某大榭岛跨海公铁两用桥斜拉挂篮的设计与施工

XX大榭岛跨海公铁两用桥斜拉挂篮的设计与施工于军辉（铁道部大桥工程局第一桥梁工程处）【摘要】XX大榭岛跨海公铁两用桥，正桥主梁为123．6m＋170m＋123．6m三跨连续刚构，采用斜拉挂篮对称悬浇施工。速度快，质量好，效益优。【关键词】斜拉挂篮设计施工一、工程概况XX大榭岛跨海公铁两用桥，正桥为123.6m+170m+123.6m三跨连续刚构。主梁横截面为单箱双室，斜腹板式。桥宽28.2m，铁路居中，公路分设两侧。双壁墩墩顶梁高10.75m、底宽12.0m，中跨跨中及边跨直线段梁高4.75m、底宽16.0m（如图1），梁底呈圆曲线，R=513.9m。主梁采用挂篮对称悬浇施工。每个施工临时T构由22个节段组成，依次为（C1-C4）4个2.5m段，（C5-C9）5个3.0m段，（C10－C13）4个3.5m段，（C14一C22）9个4.0m段。最重节段（C5）重335t。二、挂篮设计挂篮作为一种移动支架，其结构形式多种多样。桁架式、三角式、型钢式、混合式、斜拉式。前四种挂篮均通过若干竖直吊杯将挂篮重量、混凝土荷载、施工荷载传于横梁，再传力于主梁。挂篮走行时依靠后端压重对前支点产生的力矩，平衡挂篮自重产生的倾覆弯矩。挂篮自重较大，一般每立方米混凝土用钢量为2～3.5t。不能满足该桥梁挂篮重量不超过节段混凝土重量60％的要求。故决定采用斜拉挂篮。1．设计构思挂篮所受荷载前端主要由四根斜拉索锚固于斜上横梁，后端主要靠四根后吊索锚固于已成梁段底板上。内模及测模所受竖向荷载，分别由其滑梁吊带竖直吊挂于挂篮前上横梁及混凝土梁顶板上。主梁尾部锚固于箱梁顶板，为平衡挂篮斜拉索产生的水平分力，挂篮设上、下限位器。挂篮分三次走行到位：第一，主梁走行；第二，外侧模及底模走行；第三，内模走行。走行方式滑移。2．挂篮结构挂篮主要由主梁系统、斜拉索、后吊索系统、限位走行系统、底模及底摸平台、外模、内模等构成，其构造如图2所示。（l）主梁系统挂篮设3根主梁，用型钢联成框构。每根主梁长11.6m，为高800mm、宽440mm的16Mn钢箱梁。主梁主要用来传递挂篮悬浇施工时斜拉索及前吊带的拉力。主梁支承垫块直接作用于混凝土箱梁顶板。主梁尾部接后上限位，以平衡斜拉索产生的水平力及固定主梁位置。主梁后端设后锚固，主梁走行时后锚固换成反压轮，后锚固及反压轮的作用是防止挂篮倾覆。主梁中部设球形铰座对支承斜上横梁，并使斜上横梁可以在一定的范围内转动，以满足不同节段施工需要。主梁前端设前横梁，通过吊杆吊着模板滑梁。内、外滑梁分别由2[30，2[55组成，长约10.2m，随主梁一起前移。主梁前端设张拉工作平台。（2）斜拉索、后吊索系统挂篮有4根斜拉索，箱内两根，箱外两根。根据内、外斜拉索分别采用不同的形式。斜拉索下端铰接于前托梁，上端通过螺母锚固压在斜上横梁上。调节锚固螺母可以改变斜拉索的索力大小。斜拉索解除前，挂篮底模平台需进行支承体系转换，将底模平台前端临时吊挂在混凝土箱梁底板上。以代替斜拉索吊挂底模平台，便于主梁及滑梁的走行。挂篮有4根后吊索，后吊索下端接后托梁，上端锚固于混凝土箱梁底板，和斜拉索一道为挂篮底模平台提供支承。后吊索由上、下分配梁，钢绞线，锚具，连接器等组成。边吊索受力较大，为8根7φ5钢绞线，中吊索受力小，为5根7φ5钢绞线。（3）限位系统为平衡挂篮斜拉索所产生的水平力，分别在挂篮主梁后面和底模平台后面设上、下限位器。后上限位共三套，其-端绞接于挂篮主梁尾部，另一端锚固于混凝土箱梁顶板，通过收紧腹板竖向粗钢筋，依靠限位板与混凝土梁间静摩擦承力。后上限位还可微量调整挂篮主梁的位置。后下限位共四套，包括抗剪柱及螺旋千斤顶。千斤顶上专设球型垫块，使其在水平放置时能够满足挂篮施工需要，旋动螺旋顶可调节底模位置。（4）底模及底模平台基于混凝土梁底板宽度的变化，挂篮底模分为基本节及调整节，基本节为钢模，固定于底模平台，在整个悬浇施工中不作变化。调整节为木模。底模下设纵梁为2[36，共29道，初先安装23道，以后随混凝土箱梁底板不断加宽，增大底模宽度，增加纵梁数量。底模纵梁压在前、后托梁上。前、后托梁均为16Mn钢箱梁，长23.8m，分节制造螺栓拼接。前托梁上设四个与斜拉索连接的环梁。后托梁由后吊索吊挂于混凝土箱梁底板。前、后托梁间设角钢剪力撑，以保证底模平台的方正。底摸平台上还设有两道限位纵梁，以限定外模及支架位置并在外模和底模一起走行时起连接作用。底模平台所承受的水平力，由下限位器传给混凝土箱梁底板。（5）外模及外模支架由［12，[8，[20焊成桥架，在其上铺焊6mm钢板组成。桁架上设上、下两排圆滚。上排供外模走行，下排用于滑梁走行。挂篮悬浇施工过程中，可随混凝土箱梁高度的不断减小，分阶段切除外模及支架下端赘余部分，以减轻挂篮自重，减少横向风荷载。（6）内模内模桁架顶部中间断开，用夹板连接，可以调节桁架宽度，以适应混凝土箱梁腹板厚度的变化。为便于拆模，内模隅角处设转动铰。根据梁体高度较大（10．75～4．75m），在全断面一次浇注的前提下，内模腹板设计为抽插式，随混凝土灌注高度的增加而升高。从而保证了腹板的灌注质量。内、外模间设拉杆。拆模后，内模落在内滑梁上，用倒链拉动前移。（7）挂篮各部件重量及设备挂篮各部件重量如表1，配套设备如表2。3．结构计算及设计（1）挂篮设计依据XX大榭岛桥结构图纸；《铁路桥涵设计规范》TBJ2-96；《公路桥涵施工技术规范》JTJ041－89；《铁路桥涵施工规范》TBJ203－96；《钢结构设计规范》GBJ17-88。（2）计算工况工况1--挂篮悬臂浇筑混凝土；工况2－一挂篮主梁走行；工况3--挂篮外模及底模走行；工况4－一挂篮内模走行。（3）斜拉索斜拉索下端作为前托梁的弹性支点，按超静定梁计算挂篮斜拉索拉力。计算结果（计算过程略）：中斜拉索Nmax=65t/根，边斜拉索Nmax＝15t/根。斜拉索作为该挂篮中最重要的受力结构，且在实际操作中难以保证实际应力与计算值相符。所以结构设计中按偏安全考虑。即中斜拉索索力N＝100t／根（65＋15）*1.25＝100t边斜拉索索力N＝40t/根65*0.5+15＝37.5t中斜索下段采用10φ15.24钢绞线，上段为2*3.6m张拉杆。二者通过一特殊连接器连接。其构造如图3所示。边斜拉索为2-φ32精轧螺纹钢，分2～3节，节间用JLL连接器连接。其构造如图4。（4）抗剪往（图5）挂篮四个抗剪柱所受水平力的总和等于斜拉索水平分力的总和。抗剪柱设计中四个抗剪住结构形式相同，考虑由两个抗剪柱受力。即单个抗剪柱承受水平力的一半。抗剪柱预留孔壁混凝土的侧抗力为一力偶，平衡外力。侧抗力作用在混凝土面内1/6厚度的位置。C22号梁块水平力最大，抗剪柱所受弯矩最大，控制设计。混凝土箱梁底板厚40cm，一根抗剪柱承受水平力H1=43t。由计算得R1=69t，R2＝112t。R1，R2作用位置设24mm厚预埋钢板100VMM*400mm钢板后混凝土共同受力。规定梁体混凝土强度达80％才移动挂篮，进入下一节段施工。故混凝土强度按设计强度的80％计。即Ra=0.8*420＝336kgf／平方厘米。[Nc]=40*10*336＝134400kg＝134．4t＞112t（5）后上限位（图6）挂篮后上限位最大承受86t水平力（C22号梁块施工）。但三个后上限位受力很不均衡，中主梁后上限位承受62％的水平力，两边主梁后上限位仅承受38％水平力。三个后上限位结构相同，中主梁后上限位控制设计。水平力由限位板与混凝土面的摩擦力平衡，每根竖筋加力35t，摩擦系数μ=0.4，则静摩擦力f＝0.4*（8*35-53.32*tan25．20）＝102t。抗滑安全系数n＝102／53.32＝1．9（6）挂篮抗倾覆计算挂篮走行分三步进行：第一，将挂篮后锚固换成后反压，走行挂篮主梁；第二，安装挂篮后上限位，走行底模及外模；第三，走行内模。内模走行时，梁块底板及腹板钢筋已绑扎，斜拉索未安装，挂篮前端荷载传到主梁，此时为最不利状态（如图7）。斜拉索安装完成后，不再有倾覆问题。为防止挂篮倾覆，主梁走行到位后，其后部须上好两个后锚固及一个后反压。后锚固每个受力35t，后反压单个受力20t。倾覆力矩：M倾=40*5+2.5*6+0.34*6.6*6.6*0.5=222.4t*m抗倾覆力矩：M抗倾=20*3.1+35*（4.3+4.7）+0.34*5*5*0.5＝381.2t*m抗倾安全系数n＝M抗倾/M倾=381.2/222．4＝1．71＞1．5三、挂篮施工以C1，C2节段为例来说明挂篮施工过程。1．C1节段施工（1）C0施工完毕，开始挂篮拼装：在墩旁支架上组拼挂篮模平台，在0块顶组拼挂篮主梁，安装后锚固及后上限位，组拼前上横梁，斜上横梁；将底模平台提升到位，拼装外侧模及支架。（2）挂设斜拉索，按C1节段重的1.2倍加载做静载实验，观察挂篮各部件受力及变形情况。（3）绑扎底板及腹板钢筋，立内模，绑扎顶板钢筋。（4）调整挂篮斜拉索及后吊索索力，使挂篮底模平台后端锁死，前端预抬约1cm。（5）混凝土灌注、养生，张拉预应力。2．C2节段施工（1）安装底模平台临时吊挂，放松解除斜拉索、后上限位、后锚固，放松内外滑梁吊带，前移主梁支承垫块2.5m，主梁前移至C2节段施工位置。安装主梁后锚固。（2）拆除底模平台临时吊挂。调整挂篮底模宽度，外侧模及底模前移2.5m，至C2节段施工位置。（3）安装挂篮后吊索、后下限位、两边斜拉索。将前托梁挂在挂篮主梁前端。绑扎底板及腹板钢筋。（4）调整挂篮内模并走行至C2节段施工位置，安装挂篮中斜拉索，解除前托梁与主梁间吊挂，绑扎顶板钢板。（5）调整挂篮斜拉索及后吊索索力，使挂篮底模平台后端锁死，前端预抬约1cm。（6）混凝土灌注、养生，张拉预应力。四、挂篮特点（1）挂篮重量轻，降低桥梁悬臂施工过程中端部荷载，使桥梁设计更为经济，对于大跨度桥梁更是如此。（2）挂篮构造简单，机加工量少，一般可在现场自制。大型结构件采用螺栓连接，拆除后可做其他用途，提高了构件的重复利用率。（3）挂篮斜拉索采用张拉杆式设计，斜上横梁与主梁间使用球形铰座，自动适应斜拉索角度变化，使斜拉索安装方便，调索简单。后下限位采用抗剪柱加螺旋千斤顶。受力明确，结构安全可靠。（4）挂篮主要受力部件为钢箱梁，而非桁架，混凝土灌注过程中总变形＜1cm。灌注前只需预抬5～10mm，就无需再做其他调整。挂篮后吊索的预紧，有效防止了新、旧接缝的错台、开裂。五、结语斜拉挂篮用于混凝土连续梁的悬浇施工，已有诸多成功的先例。但运用于如此大的梁块的悬浇施工，尚不多见。该挂篮运用于XX大榭岛桥的工程实践取得了成功。正常施工条件下11～12d完成一个节段。目前该桥两边跨已顺利合龙，中跨合龙将于5月底6月初完成。该挂篮不足之处：挂篮走行过程，特别是外侧模支架与底摸平台间连接有待进一步优化。参考文献[1]华有恒，王仲康．短平台复合型牵索挂篮的设计与计算．桥梁建设，1995（3）[2]平复强，杨世福．滑动斜拉式挂篮的设计与施工．桥梁建设，1989（4）