跨海大桥挂篮法悬臂浇筑施工力学特性及技术方法

甄国君

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司,天津 300381）

0 引言

跨海大桥是我国交通网的重要组成部分，挂篮工艺在悬臂浇筑中较为常用，具有结构简单、方便拆装、稳定性高、可循环利用等优点[1]。然而，挂篮的使用具有较多样式，且缺少统一的设计标准，分析其力学特性才能保证施工安全和进度。有限元分析是采用数学近似法，用简单的、相互作用的元素去解决复杂性问题，在工程分析领域广泛应用。以下结合实际案例，探讨了菱形挂篮的施工力学特性和施工技术方法，以供参考。

1 工程概况

某跨海特大桥，起止桩号为K4+020~K6+070，全长2 050 m。主桥上部采用预应力混凝土变截面箱梁，箱梁顶板宽11.5 m，底板宽6.5 m，翼缘板悬臂长2.7 m。箱内顶板标准厚度0.3 m，根部加厚至0.7 m，端部加厚至0.6 m。底板厚度线性变化，最大为0.8 m，最小为0.3 m。横隔板仅设置在边跨端部与0#块顶部，0#块现场浇筑时利用钢管桩支架系统，其他节段则采用悬臂浇筑工艺。1#、6#和11#块是悬臂浇筑的控制关键，基本信息见表1。

表1 关键控制节段的基本信息

2 菱形挂篮的结构组成和钢材参数

2.1 结构组成

菱形挂篮主要包括5 个部分：

（1）挂篮系统。该系统包括主桁架、走行、锚固、底篮、吊挂、模板、平台及防护等组成，各部分既是独立的，同时又相互联系。

（2）主桁架系统。作为主要受力构件，由承重杆、连接桁架、销轴、上横梁等组成。其中的主桁架是经型钢杆件和节点连接而成，外观上呈菱形，方便拆装运输[2]。

（3）走行系统。该系统由轨道、压梁、垫梁、滑座、吊挂滚轮等组成。其中，挂篮移动时，液压油缸提供动力，铺设轨道作为移动路径，在吊挂滚轮、后锚固的辅助下，实现挂篮向前、向后移动。

（4）锚固系统。主要构件是扁担梁和锚杆，辅助构件是有垫块、螺帽等，实现主桁架的自锚平衡。

（5）底篮系统。由下横梁（前、后）、底篮纵梁组成，材质均是型钢。

（6）模板系统。由底模、内模、外侧模三部分组成，采用钢木组合模板，内模与外模之间设置拉杆。

2.2 钢材参数

菱形挂篮的总质量约65 t，悬臂浇筑时分段长度最大为4.0 m，钢材使用Q235 和Q345，主要参数见表2，强度设计值为770 MPa。

表2 挂篮钢材主要参数

3 菱形挂篮施工力学特性的有限元分析

3.1 建立模型

对挂篮主要构件的强度、变形进行验算，分析菱形挂篮的施工力学特性。结合该工程实际情况建立桥梁模型。挂篮以施加力的方式呈现，结合施工过程及构造特点，将整个桥梁划分为110 个单元，其中X、Y、Z分别代表桥梁的横向、纵向、竖向。边界条件设置为过渡墩与主梁的连接，设置横向、竖向线性弹簧，模拟支座的抗风效应。

因桥梁不同部位的受力特点不同，需假定力学作用，包括翼缘板混凝土、顶板混凝土、底板混凝土及其模板支架等。以顶板混凝土为例，该部位混凝土、内模、支架三者的荷载组合，其中一部分荷载传递给前一节段的箱梁顶板（已施工完成），另一部分荷载传递给挂篮的前上横梁。

3.2 参数设置

主要材料参数：桥梁结构采用C55 混凝土，弹性模量为3.55 kN/mm2，容重为2.5×10-8kN/mm3，泊松比为0.2。计算参数：混凝土容重为26 kN/m3，模板支架总荷载为1 kN/m2，人员和材料的堆放荷载为1 kN/m2，混凝土倾倒时的冲击荷载为2 kN/m2，混凝土振捣产生的荷载为2 kN/m2，风荷载取值1.59 kN/m2。

3.3 荷载工况

分别在混凝土浇筑时、挂篮行走时计算挂篮的荷载情况。荷载组合分为三种情况：①混凝土和挂篮自重+模板荷载+人员和材料的堆放荷载+混凝土倾倒和振捣荷载；②混凝土和挂篮自重+模板荷载+人员和材料的堆放荷载；③挂篮自重+走行冲击荷载。挂篮行走时的冲击系数取值1.3，抗倾覆稳定系数取值2.0。

3.4 计算结果

3.4.1 主桁架承重

主桁架压杆材质是I30b 槽钢，拉杆材质是I28b 槽钢，底篮和滑梁荷载传递至主桁架。分析计算显示，主桁架最大应力值为135.2 MPa ＜215 MPa，处于安全范围内。主桁架最大位移值为14.3 mm，杆件轴向最大压力位于前斜杆，最大拉力位于后斜杆。已知压杆长度为4 920 mm，回转半径为114 mm，长细比约为43.5，属于b 类构件，查表得到稳定系数是0.884 5，计算得到轴心受压强度为112 MPa ＜215 MPa，可见前斜杆的稳定性满足设计要求。

3.4.2 底篮前后下横梁受力

下横梁材质均是I40b 工字钢，下横梁的弯曲应力为54.1 MPa ＜205 MPa，处于安全范围内；最大剪应力为32.5 MPa ＜120 MPa，处于安全范围内。前下横梁的跨中变形量为3.2 mm ＜15.75 mm，悬臂端变形量为3.3 mm＜11 mm，均满足安全要求。可见，前后下横梁的强度、刚度计算结果均满足规范要求。

3.4.3 前上横梁受力

前上横梁承受内外模滑梁前吊点、前下横梁传递的荷载，支撑位于主桁架前部端点[3]。前上横梁的材质是I40b 工字钢，弯曲应力为126.7 MPa ＜205 MPa，处于安全范围内；最大剪应力为39.6 MPa ＜120 MPa，处于安全范围内。前上横梁的跨中变形量为3.3 mm ＜14.37 mm，悬臂端变形量为1.1 mm ＜13.12 mm，均满足安全要求。可见，前上横梁的强度、刚度计算结果均满足规范要求。

3.4.4 挂篮行走抗倾覆验算

空载状态下，挂篮行走过程中的倾覆力，利用支架上的反扣轮进行平衡。此种工况下，计算模板系统、吊带、操作平台的总荷载，得到结果为426 kN。挂篮行走时的冲击荷载系数为1.3，计算可得单个主桁架承受荷载为138.5 kN。在单个主桁架的前部端点施加138.5 kN，建立模型后计算，得到后轮反力为124.9 kN。轨道由2 根精轧螺纹钢固定，其承载力为1 238.5 kN，计算得到安全系数为9.9 ＞2.0，说明挂篮行走时的抗倾覆安全性能满足规范要求。

4 菱形挂篮施工技术方法

该项目中，菱形挂篮施工工序为准备工作→安装挂篮→堆载预压→安装钢筋和预埋件→浇筑混凝土→挂篮前移→挂篮拆除。技术要点如下：

4.1 施工技术要点

4.1.1 准备工作

（1）熟悉设计图纸和现场环境，严格按照规范标准施工。重点检查预埋件的位置和数量，出现问题及时纠正处理。

（2）0#块施工完成、张拉满足要求后，测量人员复核高程、坐标，在梁体两侧腹板的顶面放出行走轨道的中心线，方便后续挂篮安装、移动。

（3）使用M20 砂浆调平行走轨道的中心线，轨道两侧中心线的高差要求≤5 mm，当砂浆强度达到设计值可铺设行走轨道。

4.1.2 安装挂篮

挂篮在0#块拼装，两侧对称安装。通过测量放线调平底座，安装滑轨，依次吊装主桁架、主锚、横联、吊带、吊杆；安装底模、侧模及外滑架、内模及内滑架、端模。利用千斤顶顶立柱时，要测出挂篮主梁前段顶面的高程，将高程增量控制在20 mm 内。检查斜拉带的松紧度，同一侧的斜拉带若松紧不一，则打入钢楔紧绷斜拉带。前后吊带安装后，检查线形保持顺直，组织技术人员对挂篮的拼装质量进行检查。

4.1.3 堆载预压

挂篮安装完成，检查各部件质量，使用前进行走行试验，测量加载状态下的弹性变形量，调整后续施工参数。1#块混凝土浇筑量最大、节段长度最短，计算得到混凝土方量约58 m3，单位重量为26 kN/m3，模板质量为14 t，人员、材料堆载荷载为49 kN。按照最大施工荷载的1.2倍控制，预压荷载值为2 009 kN，根据挂篮不同部位的受力特点对配重进行分配。堆载预压采用沙袋，如图1所示，第一次施加至总荷载的60%，第二次至总荷载的100%，第三次至总荷载的120%，并测量挂篮的变形值[4]。

图1 挂篮堆载预压示意图

4.1.4 安装钢筋和预埋件

（1）根据施工方案检查钢构件外观质量，去除表面的锈迹和杂质；调直机调直，断筋机截断，弯曲机制弯。

（2）钢筋加工处理后，运输至桥梁施工部位，经塔吊运输至模板内，按照设计图纸绑扎，完成后及时对钢筋安装工程验收。

（3）预埋件施工要准确定位，确保数量符合设计要求。针对预埋件数量不足、位置偏移等情况，及时向上级通报，采取补救措施[5]。

（4）浇筑混凝土前，使用测量仪器复核高程等指标，无误后才能浇筑。

4.1.5 浇筑混凝土

该项目中，C55 混凝土由商混站拌制，技术要点包括：

（1）合理选择运输路线，进入现场后采样检查均匀性、坍落度等指标，检查模板、钢筋、预埋件等，符合要求才能浇筑。

（2）模板内部不能有积水、杂物，清理钢筋表面的污垢。相邻模板之间的缝隙，使用密封胶进行填塞，在内侧涂刷脱模剂。

（3）混凝土入模时使用导管，下落距离＜2 m，防止混凝土离析[6]。浇筑后及时振捣，使用插入式和附着式振捣设备，前者快插慢拔，确保每个部位振捣均匀，直至表面停止出现气泡、没有浮浆。

（4）混凝土浇筑完成后，安排专人覆盖薄膜、洒水保湿养护，养护时间不短于14 d，同时注意成品保护，防止机械或材料碰撞。

4.1.6 挂篮前移

（1）挂篮前移由液压油缸提供动力，使前支腿与轨道之间相对滑动，准确控制前移量。

（2）在迁移位置做出标记，当挂篮移动至此处，安装后锚，调整底篮位置，用千斤顶锚固，按照设计要求施加预应力。此时吊带承受荷载，千斤顶不承受荷载。

（3）挂篮前移时，外模一同前移，当箱梁腹板、底板钢筋绑扎完成，再将内模前移。整个施工流程如下：前一段浇筑且张拉压浆完成→行走前准备→底篮外侧模下降→外侧模走行小车就位→拆除挂篮后锚及箱内、翼缘板吊带→安装动力装置和保险装置→挂篮前移→调整轴线、标高→施加挂篮后锚→安装箱内、翼缘板吊带→调整外模板→内模前移就位。

（4）挂篮前移到位，调整挂篮轴线，在主梁后锚位置使用扁担梁、精轧螺纹钢筋对主梁锚固，装设箱内、翼缘板吊带。

4.1.7 挂篮拆除

（1）挂篮节段施工完成，利用倒链拆除内模，将其调运至梁顶和主栈桥，底篮和侧模下降后置于运载船上。运至栈桥后，利用塔吊分解处理。

（2）当内模、侧模、底模全部拆除完成，将挂篮后退至5#块，拆除挂篮剩余部分，包括主桁架、前横梁、轨道系统等。

（3）挂篮全部拆除后，将所有构件存放在指定场所，检查质量后方便后续循环使用。

4.2 施工成果

以11#块为例，采用挂篮法悬臂浇筑前、后，分别对边跨、中跨的高程进行测量，见表3。结果显示，边跨内侧最大高差为14 mm，中跨中心最大高差为17 mm，而有限元模拟值为15.1 mm，可见有限元分析结果较为接近。后主跨顺利合龙，在规定工期内完成施工任务，顺利通过质量验收。

表3 11#块边跨、中跨高程实际检测结果

5 结语

综上所述，该研究以某跨海大桥为例，采用挂篮法悬臂浇筑施工期间，经有限元分析发现最大位移发生在支架前顶部，最大弯曲应力、切应力和最大变形值在前上横梁，抗倾覆稳定性满足设计要求，可为类似项目的施工提供参考。未来施工中，应严格控制工艺流程，采取质量管理措施，以达到降本增效的目标，提升综合效益。