设计车速80km/h，主桥桥面宽24.5m，桥面横坡为2%，桥面纵坡为0.3%。
主梁为整体开口梁板式断面，梁高（中心线处）2.965m，标准截面纵向每隔8m设一道横隔板。
主梁为Π型断面，标准节段长8m，肋宽为1.8m。
由于塔下梁段承受较大的轴力肋板宽加宽至2.4m。
为了保证在正常运营状态下，过渡墩的支座不出现上拔力，在边跨要进行压重。
为了满足边跨压重要求，加厚边跨断面的肋宽，其中，5个节段的肋板加厚至3.9m，7个节段的肋板加厚至5m，最边上两个节段采用实心板梁。
标准节段（1.8m肋宽）及肋加宽节段主梁横断面如图一所示：
图一标准节段及肋加宽节段断面（单位cm）
2.设计依据
•《忠县长江大桥施工设计》施工图。
•项目设计委托书
•《钢结构设计规范》（GB50017-2003）
•《钢结构工程施工质量验收规范》（GBJ5025-2001）
•《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）
•《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）
•《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002）
•《钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程》（JGJ82-91）
•《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）
•《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）
•
3.设计概要
本挂篮为大型前支点挂篮，设计承载砼重量4864KN。
设计将其安全与可靠性放在首要位置，承载平台，牵索系统，锚固系统均给予了充分的安全储备。
为保证施工质量，设计承载平台刚度大，并在适当位置配置锚杆，以减少箱梁纵横向变形及“错台”量；长大构件分段制作以满足运输及现场拼装的要求；满足浇筑、移动及调整等使用功能方面的要求。
本挂篮适用于主梁中跨JB2#～29#节段、主梁边跨JA2#～27#节段浇筑。
4．总体构造
挂篮由承载平台、牵索系统、行走系统、定位系统、锚固系统、模板系统、操作平台及预埋件系统等组成。
（见图二）
4．1承载平台
承载平台是挂篮的主体结构，由支承悬浇荷载及模板体系的平面刚架和挂腿组成。
平面刚架由两主纵梁、两次纵梁、三横梁、六分配梁组成。
两侧主纵梁前端开槽，在主纵梁上设置承力面。
4．2牵索系统
牵索系统的功能是在挂篮悬浇施工时将斜拉索与挂篮连接起来形成前支点；在悬浇完成后，将斜拉索与挂篮分离，实现索力的转换。
牵索系统由张拉机构及斜拉索冷铸锚组成。
张拉机构中的张拉千斤顶通过撑脚固定在垫块总成上。
垫块总成可沿主纵梁头部导轨上下滑动并锁定，因而前支点空间位置可调整。
4．3行走系统
行走系统实现挂篮空载前移功能，由牵引机构及行走反滚轮组成。
牵引机构由两台YC70X150千斤顶通过两根精轧螺纹钢筋，同步牵引挂腿下部行走滑靴带动挂篮前移，行走滑靴在主梁顶面辅设的滑轨上滑动。
挂篮行走时由行走反滚轮平衡前倾力。
4．4定位系统
定位系统实现挂篮浇筑前的定位，由主纵梁前锚杆组、止推机构及后支点千斤顶组成。
挂篮由前锚杆组提升到位，放置在主纵梁尾部的后支点千斤顶调整挂篮前端的竖向标高，止推机构承受斜拉索张拉力中的水平分力。
由于挂篮的自重及构造尺寸都较大，再加上本桥主梁断面的构造特点，使得挂篮横桥向定位的调整较困难，因此在挂篮前移时，应尽量保证挂篮整体同步平移，并不断观测，随时纠正挂篮的偏位。
当挂篮前端产生横桥向偏移时，可在挂篮后横梁与桥主梁主肋间设反向顶推予以调整；当挂篮挂腿中心线处产生横桥向位移时，在挂篮挂腿与桥主肋间加反向顶推。
4．5锚固系统
锚固系统包括两组主纵梁前/后锚杆组和两组承重锚杆组。
主纵梁前锚杆组设在主纵梁中部，其作用是将承载平台承受的施工荷载传递到已浇梁段上，主纵梁后锚杆组设在主纵梁尾部，其作用是平衡挂篮斜拉索初张拉时产生的后倾力，同时，后锚杆组亦作为抗风安全锚固点，承重锚杆组的作用是将承载平台承受的施工荷载传递到已浇梁段上，同时也增强了挂篮的横桥向刚度。
4．6模板系统
模板系统由横隔板底模及侧模、主肋侧模及底模、顶板底模、顶模拱架及支架、支撑等组成。
横隔板侧模底部通过铰接的方式与承载平台相连，侧模之间采用对拉螺杆连接，横隔板侧模采用可调撑杆支撑在承载平台上，横隔板底模位于承载平台前横梁之上，顶模采用拱架支撑，尾端用拉杆锚固在已浇节段，拱架通过铰接固定在次纵梁的滑轨上。
在挂篮前移前，松开对拉螺栓，将主肋侧模及横隔板侧模放置于拱架及承载平台上，并与顶模一起随拱架下降至横隔板底标高以下。
挂篮前移到位后，再将拱架提升到设计标高位置，可调撑杆调整到位，立模，浇筑下一节段。
拱架用千斤顶顶升到位，并用销轴定位。
因而可方便地立模、拆模并将模板系统整体移至下一待浇节段。
5.设计特点
本挂篮悬浇节段长度8m，现浇桥面宽27m，悬浇节段砼质量最大4864KN，其设计上具有如下特点：
a.挂篮整体刚度好，满足了抗倾、抗风稳定性要求。
b.挂篮操作调整方便，平面及标高调整均采用国产通用设备。
c.挂篮的主要组成部分承载平台为平面刚架结构，构造简单，受力明确，构件自重较轻。
d.根据各构件受力特点，采用了不同的结构形式，在保证平台刚度和强度的前提下，减轻了平台的质量。
e.挂篮结构主要采用普通型材制作。
f.挂篮结构及部件采用拼装式，可重复利用。
g.模板系统主要由横隔板及边箱梁底模及侧模、顶板底模及模板支撑等组成。
大部分采用大模板结构，提高砼外观质量，同时有效的控制桥形缩短施工周期。
h.中部顶板底模采用拱架支撑，随拱架在挂篮前移前下放至大桥横隔板以下，挂篮前移到位后再将拱架提升至设计标高位置，后端顶模采用可调撑杆支撑在承载平台上，尾端用拉杆连接在已浇节段，前移时收短撑杆，倒放即可，便于立模，拆模，模板整体移至下一待浇节段。
6.设计计算
6.1设计荷载
•砼荷载箱梁JB28#节段节段长6.64m，主肋2.4m宽，质量为398.7t；JA26#节段节段长5.1m，主肋5m宽，质量为486.4t；JA15#节段节段长8m，主肋2.4m宽，质量为471.6t
•挂篮系统自重
•人群及施工荷载取1.5kN/m2
•风荷载
6.2计算工况
工况Ⅰ：
挂篮受水平力牵引前移，风垂直向下（风速13.6m/s）计算挂篮行走状态的稳定性。
工况Ⅱ：
挂篮行走至新浇梁段最外沿，风垂直向上（风速25m/s），计算挂篮初就位状态的稳定性。
工况Ⅲ:
JA15#节段，挂篮定位，初张拉设定索力值1684kN（单索），水平角度36.253°，未浇砼，风垂直向上吹（风速13.6m/s）,计算挂篮初张拉状态稳定性。
工况Ⅳ：
挂篮位于JB28#节段，砼质量398.7t，浇筑但未凝固，风垂直向下（风速13.6m/s），设定索力为3850kN（单索），水平角度26.177°，计算挂篮工作状态的受力与变形。
工况Ⅴ：
挂篮位于JA26#节段，砼质量486.4t浇筑但未凝固，设定索力值为4000kN（单索），水平角度29.628°，风垂直向下（风速13.6m/s），计算挂篮工作状态的受力与变形。
工况Ⅵ：
挂篮位于JA15#节段，砼质量471.6t浇筑但未凝固，设定索力值为3500kN（单索），水平角度36.253°，风垂直向下（风速13.6m/s），计算挂篮工作状态的受力与变形。
6.3材料性质
6.3.1材料特性
•钢的材料特性：
弹性模量E=2.1×105MPa
泊松比μ＝0.3
密度ρ＝7850kg/m3
6.3.2容许应力
•Q235-A：
[σ]＝170MPa[τ]=100MPa
•40Cr：
d>100mm[σ]＝350MPa
•d<100mm[σ]＝385MPa
6.3.3几何特性
承载平台各截面几何属性
序号
名称
截面积
腹板
翼板
宽度
高度
惯性矩Ix
惯性矩Iy
单位
cm2
mm
mm
m
m
cm4
cm4
1
主纵梁
1150.4
12
20
1.7
2.0
8170813
4716401
2
前横梁
774.3
12
16
1.0
1.8
3651484
1228124
3
中横梁
325.6
6
10
0.8
1.4
1035660
315735
4
后横梁
246.1
6
8
0.8
1.4
885158
299337
5
次纵梁
246.1
6
10
0.8
1.0
486172
248952
6
分配梁
147.0
145
21
160
560
68500
1420
7
挂腿横向
547.2
10
12/14
1.2
1.202
1370152
1138584
8
前锚杆
Φ80mm/根
共8根
9
后锚杆
Φ80mm/根
共4根
10
承重锚杆
Φ32mm/根
共8根
6.4计算模型及结果
挂篮整体结构为一弹性支承空间刚架，通过简化构件计算，确定构件截面尺度及性质（本计算过程略），拼合成整体结构用ANSYS电算进行优化设计。
6.4.1拱架整体计算
计算工况：
按工况Ⅴ。
6.4.1.1拱架计算
拱架计算模型及结果见图三、四所示。
图三拱架计算模型
图四拱架计算计算变形图
6.4.1.2计算结果汇总
各杆件内力计算结果如下（取各最不利构件内力值）：
拱圈
梁
撑杆
应力极值（MPa）
-88.5
101
-30.1
变形（mm）
3.7
3.8
/
•系统整体变形：
3.8mm系统最大应力：
101MPa
•支座反力：
水平力H=284.06KN竖向力VA=VB=212.83KN
6.4.2挂篮整体计算
6.4.2.1工况Ⅰ
计算荷载：
挂篮系统自重
风荷载风速13.6m/s
电算模型见图五
系统应力分布见图六
系统整体变形见图七
图五工况Ⅰ系统整体计算模型
图六工况Ⅰ系统各断面应力分布图
图七工况Ⅰ系统整体变形图
各部件内力计算结果如下（取各最不利构件内力值）：
主纵梁
前横梁
中横梁
后横梁
次纵梁
分配梁
挂腿
综合应力（MPa）
36.8
40.1
36.7
30.2
12.7
16.8
119
•系统整体变形：
59.4mm系统最大应力：
119MPa（挂腿处）
•约束反力：
挂腿处1193.8kN↑行走反滚轮406.57kN↓
6.4.2.2工况Ⅳ
•计算荷载：
JB28#节段混凝土荷载3987kN
人群及施工荷载1.5kN/m2
挂篮系统自重
风荷载风速13.6m/s
索力3850kN（单索），水平角度26.177°
•电算模型见图八
•系统应力分布图见图九
•系统整体变形见图十
图八工况Ⅳ系统整体计算模型
图九工况Ⅳ系统各断面应力分布图
图十工况Ⅳ系统变形图
各部件内力计算结果如下（取各最不利构件内力值）：
部位
主纵梁
前横梁
中横梁
后横梁
次纵梁
分配梁
综合应力（MPa）
83.9
135
89
68.4
52.1
28.9
•系统整体变形：
54.8mm系统最大应力：
135MPa
•约束反力：
前锚杆组：
2194.9kN↑顶升机构：
1002.3kN↓
止推机构：
3455.1kN←
6.4.2.3工况Ⅴ
•计算荷载：
JA26#节段混凝土荷载4864kN
人群及施工荷载1.5kN/m2
挂篮系统自重
风荷载风速13.6m/s
索力4000kN（单索），水平角度29.628°
•电算模型见图十一
•系统应力分布图见图十二
•系统整体变形见图十三
图十一工况Ⅴ系统整体计算模型
图十二工况Ⅴ系统应力分布图
图十三工况Ⅴ系统整体变形图
各部件内力计算结果如下（取各最不利构件内力值）：
部位
主纵梁
前横梁
中横梁
后横梁
次纵梁
分配梁
综合应力（MPa）
87
107
106
17.4
117
106
•系统整体变形：
42mm
•系统最大应力：
117MPa
•约束反力：
前锚杆组：
810.65kN↑中横梁锚杆组：
1417.3kN↑
顶升机构：
903.3kN↓止推机构：
3477kN←
6.4.2.4工况Ⅵ
•计算荷载：
JA15#节段混凝土荷载4716kN
人群及施工荷载1.5kN/m2
挂篮系统自重
风荷载风速13.6m/s
索力3500kN（单索），水平角度36.253°
•电算模型见图十四
•系统应力分布图见图十五
•系统整体变形见图十六
图十四工况Ⅵ系统整体计算模型
图十五工况Ⅵ系统应力分布图
图十六工况Ⅵ系统整体变形图
各部件内力计算结果如下（取各最不利构件内力值）：
部位
主纵梁
前横梁
中横梁
后横梁
次纵梁
分配梁
综合应力（MPa）
97.9
151
112
83.5
60.8
33.9
•系统整体变形：
58.4mm
•系统最大应力：
151MPa
•约束反力：
前锚杆组：
1649.1kN↑顶升机构：
324.79kN↓
止推机构：
2822.5kN←
6.4.3主要构件电算结果
序号
构件名称
控制工况
杆件应力极值（MPa）
最大位移（mm）
竖向
横桥向
1
主纵梁
工况Ⅵ
97.9
26.4
—
2
前横梁
工况Ⅵ
151
48.9
—
3
中横梁
工况Ⅵ
112
47.4
—
4
后横梁
工况Ⅰ
83.5
37.5
—
5
次纵梁
工况Ⅴ
117
22.5
—
6
分配梁
工况Ⅴ
106
5.5
7
挂腿
工况I
113
14.9
-
8
拱架
工况Ⅴ
101
3.8
3.8
—
工况Ⅴ
-88.5
3.7
3.7
—
工况Ⅴ
-30.1
—
—
—
综上所述，各构件折算应力均≤[σ]，强度满足要求；变形量均≤
，刚度满足要求。
6.5各机构受力情况（单边）
张拉机构:
3450kN（设定）,
止推机构:
3477kN（工况Ⅴ）,←
前锚杆:
2194.9kN（工况Ⅳ）,↑
顶升机构:
1002.3kN（工况Ⅳ），↓
行走反滚轮:
342.71kN（工况I），↓
挂腿支点处:
1137.9kN（工况I）.↑
6.6挂篮整体抗倾覆计算
6.6.1挂篮行走状态稳定性
工况Ⅱ，计算挂篮行走状态稳定性。
挂篮行走至新浇梁段最外沿处（迎风面积最大），风垂直向上吹（风速25m/s），为最危险状态。
考虑荷载：
模板重量684kN
承载平台重量1079.8kN
张拉机构重量53.5kN
反滚轮机构重量11kN
风载荷：
风速25m/s。
总倾覆力矩：
M倾=2251.35kN.m
抗倾覆力矩：
M抗倾=6237.74kN.m
抗倾安全系数：
k=M抗倾/M倾=2.8
6.6.2挂篮初张拉状态稳定性
工况Ⅲ，JA15#节段，挂篮定位，斜拉索张拉至初张拉值1683.3kN（单索），未浇砼，风垂直向上吹（风速13.6m/s）,计算挂篮初张拉状态稳定性。
考虑荷载：
模板重量684kN
承载平台重量1079.8kN
张拉机构重量53.5kN
反滚轮机构重量11kN
后锚杆组极限受力按5930kN计，
风载荷风速13.6m/s，
索力1683.3kN（此时倾覆力矩最大）。
总倾覆力矩：
M倾=22302.72kN.m
抗倾覆力矩：
M抗倾=54667.43kN.m
抗倾安全系数：
k=M抗倾/M倾=2.4
7.主要施工步骤
挂篮施工中，均处于两种状态：
行走状态和浇筑状态。
7.1行走状态
•脱模；
•放松张拉千斤顶并拆除张拉千斤顶与斜拉索的连接；
•拆除止推机构，接长钢板滑道；
•拆除后锚杆组；
•放松前锚杆组，挂篮下降（370mm），挂腿落至钢板滑道上；
•安装顶升机构千斤顶，且油缸伸长；
•安装行走反滚轮，顶升机构千斤顶油缸缩回；
•安装牵引机构，将挂篮前移并定位。
7.2浇筑状态
•安装顶升机构千斤顶，油缸伸长并顶升，放下行走反滚轮；
•安装前锚杆组，同时顶升机构千斤顶油缸缩回，提升挂篮；
•安装止推机构，操作止推千斤顶，使挂篮纵向定位；
•安装后锚杆组；
•立模，测量标高，同时调整顶升机构千斤顶及锚杆组，使挂篮精确定位，并满足预变形要求；
•连接张拉机构与挂索，形成挂篮前支点,并一次张拉；
•按主梁施工控制要求分层浇筑混凝土，并张拉斜拉索，使各节段满足索力及变形双控的要求。
8.制作与拼装
挂篮采用工厂制作，运至现场进行拼装。
由于挂篮承受荷载大，又长时间重复使用，故要求按永久结构的标准制作。
制作中应严格控制焊接质量及机加工件特别是张拉构件的加工质量。
为方便运输且考虑现场起重能力的限制，长大构件一律分段制作现场拼装。
9.试载要求
使用前要求进行挂篮的试载。
试载的目的一方面是检验设计、制作、安装工作的质量，消除系统非弹性变形；另一方面可为桥梁设计和施工控制提供试验数据。
试载程序完全模拟悬浇工序进行，试载过程中进行结构应力及变形检测。
10．存在问题
现挂篮设计中存在的主要问题为：
挂腿垫块中心到拉索中心间距450mm，到桥面外边缘间距150mm，距离太近，间隙十分小，给施工过程造成了不便。
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