预应力混凝土连续梁挂篮设计与施工工艺

预应力混凝土连续梁挂篮设计与施工工艺中铁七局集团第五工程有限公司中铁七局集团第五工程有限公司1、前言为适应不同跨径、不同截面的桥梁，挂篮也在不断的创新。挂篮越来越趋向轻型化，受力越来越合理，走行也越来越方便。挂篮的设计原则是挂篮结构应具有足够的强度、刚度和稳定性，自重轻，结构简单，受力明确，易于加工拼装，走行方便。考虑到挂篮的重复利用，挂篮还需具有通用性强，便于改造的特点。为保证挂篮施工安全和桥梁的质量，挂篮的选择、设计、加工、安装以及验收的每一环节都非常重要。中铁七局集团第五工程有限公司2、挂篮的种类、特点及适用范围为适应各种预应力混凝土连续梁（刚构）桥的施工需要，挂篮的形式也是多种多样。挂篮按结构形式可分为桁架式挂篮、斜拉式挂篮以及复合式挂篮。2.1桁架式挂篮桁架式挂篮是最为常用的一种，根据其不同结构、不同受力特点，又分为平行桁架式挂篮、弓弦式挂篮、三角挂篮和菱形挂篮。2.1.1平行桁架式挂篮平行桁架式挂篮的上部结构一般为等高桁架，采用万能杆件或贝雷梁组拼作为承重主桁（总体方案如图1）。有专门的厂家生产或出租贝雷梁和万能杆件，现场可以根据需要拼装，其主桁成形较快；但是该挂篮由于其自身载荷大，承重能力低，适合小跨度、节段重量较轻的连续梁或连续刚构桥。受桥梁施工工期以及各种因素的影响，还需考虑租金问题。中铁七局集团第五工程有限公司中铁七局集团第五工程有限公司2.1.2弓弦式挂篮弓弦式挂篮由于杆件以常备式为主（总体方案如图2），而且较轻，桁高随弯距大小而变化，受力比较合理。对不想一次投入过多的施工单位有一定吸引力。另外它还可以在安装时在结构内部施加预应力来消除非弹性变形。但是缺点是杆件数量多，安装比较麻烦，且易丢失。适合中小跨度连续梁或连续刚构桥。2.1.3三角式挂篮三角式挂篮结构简单，受力明确，承重能力大，和弓弦式、菱形挂篮相比，其重心更低，悬臂时挂篮稳定性和挂篮行走时的稳定性更好（总体方案如图3）。挂篮杆件一般用型钢组焊成箱形结构。主桁纵梁也可以采用钢板组焊，斜杆也可以采用钢带、圆钢或精轧螺纹钢筋。三角式挂篮适用范围更广，常用于单节梁段比较重要的大跨度连续刚构桥或斜拉桥。中铁七局集团第五工程有限公司中铁七局集团第五工程有限公司2.1.4菱形挂篮菱形挂篮结构简单，受力明确，杆件一般用型钢组焊成箱形结构（总体方案如图4）。菱形结构由于其结构的特点，前面部分空间较大，对工人施工操作影响较小；但挂篮重心比较高，主桁前横梁离桥面较高，调整标高时，施工人员上下不是很方便，安全隐患大。中铁七局集团第五工程有限公司2.2斜拉式挂篮2.2.1滑动斜拉式挂篮滑动斜拉式挂篮其上部采用斜拉体系代替梁式或桁架式结构的受力，而引起的水平分力，通过上、下限位装置（或称水平制动装置）承受，主梁的纵向倾覆稳定由后端锚固压力维持（总体方案如图5）。该挂篮由于轻且无平衡重等特点，可以说是国内目前最轻的挂篮之一。但当跨度和梁高都较大时，由于斜拉杆长度较大，弹性伸长较大，而且上下限位装置的水平力随之增大，故其应用受到限制。板的平整度及匹配情况，使施工顺利进行。内模采用小块钢模板，拐角处采用木模接拼，内衬由槽钢固定模型板，用钢管做支撑，钢管架设剪刀撑，增加钢管架的整体稳定性。内、外模板上设置背杠，采用钢筋作对拉杆，以克服混凝土产生的侧压力，增加整个内外模型的稳定性。对拉杆的间距和位置可根据实际施工来调整。中铁七局集团第五工程有限公司中铁七局集团第五工程有限公司2.2.2预应力斜拉式挂篮预应力斜拉式挂篮挂篮的最大特点是利用梁体内腹板的预应力筋拉住模板，从而使得挂篮结构简化，重量变轻。该挂篮系利用梁部结构本身的预应力束拉紧刚性模板，使得临时设施数量大大减小，但因属永久结构和临时结构的组合，需设计、施工、建设单位意见一致方可采用。特别应考虑预应力束在锚固板系统时的锚下控制张拉力，锚具的可靠度，锚具对预应力束的刻压损伤等问题，既保证悬灌作业的安全，又保证预应力束在运营期间的耐久性和可靠度。中铁七局集团第五工程有限公司2.3复合式挂篮复合式挂篮有些类似菱形挂篮（总体方案如图6），其结构受力明确，具有较大的承载能力，重量也比较轻，但因其前端主桁架悬空，前吊点位置升高，起降吊杆用人工不方便，宜采用液压提升系统控制，施工简便，但这样会增大一次性投入。复合式挂篮出现比较晚，但具有较大的承载能力，适用性强，操作简便，可反复多次使用。中铁七局集团第五工程有限公司中铁七局集团第五工程有限公司3挂篮的结构设计与验算3.1挂篮的结构设计3.1.1设计依据桥梁施工图设计文件。现行钢结构设计、施工技术规范。现行铁路（公路）桥涵设计、施工技术规范。现行钢结构施工及验收规范。梁段细部情况。中铁七局集团第五工程有限公司3.1.2挂篮的主要技术指标可灌梁段的最大重量：根据桥梁设计文件确定。可灌梁段的最大长度：根据桥梁设计文件确定。梁高变化范围：根据桥梁设计文件确定。挂篮自重：一般为最大梁重的0.35～0.45。主桁最大变形：≯20mm。抗倾覆稳定系数：走行时大于2.0；浇注混凝土时大于2.0。主桁杆件安全系数：大于1.2。主桁前支点离梁段端面距离：≮0.5m。挂篮走行方式：分次或一次性走行。中铁七局集团第五工程有限公司3.1.3挂篮的型式选择应根据梁段细部情况和挂篮设计原则，选取不同型式的挂篮进行悬浇施工。各种类型的挂篮的区别在于主桁部分，其余部分如底模、内外模都大致相同。根据不同挂篮的特点及其适用性综合考虑，选取主桁的形式。另外，考虑挂篮的利用系数和节约，应尽量减轻挂篮的自重，挂篮走行取消了配重，采用反扣轨道走行，主桁架、底模、外模一次走行到位，缩短施工周期。如一次走行有困难，也可分步走行。挂篮施工属于高空作业，为确保安全，需专门设置施工平台，安装防护栏杆，并挂设防护网。中铁七局集团第五工程有限公司3.1.4结构设计挂篮一般主要由主桁系统、底模系统、外模系统、内模系统和悬吊及走行系统五大部分组成。各部结构设计情况如下：（1）主桁系统。挂篮主桁系统是整个挂篮的承力构件。1）菱形式挂篮。菱形挂篮主桁系统主要由菱形主桁架、横向联结系和前横梁组成。菱形主桁架一般由型钢或者钢板焊接成箱形结构，杆端采用节点板栓接，也可以焊接，主桁前端在节点处放置前横梁。菱形主桁架立柱和后斜杆之间应各设置一道横向联结系，保证整个挂篮悬灌时主桁架受力均衡，以及挂篮走行时的稳定性和一致性。中铁七局集团第五工程有限公司2）弓弦式挂篮。弓弦挂篮主桁架由弓弦桁架弧杆、腹杆组成；弓弦桁架弧杆全为压杆，两者均采用万能杆件N1组拼而成,腹杆用槽钢组拼，并与弧杆铰结，其余节点板螺栓连接。主桁间以万能杆件平联连接，后锚梁用型钢组拼。3）三角式挂篮。三角式挂篮主桁系统主要由三角主桁架、横向联结系和前后横梁组成。前后横梁可以采用型钢组合而成，所使用型钢大小，可以根据计算确定。三角主桁架的纵梁可以用型钢組焊，也可以采用钢板焊接成箱形结构，从材料节约和加工难易程度出发，采用型钢組焊更为合适。斜杆一般采用钢带，用钢销个纵梁进行连接，立杆采用型钢組焊。三角主桁同样设有横向联结系，其作用和菱形挂篮横向联结系相同。中铁七局集团第五工程有限公司4）斜拉式挂篮。斜拉式挂篮主桁系统主要结构是：主纵梁、各种横梁、斜拉吊带、上、下限位装置。上横梁及斜横梁由槽钢拼接（或焊接）而成，前者除主梁连成整体外，主要用来吊挂内外模板系统，后者将斜拉带传来的底模及灌注梁段混凝土重量再传递给主梁，斜拉带是挂篮最关键的构件，一般用16Mn或其他性能更优的钢板制成，拉杆一般做成4至5段，各段端部设有销孔，组装时用钢销连接成整体。并随梁高的变化增减，斜拉带上端通过元宝梁固定在斜拉横梁上。复合式挂篮：复合式挂篮的主要构件采用薄壁式钢管或以型钢加钢板加焊，各杆件之间大多以节点板焊接，并辅以铰销连接，与菱形挂篮的结构差不多。中铁七局集团第五工程有限公司（2）底模系统底模系统包括底模前后横梁、底模纵梁、模板系统和辅助施工平台。底模前后横梁由型钢组焊箱形结构，前后横梁上设置吊耳。底模纵梁按照荷载分布进行布置，腹板位置布置稍密，底模纵梁和可以用桁架代替，采用小型刚组拼。底模纵梁上横向铺设16cm×16cm方木，用钢丝或螺钉和底模纵梁固定，方木上布满5cm厚木板，上面订4mm厚铁皮。也可在底模纵梁上直接铺设钢模板。底模后吊可以采用吊带或吊杆，悬灌时贯穿梁底板锚固，走行时需解开和后横梁的连接，为保证施工安全，在后横梁位置设置施工平台，前后横梁之间设置走行平台。中铁七局集团第五工程有限公司（3）外模系统。挂篮外模系统由外模模板、外模桁架、外滑梁及吊架组成。外模模板5mm面板和［5槽钢组焊成框架结构，为保证梁段外观质量，模板面板焊后不平整度应小于1/1000mm，加工质量应符合规范要求，面板拐角处焊后应磨光打平。为节约成本也可以利用墩身模型改制，使用前应检查钢模板的平整度和完整性，保证梁段浇注完成后表面质量。外模桁架由型钢组焊而成。两侧外模模板和外模桁架可支承在外滑梁上，外滑梁通过前后吊杆分别锚固在前上横梁和已浇注梁段上，也可支承在底模平台的纵梁上。中铁七局集团第五工程有限公司（4）内模系统内模模板采用P3015小块钢模型，内模骨架采用小槽钢，腹板厚度的变化由骨架长孔调整，骨架上设置铰，易于拆模。内模骨架和模板支承在内滑梁，内滑梁通过前后吊杆分别锚固在前上横梁和已浇注梁段上。内外模支架用对拉杆和背杆固定，防止爆模。（5）悬吊及走行系统。挂篮底模前、后吊杆一般可以采用精轧螺纹钢筋、圆钢和钢带，前吊杆比较长，现场可以根据需要进行分段连接。精轧螺纹钢筋需用专用连接器接长，但必须注意精轧螺纹钢筋有效螺纹连接长度。精轧螺纹钢筋涂上红色标记，悬浇前应仔细检查此项目，使用精轧螺纹钢筋做吊带都通过钢绞和底模前后横梁用钢销连接。中铁七局集团第五工程有限公司3.2结构检算3.2.1结构检算的依据（1）浇注混凝土的动力冲击系数：1.2。（2）空载走行时的冲击系数：1.3。（3）挂篮总重控制在设计范围内，允许最大变形（包括吊带变形的总和）≤20mm。（4）自锚系统的安全系数：2.0。（5）浇注混凝土和挂篮走行时的抗倾覆稳定系数：2.0。3.2.2荷载组合（1）荷载组合Ⅰ。混凝土自重+动力冲击荷载+挂篮自重+人群和施工机具荷载（计算强度）。（2）荷载组合Ⅱ。混凝土自重+挂篮自重+人群和施工机具荷载（计算强度）。（3）荷载组合Ⅲ。挂篮自重+冲击附加荷载+风载（计算走行）。中铁七局集团第五工程有限公司3.2.3挂篮结构检算根据梁段的细部情况，梁截面可以分为底板、腹板、顶板和翼板进行荷载计算，底板和腹板荷载由底模系统承担，顶板荷载由内模系统承担，翼板荷载由外模系统承担，通过前后吊杆吊带传递到前上横梁和已浇梁段上。各个部分传递到前上横梁的所有荷载都传递到主桁架上。主桁架再通过前支点和后锚点把力传递到已浇梁段顶板。悬吊系统部分在整个挂篮受力中起到力系转换的作用。挂篮传力过程示意图（如图7）。挂篮结构计算可以整体建模计算，也可分部建模计算，这里介绍分部建模计算。中铁七局集团第五工程有限公司图7挂篮传力过程示意图中铁七局集团第五工程有限公司（1）底模系统。1）荷载分析。为方便，取单箱单室截面为例，箱梁荷载分部如图8。计算中，把底板荷载V1和腹板荷载V2按照图9均布荷载进行分布，支座间距和数量根据底模纵梁的间距确定。利用MIDAS分析软件进行受力计算得出支座反力R。中铁七局集团第五工程有限公司2）底模纵梁计算。根据纵梁上τmax=Q﹒SX/IX﹒b＜［τ］=110Mpa的模板荷载反力，确定底模纵梁荷载P（支座反力R）分布如图10。中铁七局集团第五工程有限公司利用MIDAS计算软件计算得出底模纵梁最大剪力Qmax、最大弯距Mmax、最大挠度fmax。底模纵梁强度、刚度计算如下：最大剪应力最大弯曲力σmax=Mmax/W＜［σ］=180Mpa最大挠度fmax≤［f］=l/400中铁七局集团第五工程