中交第三航务工程局有限公司厦门分公司 福建厦门 361106
摘要：跨线桥挂篮悬浇法施工具有便利性的同时也存在较大安全风险。挂篮结构选型和施工过程控制是关键。文章结合厦门翔安大道跨线预应力混凝土连续箱梁桥工程特征，综合比选了若干种挂篮结构，确定三角形桁架形式结构最符合本工程需求，通过对挂篮主桁架和稳定性的计算分析，结果表明本工程挂篮稳定可靠。最后，通过施工全过程有效控制技术实现挂篮安全施工，顺利完成跨线桥建设。
关键词：挂篮，结构选型，稳定性，施工技术
1 工程概况
厦门翔安大道跨线桥桥梁全长288.16m，分上、下行两幅，两幅间隙3.0m，全宽37.0m，单幅宽17m。桥梁跨径布置：50m+85m+85m+50m，四孔一联，上部结构采用预应力混凝土变截面连续箱梁。跨线桥箱梁宽度为17.0m，底板宽11.5m，悬臂长度2.75m，梁高为2.30～5.10m，顶板厚度为280mm，腹板厚度为500～800mm，底板厚度为300～1100mm。
本跨线桥整体施工采用对称悬臂浇注施工技术。连续箱梁0#块长11m，直接在支架上浇筑施工。其两侧各有1#~10#节段，采用挂篮悬臂浇筑施工，节段长度依次为2×3.0m、4×3.5m、4×4.0m，拟投入3对挂篮进行施工。
2 挂篮结构选型
挂篮按照主承重结构分类，常见的有平行桁架式、弓弦式、菱形式、预应力斜拉式、三角形式等常用形式。挂篮主承重结构总体选型原则是结构受力简洁合理、安全可靠度高、自重轻而刚度大、施工拆装方便[1][2]。首先平行桁架式的构造复杂，构件多，材料率相比其他结构低[3]；弓弦式挂篮的杆件较多，拆装不方便。结合本工程总体高度和跨度不算大，故在后三者中选型。斜拉式挂篮最符合力学原理，但限位装置多，且在每个施工循环必须增加斜拉杆和限位装置安拆工序，不够方便。菱形挂篮的端部受力点位置较高，相对三角形结构其横向稳定性偏低，且三角形挂篮的构件加工数量最少，加工方便和拆装最为方便。综合以上对比分析，本工程选用三角形承重结构挂篮，挂篮具体构造示意图如图2.1所示，具体构造见表2.1。
图2.1 本工程挂篮构造图
表2.1 本工程挂篮构造
系统组成主要构件构件形式、数量及功能
3 确保挂篮结构的力学构造设计分析
挂篮事故多表现为主体结构构件破坏或者整体失稳倾覆[4]，所以，根据施工实际情况，进行挂篮的力学计算分析是挂篮安全施工有效保障。
3.1 挂篮主构架力学分析
本工程中3#段荷载最大，故只要该段力学参数安全，其他段都得以保证。3#段的截面形式尺寸及主要参数见图3.1和表3.1。
图3.2 主构架桁架力学模型
（1）杆件内力计算
支座反力: NA=684.5×4610/4008=787.3kN
NB=T+NA=684.5+787.3=1471.8kN
各杆件的内力:
FAC= NA /sinα=787.3/sin42°=1176.6kN（拉力）
FAB = FAC cosα=1176.6×cos42°=874.4kN（压力）
FBC =NB=1471.8kN（压力）
FCD= T/sinβ=684.5/sin38°=1111.8kN（拉力）
FBD=T /tgβ=684.5/tg38°=876kN （压力）
（2）杆件的稳定性及强度验算：
从以上计算结果可知，压力最大的是杆件BC，必须校核其稳定性；压力最大的杆件AC应校核其抗拉强度。
1）杆件BC的稳定性计算：IX=372000000mm4，Iy=318040000mm4
则：ix=（Iy/Ai）1/2=（318040000/166）1/2=1384mm;
其中Ai为截面面积16600mm2
λ=l/iX=36000/1384=26，
=381.80kN
钢材为Q235，根据手册选a=235.2MP，b=0.00668MP,
σBC=FBC/(Φ×Ai)=381800/(0.92×16600)=25MPa＜[σs]=160MPa，满足
2）杆件AC的抗拉强度验算：
σAC=FAC/A=1176600/16600=70.88MPa＜[σs]=160MPa
AC杆满足要求。其他杆件受力低于AC杆，也安全。
（3）刚度验算
整个主构架的D点为悬挑端最末点，要确保整体结构变形在合理范围。
根据莫尔公式：f=Ft×F×Li/（E×Ai）
上式中：F—单位力作用下的桁架杆件内力。
Ft—实际杆件内力。
E—弹性模量2.1×104MPa。
Li、Ai—各构件的计算长度和截面积。
则D点的挠度计算如表3.3所示。计算得到最大挠度为14.31mm，属于规范和设计要求的安全范围。
表3.3 主构架D点处挠度计算表
3.2 挂篮后锚扁担梁强度计算
后锚扁担梁的强度是确保挂篮整体稳定的关键。计算得每组承重架的后锚力NA=750kN。现主要对后锚扁担梁的强度验算。扁担梁由2根25槽型钢拼焊而成，其截面特性数据如下：
I=207650000mm4，W =15380000mm3，A=2×3991+1×2000×2=11982mm2
后锚所受弯距：M=750/400×98=183.75kN·m
后锚扁担梁所受的弯曲应力：σ1=M/W=1837500000/15380000=119.4MPa
后锚扁担所受的剪切应力: τ1=75/4/A×103=15.6MPa
最大应力：=(σ12+3τ12)1/26=(119.42+3×15.62) 1/2=122.4MPa＜[σ]=160MPa
故后锚扁担梁安全。综上得出结论：挂篮施工时不会倾覆。
3.3 挂篮空载前移时抗倾覆稳定性计算
当挂篮空载前移到箱梁浇筑位置处，处于悬臂状态的挂篮所受的倾覆力矩最大。每组承重架前端载荷为：T≈200kN。
则反扣轮组负荷：
FA=LBD/LAB×T=461/400.8×200=230kN
（1）反扣轮组联接螺栓的强度校核
反扣轮组与主构架的联接螺栓为10组M24×80，每组螺栓的额定抗拉力 [F]=43.75kN，每组螺栓的实际负荷为F=230/10=23kN＜[F]
（2）轴承负荷校核
本工程挂篮每套反扣轮组共有412轴承8套。考虑到挂篮实际使用时受力的不均衡性，将受力轴承减半承受全部荷载考虑。每只轴承的额定负荷为70kN。4只412轴承的额定静负荷为4×70=280kN＞FA=200kN，故轴承安全。
（3）每套反扣轮组中有4根固定轴（直径60mm），考虑到施工过程受力不均或者不全部受力，为保险起见，考虑仅2根轴受力。则：一根轴所受的剪切应力如下：
τ=FA/2/(πr2)=230kN/2/(π302)=40.69MPa ＜[τ]=140MPa
所以固定轴的抗剪切强度足够 。
综上可得挂篮空载前移时抗倾覆稳定性可靠
4 挂篮施工过程控制技术
4.1 挂篮安装施工控制技术
挂篮的上部承重系统拼装精度直接影响工程质量和安全，故本工程挂篮承重系统及所有杆件在工厂加工，并且在场内进行预拼装，并逐个杆件编号号码。安装要保证挂篮使用中不致出现超过的允许变形而造成安全事故[5]。
在整个挂篮中，主构架的安装控制是首要任务，在挂篮拼装过程中，首先以轨道为基准测放主桁架安装轴线及平面位置，调整挂篮前支座位置。在地面上先组拼成一个单片三角形，由A1杆、A2杆、A3杆、A4杆和结点箱体J1、J2、J3、J4连接组成（见图4.1）。吊装三角桁架，通过在J1箱体下的支座连接就位。再安装反压装置和调整主桁架的横向垂直度，确保各片主桁在纵向平齐（误差≤10mm），确保桁架整体稳定。进而压紧后锚稳定结构纵向，收紧横向葫芦收紧，保证横向稳定，最终通过水平联系桁架连接成整体。
图4.1 主桁架构造
安装后锚。用精轧螺纹钢（长4m，直径30mm）及扁担梁将主桁架后端锚固在已成梁段上。在已浇梁段上预埋竖向预应力筋，并将其与接长筋及锚固系统进行锚固，从而固接挂篮组合导梁与已浇梁体，拼装形成纵横向稳固的受力体系，避免挂篮在施工荷载下倾覆。
4.2 挂篮预压
挂篮的预压是检验挂篮安装强度、刚度和稳定性，消除挂篮主桁架、吊杆及底篮的非弹性变形的重要施工控制技术。
预压堆载试验荷载为1.2倍的设计荷载。采用预制混凝土块逐级递增加载的试验方法，采用整体对对称加载方案，按0%→50%→100%→120%分级均匀加载。全过程做好挂篮变形监测，主要控制点为：后锚上挠度值、前支点下挠度、主桁前端销结点的变形、主桁上前横梁吊带处变和跨中挠度、底篮前横梁吊带处挠度。
试验荷载持续时间以各测点变形达到相对稳定时为准。全部测点在正式加载试验前进行零级荷载读数，每次加载或卸载达到相对稳定时进行读数后，在进入下一级荷载之前再读数一次，如此重复进行。本工程施工过程中，严格对各个测试点所测数值的准确度，并进行现场实时分析，做到了实时掌握控制部位的实际位移，为施工决策提供准确数据信息，确保了施工过程安全和质量。
图4.2 本工程挂篮实景图
4.3 挂篮施工过程控制技术
挂篮加载试验后，可确定立模标高，其值为设计标高、预拱度和挂篮满载后自身变形三者之和。由于理论计算的各荷载阶段的挠度，受混凝土材料本身非理想弹性、安装误差、环境温度因素等综合的影响，与实际挠度存在偏差，施工过程中，要根据已施工梁段的实测数据调整故后后浇筑梁段模板拼装标高，整个过程由专人统一指挥，在过程中逐渐消除误差，最终实现浇筑的梁段线性匀顺。
进行混凝土浇筑阶段，是动态受力最复杂的阶段，控制受力均衡为施工关键技术。混凝土灌注顺序要遵循构造和力学规律，即先底板→腹板→后顶板→翼板的顺序，整体浇筑方向由前端向后端推进。首先底板混凝土浇筑由块段远墩端向近墩端方向浇筑，以及由两侧腹板向箱梁块板中轴方向对称均衡进行。浇筑腹板时，控制两侧浇筑的混凝土梁≤2m3，确保接近平衡。左右悬臂端箱梁须对策同步进行，从而控制箱梁横向总体平衡。浇筑顶板时，从块段端部向根部进行并按照中部顶板→内侧顶板→外侧顶板对称进行。在施工中，以上浇筑过程做到纵横向兼顾，荷载施加均衡，达到挂篮整体稳定的要求。
结论
通过可靠的力学计算分析和适宜的施工技术的应用，配合严格的过程控制，本跨线桥挂篮悬浇最终顺利完工，结构选型合理，计算结果可靠，混凝土箱梁质量合格，整个施工过程未出现安全问题。工程实践表明，挂篮在安装和施工过程中，要因地制宜选择挂篮结构形式和安装方案，针对挂篮主体构件和整体稳定性的力学分析也至关重要，合理选择力学分析模型是基础。在施工过程中，必须严格控制挂篮拼装质量，并进行预压试验，浇筑混凝土过程严格控制挂篮受力均衡，是确保挂篮安全施工的重要技术环节。
参考文献:
[1]黄劲松.桥梁悬臂浇筑法中挂篮施工安全技术与措施[J].安徽建筑，2015,（3）：232.
[2]吴悦琴.新兴大桥复合型前支点挂篮的设计与应用[J].公路与汽车，2009，(6)：125-127.
[3]胡宗浩.黄墩大桥主梁悬臂浇注施工中的挂篮设计与分析[J].中外公路，2010，(4)：187
[4]张晓鹏.钱江五桥悬臂挂篮施工控制技术研究[D].长春：吉林大学，2012
[5]沈其明，刘燕.公路工程施工安全管理手册[M].北京：人民交通出版社，2011.
论文作者:陈国辉
论文发表刊物:《防护工程》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/3
标签：挂篮论文; 桁架论文; 挠度论文; 荷载论文; 结构论文; 悬臂论文; 扁担论文; 《防护工程》2017年第36期论文;