挂篮优化设计及检算

中 国 桥 梁 网 挂篮优化设计及检算挂篮优化设计及检算 1 1 前言 前言 挂篮悬臂灌注法是大跨度连续箱梁桥施工的主要方法之一 尤其在大跨度乃至特大跨 度连续箱形梁桥梁建设中有着不可替代的位置 因此对该项技术的深入研究对掌握特大跨 度桥梁施工技术具有重要意义 本文籍以 XX 高速公路 XX 河特大桥挂篮优化设计及检算过程为例对该项技术做一些深 入研究 希望可以对今后类似工程项目的施工设计起到一定的借鉴作用 2 2 挂篮施工的基本原理 挂篮施工的基本原理 挂篮悬臂灌注施工方法是利用已经完成的墩顶节段 一般为 0 段 为起点 通过挂篮 的对称施工来逐段完成砼灌注及预应力张拉等工序的一种施工方法 3 3 挂篮设计的几个核心问题 挂篮设计的几个核心问题 目前在实际施工中应用比较广泛的挂篮形式主要有 三角形挂篮 菱形挂篮 桁架式 挂篮及锚索挂篮等几种类型 其中锚索挂篮主要应用于斜拉桥悬灌施工 其余几种则主要 应用于大跨度连续箱形梁悬灌施工 经过工程实践总结 挂篮在实际施工中应满足以下几个基本要求 挂篮自身在不同荷载工况下挠度满足设计要求 挂篮模板自身具有一定刚度且与前一节段成型砼的衔接密贴 挂篮各个调整机构应具有良好的操纵性能 挂篮前移速度快 操作简单 挂篮的拼装快捷 安全 挂篮的安全防护系统及人员操作平台及通道的设计完善 挂篮构件应采取模块化设计 以保证构件的通用性 其中 两项主要是为了满足有效的进行线形控制的需要 三项是为了 满足可靠的操作性的需要 是为了满足安全文明施工的需要 由以上几点可以得出挂篮设计中的几个关键要素 挂篮设计是以挠度控制为主 强度控制做为一种复核手段 挂篮应做为一个系统来进行设计 除了主要构件的结构检算外还应对其配套设施进 行专项设计 以满足其综合使用功能 由于桥梁结构尺寸的多变性 挂篮设计应以模块化设计为主 确保其通用性 4 4 挂篮设计工作程序 挂篮设计工作程序 4 14 1 挂篮设计流程挂篮设计流程 挂篮设计应遵循以下设计程序 搜集原始参数 进行荷载分解 中 国 桥 梁 网 选定计算程序及复核程序 根据需要选定挂篮结构形式 应用计算软件对挂篮主要受力结构进行计算分析 对挂篮节点 吊挂系统 走行系统等进行局部设计及计算 绘制挂篮设计图纸 组织挂篮加工 进行静载试验 并提交各节段建议预拱度值 4 24 2 设计实例设计实例 XX 高速公路 XX 河特大桥为 95 4 170 95 连续刚构桥 该桥跨度虽然无法和其他特大 跨度连续刚构桥相比拟 但在同一座桥上集中了深桩 人工挖孔 105m 高墩 102m 大 跨 170m 三项技术难点于一体也属罕见 梁部悬灌施工难度较大 本桥挂篮设计顺序分以下几个工作流程 4 2 14 2 1 XXXX 河特大桥原始荷载及工况河特大桥原始荷载及工况 XX 河特大桥结构尺寸原始数据经过整理可参见 附表一 桥梁结构基本参数表 经过对 1 段 8 段 16 段三个长度递变节段荷载的初步分析 确定 1 段为设计控制节段 4 2 24 2 2 确定计算及复核程序确定计算及复核程序 挂篮设计本属空间结构分析 但为了简化操作程序 可将空间问题转化为平面问题去 计算分析 目前平面分析软件较多 最终选定使用 好易懂好易懂 2 02 0 升级版升级版 进行设计计算分析 结结 构力学求解器构力学求解器 进行复核 好易懂 2 0 这个力学分析程序具有界面易懂 交互方便 计界面易懂 交互方便 计 算结果显示直观算结果显示直观且纠错能力强纠错能力强等优点 做平面结构分析效率较高 4 2 34 2 3 挂篮结构形式比选挂篮结构形式比选 XX 河特大桥墩高 102m 墩顶风力较大 挂篮作业高度不宜过高 宜采用三角形挂篮模 式 同时为考虑到竖向预应力同步张拉的需要 采取高托船方案以解决这一问题 4 2 44 2 4 挂篮设计检算挂篮设计检算 挂篮设计检算应按照荷载传递顺序对空间荷载进行等代替换 转化为平面问题 转化 顺序为 底模 侧模 内模 前吊挂系统 主桁 计算前应根据经验初步确定主要受力构 件的规格以进行试算 4 2 4 14 2 4 1 底模底模 底模承担悬灌施工中梁体腹板及底板荷载 是整个挂篮系统中承载要求最大的构件 底模 由以下几个部分组成 底模纵梁 根据承载部位及数值大小的不同 分为腹板区和底板区 前下横梁 为底模纵梁的前支点托梁 一般设置 2 4 个吊点 将荷载传递到挂篮前上横梁上 后下横梁 为底模纵梁的后支点托梁 一般设置 2 个吊点 将底模承担的荷载传递到即有梁 中 国 桥 梁 网 段的底腹板倒角处 前后挂架 为固定在底模横梁上 将横梁承担荷载传递至吊带的转换构件 具有转向功能 可以适应不同底板坡度 限位梁 用于施工过程中控制底模与侧模位置的机构 可以在模板走行过程中将侧模位置 限制在一定范围内 分析过程 底模所承担荷载传递顺序如下 荷载加载到底模面板荷载加载到底模面板 由面板传递到底模纵梁由面板传递到底模纵梁 由底模纵梁分别传递到底模前后下横由底模纵梁分别传递到底模前后下横 梁梁 下横梁将承担荷载通过前后挂架传递到钢吊带 并分别传递到挂篮主桁前上横梁及即下横梁将承担荷载通过前后挂架传递到钢吊带 并分别传递到挂篮主桁前上横梁及即 有梁段底板上 有梁段底板上 依照这一受力模式将底模承载模型按照以下方式进行简化 面荷载简化为线荷载 按底板及腹板位置 分别进行分析 面荷载简化为线荷载 按底板及腹板位置 分别进行分析 底模纵梁采用型钢焊接的桁架结构 结构图如下 腹板区采用一组底纵梁 计算数据如下 腹板区采用一组底纵梁 计算数据如下 计算结果 fmax 4 3mm 前支点反力 N 后支点反力 N 底板区采用三组纵梁 计算数据如下 底板区采用三组纵梁 计算数据如下 底板计算结果 fmax 1 4 mm 前支点反力 60627N 后支点反力 91029N 为一组数据 共计三组 底板区底纵梁桁架最大杆件轴力 N 腹板区底纵梁桁架最大杆件轴力 N 中 国 桥 梁 网 底模后下横梁计算 底模后下横梁计算 后下横梁为 2I400a 工字钢组合而成 其截面特性如下 单根 A 86 07cm2 2 根 A 172 14cm2 Ix 21714cm4 Ix 43428cm4 后挂架吊定位置 从中心向两侧 2 5m 处 全长 7 5m 计算模型如下 腹板区后支点反力 N 底板区后支点反力 91029N 为一组数据 共计三组 计算结果显示 后下横梁跨中最大挠曲变形为 1 25mm 可以保证与即有梁体的密贴而 不会出现漏浆现象 后下横梁的挂架承载为 N 单个挂架 后下挂梁承担最大弯矩为 N M W 1085 7 2 2171 4cm3 56 1 MPa 170MPa 3 1714 2 121820 e 底模前下横梁计算 底模前下横梁计算 在砼灌住时在前下横梁腹板外侧加设两根 32 精轧螺纹钢吊带 以减少不平衡变形产 生的影响 这一分析过程需要与上横梁联动分析 钢销子及扁担梁局部抗压 钢销子及扁担梁局部抗压 扁担梁局部抗压检算 97 484MPa 240MPa 208 0027 0 420500 销孔抗撕裂计算 销孔抗撕裂计算 规范要求 垂直受力方向销孔直径处的净截面积应比杆件计算所需面积大 40 由销孔边至杆端的截面积不小于杆件的计算面积 按以上要求 以 3 钢为基准 在该荷载下需要 30cm2 的抗拉面积 中 国 桥 梁 网 现有横梁挂架承拉一侧截面积为 2 4 4 1 2 2 41 29cm 30cm2 合格 2 9 0 2 1091 39 4 2 4 24 2 4 2 侧模检算 侧模检算 梁体侧模主要承担腹板侧压力及顶板垂直荷载 由于本桥挂篮设计中腹板混凝土侧压 力由拉杆承担 所以侧模结构只需满足自身刚度的需要 并足够承担顶板及自重荷载即可 侧滑道检算 侧滑道检算 侧滑道承担荷载分两种工况 挂篮走行过程 最不利状态 挂篮走行过程 最不利状态 滑道后点吊挂在即有前一节段梁端 中点承担底模 1 4 荷重 中点至前点承担侧模自重 的均布载 前点吊挂在挂篮主桁前上横梁上 砼灌注过程 砼灌注过程 滑道中点及前点分别吊挂在即有梁段端头及主桁前上横梁上 其间范围内承载挂篮侧 模自重及顶板混凝土重 模板自重荷载 P 侧模板 N P 滑道 15580N P 底模 N 检算模型简化 工况工况 1 滑道梁 400a 58 91kg m 单根 A 75 04cm2 Ix 17577 7cm4 一组 A 75 04 e 4 2 0 26 0 01 0 006 0 m2 Ix 17577 7 2 17355 52510cm4 跨中最大下挠 14 6mm 强度不必验算 工况工况 2 中 国 桥 梁 网 本工况应分两种情况分别进行检算 第一种为侧模系统最大荷载下自身强度检算 16 段 第二种为 1 号段前悬挂系统分析时侧模前吊点荷载计算过程 第一种情况计算结果 f最大挠度 最大挠度 3 8mm 侧模前吊点荷载 p N 第二种情况计算结果 f最大挠度 最大挠度 3 4mm 侧模前吊点荷载 p 87845N 4 2 4 34 2 4 3 内模验算 内模验算 内模自重 P 模板 68041N P 滑道 9730N q 68041 4 17010N m 最不利荷载下砼重 5 7 0 3 1 2 0 3 26500 54855N M 合计 q 71865N m 该荷载由两根 2 320a 滑道承载 320a A 48 5cm2Ix 7510 6 2 320a A 48 5 2 15 1 6 121cm2 Ix 7510 6 2 15 1 0 16 52 15 0 6 16 32 21496cm4 工况工况 1 同侧模分两部分检算同侧模分两部分检算 fmax 9 7mm 工况工况 2 同侧模分两部分检算同侧模分两部分检算 第一种情况计算结果 f最大挠度 最大挠度 6 1mm 内模一个前吊点荷载 p 72720N 第二种情况计算结果 f最大挠度 5 0mm 内模一个前吊点荷载 p 44991N 4 2 4 44 2 4 4 前吊挂系统整体分析 前吊挂系统整体分析 原始数据 前上横梁 2I450a A 102 4 2 204 8cm2 Ix 32241 2 64482cm4 中 国 桥 梁 网 前下横梁 2I360a A 76 44 2 152 88cm2 Ix 15796 2 31592cm4 前下横梁荷载 腹板 前支点反力 N 底板 前支点反力 60627N 为一组数据 共计三组 侧模 P 87845N 内模 P 44991N 计算模型如下 求得最大前主桁反力 N 1 2 345 6 78 91011 12 13 1415 16 171819202122232425 26 一二三四五六七八九十十二 十一 二十三二十四 二十五二十六 二十七二十八 十三 十四十五 十六 十七十八 十九 二十 二十一 二十二 中 国 桥 梁 网 4 2 4 54 2 4 5 挂篮主桁检算挂篮主桁检算 计算模型如下 主桁杆件均采用 2 360a 2 360a A 60 89 2 121 78cm2 Ix 11874 1 2 23748 2cm4 当最大前主桁反力为 N 挂篮主桁前点下挠度为 11 2mm 悬挂系统最大下挠度为 5 75mm 合计总下挠度为 16 95mm 满足总下挠度 20mm 的要求 设计图纸要求挂篮总设计图纸要求挂篮总 体弹性变形小于体弹性变形小于 20mm 选用 2 360a 杆件 主桁架杆件内力 AB 号杆 轴力 53 938t BC 号杆 轴力 53 938t AD 号杆 轴力 69 074t CD 号杆 轴力 69 074t BD 号杆 轴力 87 103t 经过分析 现需要对 AD 杆 BD 杆件进行局部受力分析 因节点板厚度大于杆件腹板 厚度 所以仅对杆件端头进行局部检算 4 2 4 64 2 4 6 挂篮抗倾履计算 挂篮抗倾履计算 挂篮走行抗倾覆检算 挂篮整体走行到工况 1 时最不利状态下的前点最大荷载为 9 437 5 769 10 744 4 1 614 2 18 699t 一个桁片 后锚走行系统焊缝最短长度为 1 92m 焊缝厚度按 8mm 计则承载能力为 122 88t 中 国 桥 梁 网 抗倾履系数 K 122 88 18 699 33 2 2 5 通过 挂篮悬灌施工抗倾覆系数检算 挂篮后锚点最大反力为 42 58t 按照设计要求由 4 根精轧螺纹钢承载 据此计算得出 后锚点提供锚固力为 54 27 4 217 08t K 217 08 42 58 5 1 2 5 通过 4 2 4 74 2 4 7 钢吊带及销子检算 钢吊带及销子检算 后吊带检算 后吊带检算 P 42 05t 后吊点为 40mm 16Mn 钢板 宽 200mm 销子为 80 45 号钢 销孔 82 16Mn 钢 l 200MPa 120MPa 销孔 300MPa 抗拉 拉 89 089MPa 118 0 04 0 420500 根据规范要求乘 K 1 4 系数 124 72MPa l 200MPa 安全储备 1 6 抗撕裂 Amin 21cm2 MPa200 420500 现有面积 A 9 4 4 37 6cm2 Amin 销孔抗剪计算 41 06MPa 120MPa 04 0 128 0 2 420500 后吊带销子检算后吊带销子检算 抗剪 A 5 02655e 3 41 83MPa 202655 5 420500 3 e 局部抗压 中 国 桥 梁 网 131 4MPa l 04 0 08 0 420500 K 1 52 前吊带检算 前吊带检算 30mm 16Mn 钢板 z 200MPa 120MPa 销孔 300MPa 荷载 p 20 648t 抗拉 抗拉 l 62 57MPa 03 0 055 0 2 206480 l 1 4 87 6MPa z 安全储备 K 2 28 抗撕裂抗撕裂 Amin 1 032e 3 MPa200 206480 现有面积 A 0 1 0 03 0 003m2 3e 3 Amin 销孔抗剪计算 28 21MPa 203 0 122 0 206480 前吊带销子检算 前吊带销子检算 抗剪抗剪 A 3 619e 3 t 57 05MPa 3 619 3 206480 e 局部抗压局部抗压 143 34MPa z 03 0 048 0 206480 K 1 4 底模吊带用销子全部换用 40Cu 钢材加工 安全储备增大 1 75 倍 4 2 4 84 2 4 8 滑道检算滑道检算 采用 2 200 槽钢 Ix 1913 7 2 A 32 83 2 2 5 1 15 90 66 cm2 中 国 桥 梁 网 Ix 1913 7 2 1 15 10 52 2 5 7 42 6028 75cm4 反力 42 05t 3 14 02t 经检算 最大变形 0 1mm 最大弯矩 1 22t m 不必验算 最大反力 16 08t 54 27t 可 综上所述 本挂篮设计满足 XX 河特大桥连续刚构悬灌施工的需要 整个结构安全 可靠 至此挂篮结构检算部分全部结束 检算完毕后使用复核程序逐一计算 计算结果无 误 可以进行挂篮结构加工图纸设计工序 4 2 54 2 5 挂篮加工图纸设计挂篮加工图纸设计 4 2 5 14 2 5 1 挂篮主桁设计挂篮主桁设计 挂篮主桁采用国标一级 I36a 工字钢加工 主桁高度选择 4m 前后主纵梁节点间距选 择 5m 构件设计中需要注意以下几点 前后斜杆规格尺寸必须一致 以保证构件的通用性 杆件上应按照 1m 间距设置联结缀板 杆件端头应设置封端钢板 以保证其抗扭刚 度 压杆端头应打磨平整 以保证于其他构件的密贴 确保有效的传递荷载 底纵梁联结缀板应适当加密 以增强其整体性 4 2 5 24 2 5 2 节点及联结销子设计节点及联结销子设计 节点设计应遵循两个要求 节点板能够满足承受荷载的要求 节点与主桁构件之间的安装应快捷可靠 基于以上要求 节点板宜加工成定型构件 与主桁之间联结宜采用销接 以便于安装 作业 同时简化栓接中螺拴联结的紧固过程 有效的提高了拼装的生产效率 联结销子的设计应本着适用 通用适用 通用的原则 销子的规格应尽量减少 以确保其通用性 大吨位挂篮设计中 为减少销子的尺寸 方便操作 宜采用 40Cr 特种钢材加工 成品销子 应设置垫圈 螺母 限位销等配件 4 2 5 34 2 5 3 走行机构及牵引系统设计走行机构及牵引系统设计 目前国内大部分挂篮前移均采用人工机械牵引 这种牵引模式即费工又费时 安全隐 患大 而且牵引过程中很难保证两只挂篮同步前移 为了提高高空挂篮施工的作业效率 本挂篮设计中采用了新型自锚走行机构 走行系 统稳定可靠 走行动力采用 60t 液压顶 竖向预应力张拉用 做为推进系统 传力装置为 直径 32mm 的 级钢筋以及四只限位卡 走行速度经过实际使用平均为 20cm min 每个节段前移所需时间为 45min 左右 以 3m 节段为例 包含准备工作时间 每只挂篮移动需要 3 名技术工人即可 相比人工前移挂篮 功效可提高 2 倍 中 国 桥 梁 网 4 2 5 44 2 5 4 模板系统设计模板系统设计 底模系统底模系统 底模系统包含前后下横梁 底模纵梁 底模面板 前后悬挂系统 辅助联结系统 安 全通道系统等几大部分 底模设计需要满足以下几个条件即 模板刚度满足要求 底模横 梁与悬挂系统的联结机构必须保证受力轴心一致 底模与侧模接触区域应便于对拉装置的 安装及拆卸 底模施工区域人员通道设计必须满足施工需要 侧模系统侧模系统 侧模系统包含 侧模骨架 侧模面板 侧模导梁 前后悬挂系统 导梁滑轴系统 变 坡调整系统 侧模顶口及底口对拉系统等几部分 侧模设计应注意结合 0 段施工需要 宜 采取模块化设计理念 在施工过程中逐渐减少挂篮自身重量 根据挂篮走行程序 侧模与底模同步走行 这样侧模导梁设计刚度需要在满足受力要 求的前提下增大结构刚度 鉴于 XX 河桥存在横坡变坡的情况 需要进行侧模变幅机构设计 该变幅装置应满足 变幅范围符合设计要求 变幅过程可无级调整 结构联结牢固 锁定机构可靠 变幅过程 不需要对面板系统进行改造等要求 其余部分系统设计应本着适用原则进行细部设计 内模系统内模系统 本桥内模系统设计一改以往的桁架式结构 采用了纵横导梁系统 大大降低了内模的 变幅 安装及调整的难度 使内模系统结构受力更加明晰 模板调整系统模板调整系统 模板调整系统采用螺旋顶杆无极调节设计方案 有效的提高模板调整的操纵性能 同 时集合了调节与锁定功能 提高了调节模板的工作效率 4 2 5 54 2 5 5 悬挂系统设计悬挂系统设计 挂篮悬挂装置采用 16Mn 钢吊带方案 在设计过程中主要注意吊带长度的模数 必须保 证配合各个节段梁高的适用要求 同时吊带的规格不宜过多 避免混淆 4 2 5 64 2 5 6 安全防护及通道设计安全防护及通道设计 为确保高空作业安全 同时满足文明施工要求 XX 河特大桥做了专项的安全通道设计 可以有效的确保施工人员高空作业的安全 4 2 64 2 6 挂篮加工挂篮加工 挂篮设计图纸完成 在报经上级技术主管机关审核通过后可以交付专业钢结构加工厂 进行加工 加工过程中应加强例行抽查 尤其是对构件几何尺寸以及构件焊接质量要进行严格检 查 中 国 桥 梁 网 4 2 74 2 7 静载试验方案设计及预拱度值分析静载试验方案设计及预拱度值分析 静载试验目的 静载试验目的 根据业主要求 挂篮在最大荷载下总下挠度 20mm 挂篮在设计加工完成后必须在施 工现场进行静载试验 一方面可以确定挂篮设计是否满足业主要求 另一方面可以通过不 同加载等级测得挂篮在不同节段悬灌作业时的实际下挠度 借以指导施工 静载试验方案 静载试验方案 静载试验整个过程模拟混凝土灌注顺序进行加载 按照底板 腹板 顶板分别进行加 载 卸载过程 顺序与加载过程相反 每减一级荷载即测得一次下挠度监测数据 由此绘 出下挠度与荷载之间的线性关系 根据监控数据还可以分析出挂篮非弹性变形值 借以指 导其他挂篮施工 本设计中静载试验在地面设置静载试验台座 挂篮进场后在试验台座上拼装就位 静 载试验台座采用贝雷片拼装反力梁做为加载反力提供装置 荷载施加采用经过标定后的液压千斤顶进行分级加载 静载试验装置构造及组成 静载试验装置构造及组成 静载试验装置分为三部分 分别为反力架支承台座 反力梁 加载横梁 具体结构形 式见下图 60006000 1500 500 中 国 桥 梁 网 静载试验加载等级及设备配置 静载试验加载等级及设备配置 本挂篮最大悬灌重量在 1 段 悬灌混凝土方量 60 407m3 由于挂篮每节段混凝土灌注 前需要精确调整一次底板标高值 所以引起挂篮下挠度的荷载仅为节段混凝土重量 不包 含挂篮结构自身重量及节段钢筋重量 现取混凝土容重 G 2 45t m3 含施工荷载 最大加载等级为 150 92t 现根据施工 工况分以下几个加载等级进行 序号加载等级工况 混凝土方 量 m3 混凝土重 量 t 中间顶荷 载 t 中间顶荷 载累计 t 边侧顶荷 载 t 1第一级浇筑底板20 1649 39219 757 29 879 2第二级浇筑腹板26 56765 08926 035 222 896 3第三级浇筑顶板14 87336 44014 576 426 5403 644 4超载 1 263 69631 8484 373 根据最大加载等级荷载大小 选用配套设备进行静载试验 具体试验台座工程量及设 备型号见下表 序号设 备 名 称规 格数 量备 注 6100 1000 1122 6100 2000 170042401700 中 国 桥 梁 网 1贝雷片3m 1 5m32 2平联1 14m 0 45m40 3螺拴170 4销子 5048 5地锚钢筋 20 L 1 34m16 6扁担梁2 140a L 0 6m8 7型钢支墩2 250a L 1 5m2 8C30 混凝土4 244m3 9YCW60 液压千斤顶4 台 10配套油泵4 台 11挂篮前上横梁1 根 12挂篮后锚固锚杆 32 精轧螺纹钢 L 5m12 根 13挂篮前吊杆 32 精轧螺纹钢 L 6m4 根 14台座配筋 12 螺纹钢筋151m 静载试验流程 静载试验流程 静载试验应遵循以下流程进行 具体顺序如下