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摘要：本文介绍的是二连浩特至广州高速公路湖南永州至蓝山段荷叶塘高架桥的挂篮设计，主要从荷叶塘高架桥的挂篮的选取，受力分析、内力计算等方面进行阐述。
关键词：荷叶塘高架桥；三角形挂篮；设计
一、工程概况
荷叶塘高架桥是一座特大型十一跨预应力混凝土连续刚构桥，主桥全长1037.5m，跨径设置为66m+3×110m+2×66m+4×110m+66m。刚构墩墩顶悬浇“T”0号梁段长11.0m，其余1~14号梁段分段长为5×3.0m+5×3.5m +4×4.0m；连续墩墩顶悬浇“T”0’号梁段长5.0m，其余1’、1~14号梁段分段长为6×3.0m+5×3.5m +4×4.0m，中、边跨合拢段均为2.0m。
二、挂篮形式的选取
（一）．挂篮设计原则
挂篮施工对整体构思、计算公式、体系建立和构件的设计起着重要性的影响。因此，挂篮设计必须注重组织结构及整体的功能，具体原则有：稳定、受力合理、自重轻、承载能力大、制作简捷、拼拆方便，施工浇注变形小、且在保证施工人员安全的措施方面有一定效果等等。
下面从设计过程方面对材料、设计标准、工作系数、受力等方面进行论述：
1、材料选择
挂篮一般是由钢构件组成，主要采用贝雷桁梁、万能杆、钢板和槽钢型钢等高强轻质钢材拼装成受力构件，选用预应力索或精轧螺纹钢做吊杆。
2、设计标准
钢结构挂篮一般都采用容许应力法设计。挂篮行走冲击为系数1.2，施工荷载（人员、模板、机具、振动力）为系数1.4，抗倾覆稳定为系数1.5，整体刚度取1/600，外模刚度和前后横梁取1/400，内模刚度取1/300。节段施工中过大的变形量容易引起节段面上出现裂缝，故挂篮整体刚度是桥梁浇注砼施工控制的关键环节，也是影响整个线形最重要的要素。
3、挂篮工作系数
挂篮已向轻型且重载方向发展，假定挂篮的设计是否优化用主要控制指标A和A′来反映。设定A=挂篮总重量/悬浇最重节段重量，A′=主承重结构/悬浇节段重量。技术规范中A值为0.3～0.5，A值越低，表示承受节段单位重量的挂篮使用材料越省，设计结果越有优势；A′值越低，表示挂篮主承重构件的使用材料越省，设计结果越有优势。
4、受力分析
挂篮的计算分析可以采用手算和电算两种方法相互结合。电算计算理论是立足于空间杆系有限元法，可采用ANSYS、MIDAS、SAP2000等有限元构件模型空间进行分析，过程中考虑可能遇到的各种荷载情形，组合各种最不利工况，对各个构件的位移和控制内力进行确定。计算关键在于模型的建立，并确定节点采用铰接还是固接。
（二）、荷叶塘高架桥挂篮形式的论证、选取
首先挂篮采用须满足重量轻便、结构简单、安拆方便、安全性高以及使用过程中变形量小等特点。挂篮按受力构件的结构形式可分为斜拉式、型钢式、桁架式及混合式四种。
荷叶塘高架桥选取了三角形挂篮无配重形式，其突出特点如下：
1、三角形挂篮前横梁高度低，重心位置低，相比于菱形挂篮大大提高了走行时的稳定性。
2、重量轻便，结构简洁，方便拆装。三角形挂篮主桁架和主要结构体系为箱形结构，采用钢板和型钢焊制而成，单件重轻，采用高强螺栓连接的法兰结构，便于拆装和运输。
3、利用已现浇成形梁段竖向预应力钢筋为后锚点，取代平衡重系统的压重结构。
4、挂篮使用液压走行系统，具有准确就位、走行快速且安全性能高等特点，由走行轮、走行油缸、反扣轮及导梁组成。
5、该挂篮应用面广，针对各种幅宽和梁高的桥梁稍作改装即可使用。
三、挂篮的设计
（一）、挂篮结构主要技术特征
荷叶塘高架桥所采用的三角形挂篮由主桁梁、前上横梁、轨道、底篮、前吊、模板、防护和后锚系统组成，荷叶塘高架桥挂篮总重（含内外模）约为580kN，荷叶塘高架桥挂篮形式见图1。
构件设计时建立空间模型分析不同工况下各构件的最不利荷载，作为选用构件的依据。构件选用不仅要满足应力要求，还要考虑杆件的构造要求、拉压稳定和生产的便利性等，在允许范围内除使挂篮重量最小化，并合理有效利用特种、普通钢材相结合以达到节省成本的目的，同时尽量优化其使用效果及提高其施工安全性能等。荷叶塘高架桥挂篮材料选用主要是工字钢、槽钢和钢板，截面为箱形结构。下面对其主要组成部分进行介绍：
图1、荷叶塘高架桥挂篮示意图
1、主承重系
挂篮的主承重系三角架由斜拉带、立柱、主梁组成，由前、中、后横梁与横联连接而成整体两榀三角架。由高强螺栓焊接成上、下主梁，断面采用两条工字钢I36a，且在上面加盖δ=18mm厚钢板截面；采用格构形状的立柱，由δ=10mm钢板和角钢＜100×100×10mm组装焊接而成；由钢板与槽钢[25a焊接成斜拉带，单榀三角架设两条斜拉带，分一前一后；前、后横梁为箱形结构，由钢板和型钢组装焊接成的，采用角钢＜90×90×10mm焊接成平面桁架结构的横联。
2、底篮系
底篮由前后托梁、各纵梁、工作梁与底模板组成。前托梁、后托梁总长均为10m，均由槽钢[36与δ=16mm厚钢板组装焊接而成；纵梁采用工字钢I32a均布设置，并在腹板正下方加密4条；底模板与纵梁焊接成两个固定整体，采用螺栓连接托梁和中部的三条纵梁，使其可沿托梁滑移调整底板处宽度；用槽钢[8与δ=6mm厚钢板组装焊接成底模板，采用钢木或木模结合的模板组成两底模之间形成的梯形带，并平铺于纵梁上。
3、内外模板系
（1）外模系
挂篮外模由面板、横肋、外滑梁、桁架、牛腿构成。面板用δ=6mm钢板；横肋面板分格成双向板，采用槽钢[8和δ=5mm扁钢；外滑梁与升降式牛腿一起支撑侧模，采用钢板组装焊接；桁架直接焊接于横肋之上，采用槽钢[8组装焊接。
（2）内模系
内模由顶板、滑梁、骨架构成。面板用Q235、δ=6mm厚钢板；用角钢∠7537536与钢带δ=5mm组成骨架；滑梁前悬吊在主桁的前分配梁上，后悬吊在已浇筑的箱梁顶板上，支撑模板，并在横肋上设置活动销来调节顶板宽度，满足箱梁腹板厚度变化时的调整；横、竖肋连接采用铰接，使用增减块板方式调节模板高度。
（3）端模
为适用孔道位和梁腹板厚的变化而采用独立块钢模，用螺栓固定端模板，外包于内外模板前端，由伸出端面的钢筋固定梁顶板上方的端模。
4、悬吊系
悬吊系包括升降装置、前托梁吊带、后托梁锚杆与扁担梁等。前托梁上端设置吊点12个，分别悬吊在主承重系的两个单元；后托梁设锚点10个，除箱梁翼板上悬吊2个锚点外，余下锚点锚在底板上面，采用40Cr与φL60精轧螺纹钢相结合的后托梁锚杆形式；前托梁锚杆采用100×30mm的钢板。
5、锚固系
每个主桁设置4个锚固点，行走轨道用箱体的竖向预应力筋锚固，再将挂篮主桁锚固在行走轨道上，锚固时采用锚杆配以扁担梁。
6、行走系
行走系包括小车、轨道、吊杆及吊带、手葫芦等装置。挂篮向前移动，手葫芦牵引主桁，带动挂篮整体前移就位，并在主桁后端设行走小车以平衡倾覆力矩。每条轨道由两根36a型工字钢及连接槽钢、连接板等组成。
（二）、荷叶塘高架桥挂篮主要技术参数主要技术参数如下表：
图2、三角挂篮构件的传力过程
（四）、构件内力的计算
因浇筑过程中各节段的荷载不断变化，挂篮各杆件受力情况也不断变化，故非常有必要拟订计算一个最不利的施工过程，用以优化杆件构造设计，并确保安全施工。最不利施工过程的拟订是依据待浇梁段混凝土的最重总重量和最大总体积，按设计划分的单“T” 沿14个梁段的体积分布，3m节段、3.5m节段和4m节段的各自最大体积为1＃梁段（重115.3t）、6＃梁段（重128.6t）和11＃梁段（重137.5t）。因各个构件在施工过程中的受力是相对独立的，所以有必要根据设计分段把主梁的截面细分。比如1#节段（最长3m梁段）、6#节段（最长3.5m梁段）混凝土重量可能会对顶板内滑梁和翼缘板外滑梁产生最不利影响，11#节段（最重4.0m梁段）可能会对前后吊挂构件和底模纵横梁产生最不利影响。根据设计节段长度的变化，拟订1#、6#和11#三个节段，其混凝土重量对挂篮构件的影响效应可以囊括其它节段，并以这三个施工节段为基准计算挂篮构件的内力。空挂篮状态基准计算以挂篮在一个行走阶段，如挂篮从1#施工节段至2#施工节段，计算滑移过程中构件应力的变化。
挂篮构件内力计算中荷载参数的选定：a、施工临时荷载重2.5kN/㎡；b、施工冲击荷载重1.5kN/㎡；c、采用定型钢模模板，模板重量依据各节段所用数量计算；d、结构自重。
（五）、计算结果及分析
最不利工况为1＃、6＃和11＃节段梁，它们分别是3m、3.5m和4m节段梁的最重者；同时还考虑挂篮行走过程工况。荷叶塘高架桥挂篮三种工况对应的主梁最大变形为：1#节段为5.3mm；6#节段为6.1mm；11#节段为7.5mm；挂篮底篮的最大变形分别为：1#节段为8.7mm；6#节段为10.9mm；11#节段为12.2mm。从计算的结果可见，荷叶塘高架桥挂篮的三个最不利工况节段构件应力均满足材料允许值，可断定在整个施工过程中所有节段的构件应力也满足要求，且应力相对比较小；从浇注过程中挂篮的变形量小可说明挂篮的整体刚度大，有利于对施工过程中整个线型及标高的控制，提高桥梁的施工质量。
四、结论
虽然荷叶塘高架桥超高、超长，施工难度大，但是通过一系列科学的计算为依托，并制定周密的施工组织设计，从而保障了工程施工的顺利开展，降低成本、缩短工期，取得良好的社会效益和经济效益。
参考文献
[1]《荷叶塘高架桥施工图纸》；
[2]《钢结构设计规范-GB50017－2003》；
[3]《铁路桥涵施工技术规范-TB10203-2002》。
论文作者:王洁华
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/10
标签：挂篮论文; 高架桥论文; 构件论文; 荷叶论文; 钢板论文; 槽钢论文; 荷载论文; 《建筑学研究前沿》2018年第8期论文;