大跨钢筋混凝土箱拱悬浇挂篮设计与计算

韩洋

(贵州交通建设集团有限公司，贵州 贵阳 550000)

挂篮悬臂浇筑是混凝土拱桥、连续梁、连续刚构以及斜拉桥中非常普遍的施工方法，具有十分显著的优点。挂篮悬臂浇筑比悬臂拼装更能适应环境条件、造价低、场地限制小、吊装要求低，且悬浇的整体性明显优于悬臂拼装，后期维护费用低。对中国西部山区正大力发展的混凝土拱桥而言，悬臂浇筑技术必将成为今后施工技术的主要发展方向。

大跨度箱形拱桥的挂篮悬浇技术是一种技术难度较大的工艺，在技术和工艺上都具有一定的独特性，无论是施工还是管理都存在各种难点、挑战。其中悬浇挂篮是拱圈节段悬浇施工的主要承重构件，挂篮的设计、计算是施工成败的关键，具有技术含量高、安全质量控制难度大、工序复杂、施工组织管理难度大等特点。该文以贵州某大跨度拱桥为工程背景，介绍大跨钢筋混凝土箱形拱桥采用挂篮悬臂浇筑的设计、计算及结构特点。

1 挂篮悬浇工程概况

贵州某特大跨度拱桥位于贵州沿河县淇滩镇境内，主桥为240 m钢筋混凝土箱形拱桥，净矢高40 m，净矢跨比为1/6，主拱圈采用等高变截面悬链线单箱双室截面，拱轴系数为1.85，箱形截面宽10 m、高4.5 m。

主拱圈采用挂篮悬臂浇筑进行施工，根据现场情况与实际需要，将拱圈沿纵向对称划分为37个节段。其中：两岸拱脚1号节段采用支架现浇；跨中拱顶合龙段采用吊架浇筑；中间2～18号拱34个节段为挂篮悬浇段。各个阶段的顶板、底板、腹板根据设计需要沿纵向采用不同的厚度，挂篮上模板的设计根据需要进行调整。各个挂篮悬臂浇筑节段的具体技术参数如表1所示。

表1 拱圈节段主要参数

2 挂篮构造与技术参数

采用下承上行式斜爬挂篮，以适用该桥主拱宽度大、拱圈倾斜及每节段角度均不同等特点。浇筑顺序为从拱脚到拱顶，且两岸对称。这种倒挂式的三角斜爬挂篮自重轻，施工空间大、斜爬角度大、施工操作简单。构造特点包括承重桁架系统、底篮支承系统相结合，三角形桁架倒置于箱底，在主桁上弦搁置型钢，当作分配梁放置底模。挂篮在悬浇混凝土承受荷载时，将主桁、模板用拉杆提起紧贴于箱底，同时，在后支点上通过千斤顶调整底模标高，并在中横梁后部设置抗剪臂抵抗下滑力。挂篮行走过程中，松开拉杆、抗剪臂及千斤顶，通过挂钩吊起整个挂篮系统，此过程的力为后支点承载变为反力轮承载，以此推动挂钩使挂篮前移。

挂篮由型钢和钢板组焊构件组成(图1、2)，挂篮总长16 m，高10.05 m，采用三角形桁架作为承重构件，桁架系统高4.3 m，桁片中心距为(2.25+3.2+2.25)m，挂篮重约90 t，设计承载能力300 t。主桁系统包括纵梁、横梁、斜杆、竖杆、挂钩及稳定桁架。主桁纵梁主要包括前纵梁和后纵梁。前、后纵梁均由2[40a型钢通过缀板连接形成箱形杆件。横梁包括前横梁、中横梁和后横梁，前、中、后横梁均由2[32a槽钢焊接形成箱形杆件，与三角形桁架通过栓接连接。箱内设置横隔板，以适用受力、稳定的要求。斜杆包括前外斜杆、前内斜杆和后斜杆，前外斜杆由2[32a型钢焊接形成箱形杆件，前内斜杆由2[25a型钢焊接形成箱形杆件，后斜杆采用2[32a型钢焊接形成箱形杆件。竖杆采用16Mn钢板焊接形成箱形杆件，通过栓接与主桁其他杆件相接。矩形挂钩采用Q345钢板构件，与桁架相连，支承在滑板上，滑板铺设于拱箱顶面轨道，节段混凝土浇筑时，挂钩不承受任何荷载；挂篮前移时，承担挂篮自身的重量，沿轨道行走到指定位置。为增加此结构的整体稳定性，各主桁杆件之间设有水平和竖向稳定桁架。

图1 挂篮整体立面图(单位：mm)

图2 挂篮断面图(单位：mm)

3 挂篮计算

采用Midas软件模拟挂篮，建立空面杆系有限元整体模型，对挂篮的传力过程及挂篮结构进行有限元计算。根据结构特点整体模型共196个节点，241个单元，结构截面特性11种，释放梁单元约束69处(梁单元铰接处)，支座8个(主桁竖杆支点4个、纵梁横杆支点4个)。

采用允许应力法进行验算，挂篮的主要计算参数为：钢弹性模量为2.1×105MPa, Q235钢容许应力[σw]=145 MPa,[σ]=140 MPa,[τ]=85 MPa,16Mn钢容许应力[σw]=210 MPa,[σ]=200 MPa,[τ]=120 MPa。混凝土重度26 kN/m3,模板自重1.0 kN/m2,施工人员、机具荷载1.5 kN/m2,倾倒混凝土时产生的冲击荷载2.0 kN/m2,振捣混凝土产生的荷载2.0 kN/m2。挂篮空载行走冲击系数1.4,挂篮稳定系数≥4.0,锚固安全系数≥2.0。

计算过程主要对主桁承重系统强度、稳定性以及挂篮行走进行计算，为简化和偏安全考虑，在进行混凝土重量、挂篮自重、模板荷载、临时荷载等组合的基础上，考虑以下6种工况的计算：① 工况1：2号节段施工，角度最大，2号节段长7.227 m，重266.1 t;② 工况2：4号节段施工，节段最长，4号节段长7.324 m，重257.8 t;③ 工况3：13号节段施工，顶板变化段，节段垂直于挂篮重量变大，13号节段长6.56 m，重237.5 t;④ 工况4：15号节段施工，节段垂直于挂篮重量最大，15号节段长6.507 m，重245.3 t;⑤ 工况5：17号节段施工，角度最小，17号节段长6.475 m，重量为244.2 t;⑥ 工况6：挂篮行走，模拟挂篮行走时的工况。

前5种工况分别模拟2、4、13、15、17号节段的挂篮浇筑，这些典型节段的断面布置如图3所示，分配梁受载宽度为面积对应的箱梁底部长度方向，相邻分配梁平均分配。工况6模拟挂篮行走，挂篮自重为结构自重乘1.4冲击荷载系数，模板及临时荷载按照纵梁和分配梁线荷载为3.5 kN/m计算。

图3 典型节段的立面图(单位：cm)

计算结果如表2所示，其中轴力以拉力为正、压力为负，应力以拉应力为正、压应力为负。

由表2可知：挂篮各个构件在工况1～6荷载作用下结构的强度、变形和稳定性均满足相关规范要求。挂篮锚固共4个位置，即主桁竖杆锚固于箱梁顶面。主桁后锚最大锚固力为1 394 kN，锚固力需求为2 788 kN(2倍安全系数)，即为拉杆计算荷载，经验算满足有关规范要求。

表2 挂篮计算结果

4 结论

(1)以大跨度混凝土拱桥悬浇挂篮施工为工程背景，介绍了大跨钢筋混凝土拱桥悬浇挂篮的设计、计算及结构特点。

(2)6种工况下挂篮应力、变形和稳定性计算结果均满足有关规范要求，实际应用验证了该类挂篮的可靠性。这种大跨混凝土箱形拱桥挂篮分节段悬浇技术的成功应用，为此类桥梁挂篮悬浇技术的推广应用打下了良好的基础。