桥梁挂篮设计

第五章 挂篮设计与施工第一节 概述悬臂浇筑法施工从60年代由前西德首先使用以来，发展至今，已成为修建大中跨径桥梁的一种有效施工手段。日本预应力混凝土工业协会关于预应力混凝土长大桥梁的调查研究报告指出，1972年后建造的跨径大于100m以上的桥梁近200座，其中悬臂法施工的桥梁占87%以上，而采用悬臂浇筑法施工占80%左右。挂篮作为悬臂灌筑施工的主要设备已有多种类型，有些国家如日本、法国等已有定型的系列化产品。我国从80年代开始使用这种技术以来，也已取得了巨大的成就。因此，总结并比较各种类型挂篮的优劣，对今后的应用及其发展有着重要的意义。挂篮悬臂浇筑施工又称迪维达克施工方法，这种施工方法一般将梁每25m分成一个节段，以挂篮为施工机具进行悬臂对称施工。挂篮是一个能沿梁顶滑动或滚动的承重结构，其锚固悬挂在已施工的前端梁段上，在挂篮上可进行下一梁段的模板、钢筋、预应力管道的安设，混凝土灌筑和预应力张拉，灌浆诸作业。完成一个阶段的循环后，挂篮即可前移并固定，进行下一节段的悬灌，如此循环至悬臂灌筑完成。一、挂篮的分类、结构特点（一）挂篮分类及组成目前，挂篮的型式很多，构造上亦有差异，其常见分类方法有：(1)按挂篮使用材料分类：由万能杆件、军用梁、贝雷梁等制式杆件组拼和由型钢加工制成两种；(2)按主要承重结构形式分类：桁架式(包括平弦无平衡重式、菱形、三角形、弓弦式等)、斜拉式(包括三角斜拉式和预应力斜拉式)、钢板梁式及牵索式四种；(3)按受力原理分类：垂直吊杆式、斜拉式、刚性模板三种；(4)按其抗倾覆平衡方式分类：压重式、锚固式和半压重半锚固式三种；(5)按其走行方法分类：一次走行到位和两次走行到位两种；(6)按其移动方式分类：滚动式、滑动式和组合式三种。挂篮通常都有以下几个组成部分：承重结构、悬吊系统、锚固装置、走行系统和工作平台。承重结构是挂篮的主要受力构件，它承受施工设备和新浇筑节段混凝土的全部重量，并通过支点和锚固装置将荷载传到已施工完成的梁身上。挂篮的走行系统可用轨道或四氟乙烯滑板，牵引动力一般用电动卷扬机，它包括前牵引装置和尾索保护装置。为保证浇筑混凝土时挂篮有足够倾覆稳定性，往往在挂篮的尾部设置后锚固，一般通过埋在梁肋内的竖向预应力筋实现，当后锚能力不够时，也可采用尾部压重等措施。挂篮的主要功能是支撑模板，承受新浇混凝土重量，由工作平台提供张拉、灌浆的场地，调整标高。因此挂篮不仅要求有足够的强度保证，还要有足够的刚度及稳定性，自重轻，移动灵活，便于调整标高等。几种主要挂篮的结构形式如图5-15-8所示。（二）挂篮结构的主要特点 1. 按主要承重结构形式分析挂篮结构的主要特点(1)平行桁架式挂篮平行桁架式挂篮的上部结构外形一般为一等高度桁梁，其受力特点是：底模平台及侧模架所承重均由前后吊杆垂直传至桁梁节点和箱梁底板上，故又称吊篮式结构，桁架在梁顶用压重或锚固或二者兼之来解决倾覆稳定问题，桁架本身为受弯结构。(2)平弦无平衡重挂篮平弦无平衡重挂篮是在平行桁架式挂篮的基础上，取消压重，在主桁上部增设前后上横桁，根据需要，其可沿主桁纵向滑移，并在主桁横移时吊住底模平台及侧模支架。由于挂篮底部荷重作用在主桁架上的力臂减小，大大减小了倾覆力矩，故不需平衡压重，其主桁后端则通过梁体竖向预应力筋锚固于主梁顶板上。(3)菱形挂篮菱形挂篮可以认为是在平行桁架式挂篮的基础上简化而来，其上部结构为菱形，前部伸出两伸臂小梁，作为挂篮底模平台和侧模前移的滑道，其菱形结构后端锚固于箱梁顶板上，无平衡压重，而且结构简单，故自重大大减轻，是近年来常用的挂篮形式。(4)三角形挂篮三角形挂篮也是在平行桁架式挂篮的基础上简化而来，它与菱形挂篮均属于垂直吊杆式，主要区别在于主桁架的形状，其承重结构为三角形，其它组成类似于菱形挂篮，属于全锚式挂篮，自重轻。(5)弓弦式挂篮弓弦式桁架(又称曲弦桁架式)挂篮主桁外形似弓形，故也可认为是从平行桁架式挂篮演变而来，除具有桁高随弯矩大小变化外，还可在安装时施加预应力以消除非弹性变形。故也可取消平衡重，所以一般重量较轻。(6)滑动斜拉式挂篮滑动斜拉式挂篮在力学体系方面有较大的突破，其上部采用斜拉体系代替梁式结构的受力，而由此引起的水平分力，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。其底模平台后端仍吊挂或锚固于箱梁底板之上。(7)预应力斜拉式挂篮 预应力斜拉式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。(8)三角型组合梁挂篮三角型组合梁挂篮是在平行桁架式挂篮的基础之上，将受弯桁架改为三角形组合梁结构。由于其斜拉杆的拉力作用，大大降低了主梁的弯矩，从而使主梁能采用单构件实体型钢。由于挂篮上部结构轻盈，除尾部锚固外，还需较大配重。其底模平台及侧模支架等的承重传力与平行桁架式挂篮基本相同。(9)自承式挂篮自承式挂篮分为两种，一种是模板支承在整体桁架上，桁架用销子和预应力筋挂在已成箱梁的前端角上，灌筑混凝土时主梁和走行桁架移至一边，挂篮前行时再安上，吊着空载的模板系统前移。另一种是将侧模制成能承受巨大压力的刚性模板，通过梁上的水平及竖向预应力筋拉住模板来承受混凝土重，走行方法与前者相同，由临时吊车悬吊着模板系统前移到下一梁段。这种方法对跨度不很大的等高度箱梁较为适宜。（10）牵索式挂篮在斜拉桥的施工中，利用斜拉主索牵挂挂篮，其承重结构不再支承在已灌筑梁段顶面，而是悬挂于已成梁段的下面，通过牵索系统将挂篮前端的垂直荷载直接传到斜拉桥的主塔上，这是它的最大特点。2. 按挂篮使用材料、受力原理和抗倾覆方式的分类分析挂篮使用材料、受力原理和抗倾覆方式的分类及特点见表5-1。表5-1挂篮分类及特点项目类型特点按挂篮使用材料分由万能杆件、军用梁、贝雷梁等制式杆件组拼一次性投资少，自重大，体积大由型钢加工一次性投资大，结构布置合理，自重小按受力原理分垂直吊杆式吊杆吊住模板，将荷载传到主桁梁上，操作简单斜拉式混凝土荷载通过底模传力到斜拉带，然后传到主梁上，主桁受的弯矩小，操作较垂直吊杆式复杂刚性模板模板具有足够的强度和刚度，除了承受混凝土的压力外，还能在顺桥向承力，因此可用预应力束直接拉住模板，对模板要求很高，操作复杂按抗倾覆方式分全压重式挂篮的稳定全靠主桁尾部的压重全锚固式挂篮的稳定全靠主桁尾部的锚固半压半锚式压重是为了补充锚固对挂篮稳定性的不足二、各类挂篮的适用性国内外挂篮正向轻型方向发展，挂篮设计主要控制指标为：挂篮的总用钢量与最大块件之比值K1、主桁架用钢量与最大块件重量之比值K2。K1值愈低，表示整个挂篮设计愈合理，K2值愈低，表示挂篮承重构件的受力愈合理，使用材料愈节省。国内对挂篮所用材料数量常用一个系数即挂篮利用系数来表示：挂篮利用系数=浇筑最大梁段混凝土重量/挂篮总重。1. 制式杆件组拼的桁架式挂篮国内早期挂篮一般使用的是由制式杆件(万能杆件、军用梁等)组拼的桁架式挂篮。由于其自重大，包括压重可达3000kN(如武汉江汉大桥挂篮重2870kN)，所以其走行系统常用火车轮对台车。又因为桁高的约束，各杆件的应力水平较高，随之而来的就是前吊点下挠大，复杂的空间结构引起的非弹性变形大，使用时需要进行预压以便消除非弹性变形，增加了施工的难度，延误了宝贵的工期。并且，此时的挂篮大多使用平衡重，所以这些挂篮利用系数一般较小，如广西柳州大桥、湖南常德沅水大桥分别为0.87和0.96，武汉江汉大桥的挂篮利用系数仅为0.46。平弦无平衡重挂篮由于主桁上部的上横桁可根据需要沿纵向移动，并在主桁横移时吊住模板系统，故可取消压重，具有一定优点，但由于其并未从根本上克服平行桁架式挂篮机构庞大，自身静荷较大的缺点，应用不是很广泛。弓弦式挂篮桁高随弯矩大小而变化，受力较合理，而且自重较轻，对不想一次性投入过多的施工单位有一定吸引力，但其缺点是杆件数量多、制作安装都较麻烦，且易丢失。2. 用型钢制造的桁架式挂篮随着挂篮使用经验的丰富、对其功能认识的深入及对国外经验的学习和借鉴，发展到使用型钢及钢板加工制造挂篮。菱形挂篮和三角形挂篮结构简单、受力合理和一次移动到位等特点，较受欢迎。这两种挂篮形式近10年来得到了广泛的应用，同时也带动与挂篮施工相适应的桥型设计的发展，如双向预应力、三向预应力技术的应用。这一时期的挂篮主要是无平衡重型的。由于取消了平衡重，挂篮重量大大减轻，其利用系数成倍上升，达到2.52.9，如京九线泰和大桥和义乌经发大桥都超过了3。3. 斜拉式挂篮滑动斜拉式挂篮这是目前利用系数最大的一种挂篮。它改变了垂直吊杆挂篮工作时的前端荷载要通过主桁架的悬臂部分传给已浇梁段而对主桁架的强度、刚度要求高的传力机制，而是将挂篮工作时的前端荷载通过斜拉杆直接传给已浇梁段，从而降低了对主梁的强度、刚度要求，使主梁悬臂部分的功能变成主要是悬吊空载时的模板系统，减少了材料用量，也就减轻了模板的重量。由于这种挂篮具有用料省、加工简单及对0号块的长度要求短等优点，所以近年应用较多。但是，这种挂篮由于斜拉杆的斜拉力使底模纵梁和主梁中分别存在压力和拉力，因此需要在底纵梁和主梁的尾部设置限位器和限位板，增加了操作上的难度。使用这种挂篮的施工程序比使用垂直吊杆式挂篮稍显复杂，需要在每一个循环中增加安装拆卸斜拉杆、安装拆卸限位器、安装拆卸限位板的工序。而且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，上下限位装置的水平力随之增大，故使其应用也受到一定的限制。预应力斜拉式挂篮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少，但因属永久结构和临时结构相结合，需设计、施工，乃至建设单位意见统一方可采用。此外，对于预应力束在锚固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失等问题都应综合予以考虑，既能安全地完成悬灌作业，又能保证预应力束在运营期间的耐久性和可靠度。其它几种挂篮结构形式中，三角型组合梁式挂篮虽然较平行桁架式挂篮轻，但仍需一定的压重，故应用受一定限制。自承式挂篮的两种形式本质上与预应力斜拉式挂篮并无很大区别，唯一不同的只是预应力筋采用特殊设计，并配置必要的定位销和钢销。三、我国挂篮应用的现状我国的挂篮设计及制作已全部适应悬臂施工向高强、轻型、大跨发展的需要，从PC连续梁或刚构的悬臂施工挂篮最初是平行桁架式，后来，逐渐发展为多样化，结构越来越轻型，受力越来越合理，施工越来越方便，应用也越来越广泛。现将我国挂篮应用的部分技术指标列于表5-2供借鉴。表5-2国内部分桥梁挂篮表桥名最大跨度/最大段重挂蓝类型挂篮主要特点挂篮重/平衡重挂篮总重/梁段广西柳州大桥124m/92t平行桁架式万能杆件主桁，4号段开始悬灌75.7t/30t105.7t/92t=1.15福建乌龙江大桥144m/120t平行桁架式万能杆件主桁90t/无90t/120t=0.75武汉江汉二桥135m/132t平行桁架式万能杆件主桁，1号段开始悬灌201.4t/86t287.4t/132t=2.18湖南常德沅水大桥120m/160t平行桁架式万能杆件主桁，3号段开始悬灌166t/无166t/160t=1.04广西红水河铁路斜拉桥96m/100t平行桁架式万能杆件主桁，1号段开始悬灌77t/无77t/100t=0.77三门峡黄河公路大桥160m/187.7t平弦无平衡重式前后上横桁吊挂底模平台抗倾覆，3号段开始悬灌98t/无98t/187.7t=0.54重庆长江北大桥/144t三角型组合梁式三角桁架，2号段开始悬灌73.2t/40t113.2t/144t=0.79钱塘江二桥(公路)80m/190t三角型组合梁式三角桁架190t/160t=1.19湖北沙洋汉江桥111m/100t三角型组合梁式三角桁架，2号段开始悬灌56t/50t106t/100t=1.06湖南株洲湘江大桥90m/101t滑动斜拉式钢斜拉杆拉住底模架，2号段开始悬灌46.2t/无31.5t/101t=0.31湖北襄樊汉江长虹大桥100m/104.6t滑动斜拉式钢斜拉杆拉住底模架，1号段开始悬灌32.4t/无32.4t/104.6t=0.31江苏南京草场门大桥60m/87t弓弦式万能杆件为主的曲弦桁架，1号段开始悬灌43.6t/无43.6t/87t=0.50京九铁路泰和赣江特大桥80m/140t 菱形菱形型钢桁架，2号段开始悬灌46.8t/无46.8t/140t=0.331虎门大桥辅航道桥270m/240.5t弓弦式万能杆件为主的曲弦桁架，1号段开始悬灌88.7t/无88.7/240.5t=0.37义乌经发大桥82m/134t菱形菱形型钢桁架，2号段开始悬灌42.6t/无42.6t/134t=0.318吴忠黄河大桥90m/140t菱形菱形型钢桁架，2号段开始悬灌63.8t/无63.8/140=0.45四、挂篮型式的思考对挂篮优劣的评价除了从经济性、安全性考虑外，挂篮的结构简便、安装拆卸和使用的方便等适用性也是重要的指标。为此，对挂篮型式的思考与建议如下。(1)全锚式挂篮应当是今后挂篮使用的主流，而垂直吊杆式的菱形、三角形挂篮及斜拉式挂篮由于其各自的特点均会有各自的应用份额。(2)我国地域广阔，设计单位众多，设计习惯不同，再加上施工企业的原因，生产定型系列化挂篮尚不具备条件，这就为工程师们对挂篮进行改进提供了空间。今后相当长的时间带有各施工企业及工程师特色的挂篮会争奇斗艳，施工企业自行设计加工的挂篮仍是主流。(3)菱形挂篮为施工提供了宽阔的作业空间，此优点会被很多工程师看中，因而会受到青睐；三角形挂篮、斜拉式挂篮由于它们的杆件(底边或大梁)位于腹板的上方，影响了腹板的钢筋绑扎及混凝土灌筑作业，因而应用会受到抑制，而斜拉式挂篮更由于其需要在梁上预留的孔洞较多，移位操作较复杂，会受到更多的影响。(4)菱形挂篮、三角形挂篮及斜拉式挂篮的利用系数已经达到3以上，从力学上讲材料强度已得到合理的利用，刚度成为控制材料截面的主要因素，因此挂篮材料节省的空间并不大，而对它们的适用性如连接方式、锚固方式、杆件材料、走行系统的革新会不断取得成果，斜拉式挂篮革新的空间会更大。五、挂篮的发展方向1. 挂篮设备应系列化、规格化挂篮作为PC连续梁(或刚构)悬臂灌筑的一种常用设备，应用已很普遍；而目前国内的挂篮种类虽不少，但适应不同跨度和梁宽的系列化、规格化产品尚不多见，多数施工单位都是对不同跨度和梁宽使用一种挂篮，仅对其某些杆件的布置作些调整，往往会因大马拉小车影响作业效率。产生这种现象的原因除产品开发滞后外，还有挂篮在具体一个施工单位的利用率问题，为此建议成立挂篮系列产品租赁公司，以便解决产品系列化、规格化和利用率的矛盾。此外，挂篮设计还应考虑PC梁悬灌段灌筑的连续性，附设一些保证全天候作业的设施，供施工单位根据不同的需要选用。2. 挂篮制作的工厂化由于挂篮作业的安全性要求较高，一般来说，除一些可利用的常备式杆件外，挂篮的主要受力部件，特别是一些需作特殊处理的杆件，宜由具有一定资质的厂家加工制作，并需作严格的检测，以绝对保证高空作业的安全。3. 挂篮施工作业的标准化和规范化目前，我国桥梁施工规范对挂篮的作业做了一些规定，但尚不够充分和完善；而国内出现的几起挂篮施工事故大多由于操作不当所致，建议在修订桥梁施工规范时，对主要挂篮的操作要求予以进一步的补充和明确。4. 挂篮设计形式的新动向(1) 针对一般挂篮梁上结构占用悬灌作业场地的矛盾，国外有人设想将挂篮用箱梁的纵向预应力筋预张拉固定，承受灌筑段的重量；而在梁顶设专门为滑移挂篮而用的结构，待完成滑移作业后将这部分结构后移，腾出作业场地。对此有必要作进一步的探讨与研究。(2) 针对弯梁桥，国内有关单位已研制出一种斜拉组合式挂篮，这种弯梁施工用挂篮既能纵向走行，又可横向转动，其组合位移便形成了沿桥梁的曲线走行。挂篮前移时，是用锚固于梁顶的上横梁维持大梁稳定的，挂篮转动是靠顶推挂篮后端实现的。这种挂篮的出现，为弯梁桥的悬灌开辟了一条新的途径。第二节 挂篮的结构构造及设计挂篮作为悬臂施工中的专用装备，除了要能承受梁段自重和施工荷载外，还要求自重轻、变形小、稳定性好，装拆方便和移动灵活等。因此，选择何种形式的挂篮就显得十分重要，外形简单、受力明确、重量轻常是选择的依据。一、常用挂篮的结构构造和力学分析1. 菱形挂篮和三角形挂篮(1)菱形挂篮的结构及构造 菱形挂篮主要由菱形桁架、悬吊系统、走行系统、模板系统及张拉操作平台五部分组成。菱形桁架：菱形桁架是挂篮的主要承重结构。主桁构架竖放于箱梁腹板位置，构架的片数可根据主梁的截面特性来定，一般为两片，也有多片的，如吴忠黄河大桥菱形挂篮采用三片构架；主要杆件通常由两片槽钢组焊而成，槽钢的截面由结构分析确定；各杆件间的联结为栓接、焊接或销接。主桁构架间用槽钢或角钢组成的横联连接，在主桁前端节点处放置一根用2根工字钢组焊成的横梁，上设吊点，以做悬吊底模平台和内外模滑梁用，该横梁同时起到将主桁架连成整体的作用。悬吊系统：由螺旋千斤顶、扁担梁、吊带或吊杆组成，用于悬挂模板系统，调整模板的标高。前后吊带（杆）：前吊带的作用是为底模平台提供前吊点，其承受几乎一半的挂篮荷载。当待灌段混凝土重量较大时，一般采用吊带，否则用吊杆。吊带一般用16Mn或性能更好的钢板并布设销孔而成，一般3m一段，分段间用销轴连接，以适应不同梁高的需要。当采用吊杆时，钢材一般用冷拉IV级精轧螺纹钢筋。每根吊带或吊杆在横梁上放2台千斤顶通过扁担梁调整底模标高。后吊带从箱梁的底板预留孔中穿过，一般用16Mn钢板上布调节孔或45#钢棒螺帽形成，下端与底模平台相连，上端2台千斤顶和扁担梁或螺帽支承在箱梁底板顶面上。后吊带的作用是承受挂篮一半的荷载并将其传至箱梁底板。模板系统：由外侧模、内模和底模等几部分组成。箱梁外侧模一般采用整体钢制大模板，当梁高变化较大时，可沿梁高分为3块左右，以随梁高变化拆装调整。外侧模支承在外模走行梁上，走行梁前端通过吊杆悬吊在已浇好的箱梁顶板预留孔上，后吊杆与走行梁间设有后吊架，其上装有滚动轴承，挂篮行走时外模走行梁与外模一起沿后吊架滑行。内模一般通过模架放置在两根内模走行梁上，走行梁前端吊在桁架横梁上，后端吊在已浇梁段顶板的预留孔上方，内模可沿走行梁滑行，除角隅处外，平面部分可用组合钢模或木模钉铁皮。底模由底模架、底横梁及模板组成，通过底横梁的前后吊带悬挂在挂篮主桁的前吊点、已浇梁段和外模走行梁上，随主桁一起前移，底模架由型钢组焊成桁架，底横梁由工字钢组焊成格构式梁，底模一般用木模外钉铁皮形成。张拉操作平台： 张拉操作平台通过钢丝绳悬吊在菱形桁架的前端小悬臂梁上，一般用角钢和钢筋组成，平台平面铺以木板供作业人员站立行走。可用手动胡芦调整其高度。走行系统 挂篮走行系统分为桁架走行系统、底模、外模走行系统及内模走行系统。图5-9 菱形挂篮走行反扣装置桁架走行系统布置为，在主桁构架下的箱梁顶面铺设用钢板组焊的轨道，轨道用竖向预应力筋通过短梁固定，轨道顶面放置前后支座，支座与桁架节点栓接，前支座沿轨道滑行（支座与轨道间垫四氟乙烯板），后支座以反扣轮（或后勾板）的形式沿轨道顶板下缘滚（滑）动，不需加设平衡重。走行时用2个5T手动葫芦纵向牵引即可。轨道分节以便向前倒用。悬臂灌筑前，需要IV级冷拉精轧钢筋将轨道上钢轨与桁架后节点锚固，使后支座反扣轮不受力。底模及外模与主桁同步行走。具体步骤为：脱模前用手动葫芦将底模架吊在外模走行梁上，解除后吊带，脱模后，底模随桁架一起向前走行。内模脱模后，内模架落在走行梁上，人工用手动葫芦即可将其移至下一梁段。(2)菱形挂篮的力学分析从整体看，挂篮荷载有一半左右通过前吊带（或吊杆）传至主桁上节点，菱形桁架以铰接模式计算杆力，其前下节点支于箱梁顶板前侧，后下节点则通过竖向预应力筋或预埋钢筋锚于梁上。(3)三角形挂篮三角形挂篮除主桁架结构形式与菱形挂篮不同外，其它构造与菱形挂篮完全相同，在此不作详述。2. 滑动斜拉式挂篮(1)挂篮的结构及构造滑动斜拉式挂篮的主要结构是：主梁（纵梁）、各种横梁、斜拉带系、模板系统（包含底模、侧模、及内模）、滑梁、上下限位装置等。主梁是挂篮的主要受力结构之一，承受梁段混凝土及模板系统等重量。每根主梁由两根工字钢组合而成，其通过钢垫板、枕木等垫在桥面上。主梁后部在两工字钢间用竖向预应力筋通过压紧器锚固在已灌梁段的顶面，主梁尾部连接限位压板，仍用竖向预应力压紧在桥面上，以限制主梁在重载时前移。见图5-10a）。图5-10 上、下限位器示意图上横梁及斜拉横梁由槽钢拼接（或焊接）而成，前者除把主梁连成整体外，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筑梁段混凝土重量再传递到主梁。斜拉带是挂篮最关键的构件，一般用16Mn或其它性能更优的钢板制成，每一拉杆一般作成45段，各段端部设有销孔，组成时用钢销联结成整体。并可随梁高的变化增减。斜拉带上端通过元宝梁固定在斜拉横梁上。元宝梁下置放两组千斤顶，用以调节底模标高。模板系统由内模、外模及底模组成，内模模架用型钢栓接或焊接而成，模板可用木模外包铁皮或组合钢模和填充木模组成，内顶模可沿悬吊在顶板预留孔上的型钢滑道前移，也可用调高支柱支撑在底模上，以便适应梁高变化。外侧模及支架通过滑梁吊挂在挂篮横梁上，外模以钢制大模板为宜。底模固定在底模平台上，底模平台由纵梁和前后下横梁组成，前下横梁与斜拉杆铰接，后下横梁通过后下锚杆锚固在箱梁底板上。滑梁由两个槽钢组成，其后断通过吊杆或吊索吊挂在箱梁顶板外翼缘上，而当挂篮移动前，滑梁则除掉后吊点，落于侧模支架的滚筒上由前吊杆带动与主梁一起前移就位。图5-11 滑动斜拉式挂篮受力示意图上限位如前所述，下限位器设于下横梁后侧，分为竖直和斜向两种，其与底模平台顶紧，以承受传来的水平力。当限位器为竖直时，在水平力作用下其受弯，受力状况较差，但锚固杆较短。当为斜向设置时，其以受拉力为主并兼受少量弯矩，受力状况大大改善，但锚固杆相应加长，拆装不太方便。见图5-10b）、c）所示。(2)滑动斜拉式挂篮的力学分析如图5-11所示，灌筑梁段混凝土的重量落于底模平台上，其前端通过铰将此力及底、侧模重力传至斜拉杆，后端通过后锚杆将垂直力传至箱梁底板混凝土上。由于斜拉杆为拉力杆，故其轴向力分解为垂直力和水平力，其水平力通过底平台纵梁传至尾部，由下限位器承担。同理，斜拉杆在上部将轴向力传至上横梁进而传至上主梁，其垂直分力由主梁传至箱梁顶板，水平分力则由主梁传至上限位器，并由竖向预应力筋压紧限位拉板与混凝土桥面间产生的摩擦力平衡。挂篮底模及侧模前移时 的重力全部由滑梁承受。3. 弓弦式挂篮(1)挂篮的结构及构造弓弦式挂篮由弓弦桁架、前吊杆、后锚栓、走行系统、模板系统等四部分组成桁架弧杆全为拉杆，腹杆全为压杆，两者均用万能杆件N1杆组拼而成，弓弦杆用槽钢组拼，并与弧杆铰接，其余用节点板螺栓连接。主桁片设于箱梁腹板上方，两桁片间以万能杆件平联连接，后锚梁亦为两槽钢组拼成的空腹工字型梁。为消除桁架拼装时产生的非弹性变形，对桁架施预应力，使弦杆上翘，同时改变了桁架的受力。前吊杆及后锚栓， 前吊杆全部采用冷拉IV级精轧螺纹钢筋，按设计预留上拱度，用螺栓连接于桁架前桁梁与底模前横梁上，将挂篮一半左右的荷载传至桁架上。后锚栓采用IV级冷拉精轧螺纹钢筋或45#钢棒，除后横梁预留调升标高的千斤顶位置外，其余部位通过后锚栓施以一定的预拉力，使模板产生预压弹性变形，密贴于已灌箱梁底而不漏浆，后锚栓承担挂篮一半左右的荷载并将其传至箱梁底板上。模板系统的外模、内模及顶板底模与滑动斜拉式挂篮的结构构造基本相同。走行系统 ： 分为弓弦桁架走行系统，底模、外模走行系统及内模走行系统三部分。弓弦桁架走行系统与菱形挂篮基本相同。底模、外模走行系统与滑动斜拉式挂篮基本相同。内模走行系统与菱形挂篮也基本相同。(2)弓弦式挂篮的力学分析如图5-12所示，弓弦式挂篮的受力与菱形挂篮基本相同，所不同的曲面桁架弓弦杆除后锚杆外，在中部有时也需提供竖向预应力的锚固，以减少局部杆件的受力。4. 三角型组合梁式挂篮(1)挂篮的结构及构造图5-12 弓弦式挂篮受力示意图挂篮由底模平台、悬挂调整系统、三角形组合梁、滑行系统、平衡及锚固系统、工作台等组成。每个挂篮有两片三角形组合梁。底模平台及悬挂调整系统与菱形挂篮基本相同。前吊带一般设销孔配合螺旋千斤顶调整底模标高，底模后吊杆可用千斤顶或砂筒卸载。三角形组合梁 三角形组合梁由I型或II型主梁和立柱，斜拉钢带及型钢平联等组成，三角形组合梁下为支座和滑道。立柱比理论长度一般短25MM左右，装上立柱和斜拉钢带后要用千斤顶起立柱，其顶力的大小由已悬挂的重量经计算确定，并应适当增大初始起顶力，以消除非弹性变形，而后再降到计算顶力值。用钢板塞紧立柱底后松顶，主梁、立柱、斜拉带即形成一紧密结合的结构体系。滑行系统 每片三角形下有前后两个钢支座，主梁与前支座连接处设有扁钢做成的支座铰，其与梁用带弹簧的螺栓连接，目的是保证前支座底板的压力均匀，又容许主梁有少量变形。支座下为30mm的不锈钢滑板。在箱梁上铺短木枕，前支座下要铺满硬杂木枕或钢筋混凝土枕，以减少整个挂篮的变形。枕木上设置平直的U形滑槽，槽内放厚3mm的聚四氟乙烯板。枕木、滑道和聚四氟乙烯板随挂篮的前移而向前倒用，走行时挂篮要设止滑绳。压重和后锚 为确保走行时的纵向稳定性，在三角组合梁的尾部设钢锭或型钢压重，要求纵向抗倾覆稳定安全系数K=1.3，在挂篮就位后组合梁的尾部用螺栓与箱梁的竖向预应力筋相连锚固。(2)三角形组合梁式挂篮的力学分析挂篮的受力情况与菱形挂篮基本相似，唯一不同的是尾部一般需要压重。二、挂篮设计1. 悬臂浇筑分段长度设计挂篮首先要决定箱梁悬臂浇筑的分段长度。悬臂梁沿梁长的分段取决于设备和施工条件。每个节段长，节段的数量就少，施工速度就比较快，但每次浇筑混凝土的数量就多，挂篮及其设备就需要相应增大。反之，每个节段短，挂篮的承重要求小，可避免过于庞大的挂篮设备，但节段数量多，挂篮周转次数多，总的施工进度比较慢。总之，悬臂浇筑箱梁分段长度要根据施工条件权衡利弊综合考虑。我国近年来悬臂施工的分段长度一般为35m左右，最大达到8m。2.挂篮横断面挂篮横断面的布置取决于桥梁的宽度和箱梁横断面形式，一般全断面上使用一个挂篮施工即可，但当桥梁宽度很大（15m以上），箱梁横断面为双箱或多箱结构时，为了使挂篮在施工中具有一定的灵活性，在一个横断面上可用两个挂篮分别施工。我国的广西柳州大桥、武汉江汉二桥均采用这种方案。3.挂篮设计总体构思挂篮设计中，往往根据现有资料和实际施工要求，选取挂篮形式、连接方式和杆件，然后进行检算，这是最常用的一种方法。所以选择何种挂篮结构形式就成为挂篮设计的首要问题。根据国内外挂篮施工现有水平，开发的轻型挂篮应满足实际桥梁悬臂施工的需要，设计要注重整体功能，不片面追求轻型指标，总体构思往往体现在以下几个方面：(1) 减轻挂篮自重途径选用一种受力合理、安全可靠、刚度较大的轻型结构作为挂篮承重主桁；挂篮用材立足国内生产的高强轻质钢材，并便于加工；挂篮浇筑混凝土时，尾部充分利用箱梁竖向预应力筋平衡倾覆力矩以取消配重，从而减轻自重。(2) 缩短挂篮施工周期挂篮行走、模板升降等采用液压装置或容易操作的螺旋千斤顶，电气集中控制，靠机械化和自动化来提高生产效率和降低工人劳动强度；在后锚受力许可的条件下，挂篮行走时，低篮、内外模可同步就位，尽量减少工序，缩短施工周期；悬吊系统和锚固系统装拆方便、调整简单。(3) 保证悬灌混凝土质量模板设计注重混凝土外观质量，以刚度控制设计，可采用新型材料制作模板，既减轻重量又坚固耐用，且满足所有悬灌梁段使用，不需要更换和修补。制订施工实施细则，严格规范保持平衡施工及限制施工荷载的措施，保证施工安全和质量。(4) 改善施工条件和环境设计挂篮时应考虑有宽敞的作业空间，便于放置各种机具和操作人员往返；在挂篮主桁架上方设置遮阳雨棚，改善作业环境。(5) 考虑通用性对挂篮结构作适当处理可适应各种跨径、不同宽度的各类箱箱梁施工。4.挂篮主桁架计算挂篮主桁架作为承重结构，是最重要的设计计算构件，其计算内容主要包括：各杆件及锚杆的内力计算和截面设计、挂篮的变形和倾覆稳定计算。计算应按两个挂篮连成一体、灌筑梁段和空载走行等情况分别进行。(1)荷载系数 依据交通部颁发的公路桥涵设计和施工规范，荷载系数取值如下： 考虑箱梁混凝土浇筑时胀模等因素的超载系数：1.05； 浇筑混凝土时的动力系数：1.2； 挂篮空载行走时的冲击系数：1.3； 浇筑混凝土和挂篮行走时的抗倾覆稳定系数：1.5；(2) 施工荷载在灌筑梁段和空载走行过程中，挂篮主桁架主要承受以下几种荷载：最大节段混凝土重量：此项为设计挂篮时的控制重量。挂篮自重：主要包括主桁架、悬吊系统、模板系统及张拉操作平台的重量；施工机具及人群荷载：根据施工中所用的附着式震捣器、张拉千斤顶及油泵的数量和施工人数计算。在没有实测资料的情况下可按2.5KN/计算。 动力附加荷载：考虑浇筑混凝土时的动力因素和挂篮施工安全方面的重要性，该处动力附加荷载主要考虑两项：a.振动系统产生的振捣力；b.梁段本身在振动中的动力影响，参照浇筑混凝土时的动力系数1.2，则梁段的动力影响为0.2梁段混凝土重。冲击附加荷载：主要考虑挂篮空载行走时的冲击影响，依据挂篮空载行走时的冲击系数1.3；则冲击附加荷载 = 0.3挂篮自重。风荷载：在6级以上大风条件下，很难保证施工质量，一般在大风情况下就停止挂篮施工。但由于悬臂施工为高空作业，安全性要求高，所以应对挂篮在可能的大风条件下的锚固、行走及整体的稳定性进行检算，以策安全。其数值可由当地气象资料提供或查全国风压图得到。混凝土偏载：可按灌筑梁段时两侧腹板浇筑混凝土最大偏差计算，或取一挂篮偏载系数，一般为1.2。(3) 荷载组合根据以上各施工阶段的检算内容和荷载情况，荷载组合如下：荷载组合I：混凝土重量+动力附加荷载+挂篮自重+施工机具和人群重；荷载组合II：混凝土重量+挂篮自重+混凝土偏载+施工机具和人群重；荷载组合III：混凝土重量+挂篮自重+风载；荷载组合IV：混凝土重量+挂篮自重+施工机具和人群重；荷载组合V：挂篮自重+冲击附加荷载+风载。荷载组合IIII用于主桁承重系统强度和稳定性计算；荷载组合IV用于变形计算；荷载组合V用于挂篮行走验算。(4) 结构计算主桁结构内力与变形计算：简化的计算常假定主桁架每一桁片承担的荷载相同，按平面结构计算。图5-13（a）为两挂篮连成一体时的计算图式，图中P为拟灌筑梁段重量，P1、P2、P3为挂篮自重及施工设备等重量，由此可求得N、R1、R上、R下及各杆件的内力。图5-13（b）为挂篮空载行走时，绕B点倾覆稳定计算图式，要求抗倾覆稳定系数不小于1.5，并由此而确定所需要的平衡重量N。图5-12为灌筑混凝土时，后锚及纵梁后端已锚固在已成梁段上，挂篮的计算荷载应包括梁段重、机具设备、施工人员等全部重量，依次确定锚杆及挂篮各杆件的内力。挂篮的变形主要计算挂篮在最大荷载作用下挂篮前端的挠度值（包括弹性与非弹性变形），为悬臂施工时挂篮前端的预留下沉量提供依据。 图5-13平面结构计算简便，但考虑的荷载工况较少，且无法考虑混凝土偏载和横向风荷载作用对挂篮的整体影响，所以对于横截面较宽或受横向荷载影响较大的挂篮，最好采用空间结构计算。挂篮主桁为空间桁架结构，杆件连接可分为刚性、铰接和半铰接节点，对于主桁架桁片采用焊接、栓接连接的可分别处理为刚性节点和铰接节点，对于仅在一个平面转动而另一平面不能转动的销接视为半铰接。计算主桁内力和变形可采用杆系结构通用计算程序在微机上计算，如吴忠黄河大桥挂篮设计中采用SAP90程序计算，计算非常迅速，且与实际吻合较好。主桁杆件稳定分析：根据空间杆系计算出的内力，对压杆采用相应的屈曲长度，分别计算出平面内和平面外的压杆整体稳定和局部稳定，若各压杆能满足稳定性要求，则桁架整体稳定也能满足。5.其它构件检算挂篮的悬吊系统、模板系统和走行系统等按一般钢结构计算方法设计，在此不再赘述，但因挂篮是可移动的支架，又属于高空作业，所以在设计时必须保证有足够的安全度，尤其要注意悬吊系统的前吊带（杆），其在脱模过程中，受到的冲击振动最大，而且承受重复作用，有发生端部断裂的危险，因此悬吊系统的前吊带（杆）的安全系数不小于4。所有计算均根据不同的计算图示与荷载组合，求得各构件的最大应力，经多次调整结构几何尺寸，以达到在满足规范要求的前提下，使结构材料最省、重量最轻。第三节 挂篮悬臂浇筑施工的主要工艺程序及特点用挂篮逐段浇筑施工的主要工艺程序为：灌筑0号段；拼装挂篮；灌筑1号（或2号）段；挂篮前移、调整、锚固；灌筑下一梁段；依次类推完成悬臂灌筑；挂篮拆除；合拢。悬臂浇筑的每一梁段，其施工工艺流程如图5-14所示。图中所示工艺流程按每一梁段的混凝土分两次浇筑排列（即先浇筑底板混凝土，后浇肋板及顶板混凝土）。当采用一次浇筑时，将浇筑底板混凝土的工序与浇筑肋板及顶板混凝土的工序合并，其它工序不变。一、0号段的施工0#段位于桥墩上方，其混凝土圬工数量较大，一般采用现场就地浇筑，灌筑0#段相当于给挂篮提供一个安装场地。0#段的长度依两个挂篮的纵向安装长度而定，有时当0#段设计较短时，常将对称的1#段灌筑后再安装挂篮，这部分重量可用支架支承，它主要有扇形、门式和斜拉式三种。若墩身较低，可采用置于桥墩基础或地基上的支架；若墩身较高，可在墩中设置预埋支撑支架（图5-15）。图5-14 悬臂浇筑施工工艺流程支架可采用万能杆件、贝雷梁、型钢等构件拼装，也可采用钢筋混凝土构件作临时支撑。支架总长度视拼装挂篮的需要而决定。由于考虑到在支架上浇筑梁段0号块混凝土，支架变形对梁体质量影响很大，在作支架设计时，除考虑支架强度要求外，还应考虑支架的刚度和整体性；当采用万能杆件、贝雷梁、板梁、型钢等做支架时，可采取预压、抛高或调整等措施。图5-15 悬臂根部梁段现浇施工的支架二、梁墩临时固结措施对于预应力混凝土连续梁桥和悬臂梁桥，在悬臂施工过程中应设置临时梁墩锚固，使0号块梁段能承受两侧悬臂施工时产生的不平衡力矩。临时固结措施或支承措施有下列几种形式：(1)将0号块梁段与桥墩预埋的钢筋或预应力筋临时固结，待需要解除固结时切断，见图5-16。图5-16 零好块件与桥墩的临时固结措施1- 预埋临时锚固预应力筋；2-支座；3-工字钢(2)当桥不高，水又不深且易于搭设临时支架时，采用支架式固结措施，在此情况下，悬臂端所引起的不平衡力矩完全由梁段的自重来保持稳定，见图5-17（a）。(3)利用临时立柱和预应力筋来锚固上下部结构。预应力筋的下端埋固在基础承台内，上端在箱梁底板上张拉并锚固，借以使立柱在施工过程中始终受压，以维持稳定，见图5-17（b）。(4)在桥高水深的情况下，也可采用围建在墩身上部的三角形支架作为梁段的临时支撑，并可用沙筒、硫磺水泥沙浆块或混凝土块作为悬臂施工完毕后转换体系时临时支承的卸落设备。当采用硫磺水泥沙浆块时，要采用高温熔化拆除支承时，必须在支承块之间设置隔热措施，以免损坏支座部件，见图5-17（c）。图5-17 临时固结措施 三、拼装挂篮：挂篮运至工地后，应在岸边试拼，以发现由于制作不精确及运输中发生变形造成的问题，保证正式安装时的顺利及工程进度。1.滑动斜拉式挂篮拼装(1)0号段施工完毕后，在墩顶帽上顺桥轴线方向两侧安装三角形托架。(2)在0号段设简易扒杆吊装挂篮主梁，并用压紧器将主梁锚固在梁体上。在主梁上安装横梁、三角铁、主梁风撑等。注意灌筑1号段时一侧主梁为正常长度，另一侧为接长梁，并与正常主梁栓接成整体，不用后限位器。当滑至2号段时，将一侧的接长梁换为正常主梁并将其尾部用节点板相连，悬灌到3号梁段以后，两挂篮分开并在尾部加后限位器，各自对称独立工作。见图5-18（a）、（b）、（c）所示。图5-18 滑动斜拉式挂篮拼装示意图(3)用已安装的主梁吊装底模系统（包括前下横梁及纵梁和底模及外侧模）。底模平台的后下横梁支承在墩身侧面的三角托架上。(4)安装两根内侧斜拉带。(5)安装外侧摸，用活动槽钢将外侧摸固定在前后下横梁上。安装两根外侧斜拉带。(6)绑扎1号梁段部分钢筋后，力箱梁内模，绑箱梁顶部钢筋，再用斜拉带调整模型位置。2.菱形挂篮拼装菱形挂篮悬臂灌筑时一般从1号或2号段开始，并且两侧挂篮一开始就独立作业。当桥墩不太高时，其杆件一般用较大吨位的汽车吊直接提升，当桥墩较高或桥下地形不允许，或有较深的水流存在时，可用缆索或浮吊及扒杆等提升。挂篮的拼装程序见图5-19。3.弓弦式挂篮的安装(1)先在箱梁腹板顶面铺好木枕、钢轨作为滑道，然后安装弦杆、腹杆、弓弦杆及联系杆件。(2)两侧挂篮尾部相互连接，形成一整体桁架。具体连接方式为弦杆采用铰接，弓弦杆采用附设拉杆铰接，见图5-20所示。(3)在0号段外侧摸设有滚动轴的桁梁下穿入滑梁，将底模与外侧模间撑拉联系放松，在自重作用下，脱模于滑梁上，用手动葫芦牵引就位。(4)1号梁段箱梁施工完毕后，两挂篮解体，各自移动到位并用手动葫芦在尾部牵引，然后接长弦杆、弧杆，安装后锚梁，此后两挂篮对称独立作业。4.三角形组合挂篮的安装(1)在0号及1号梁段上安装梁顶滑道，然后安装支座及三角形组合梁，并将其两图5-19 菱形挂篮安装流程图尾部相连并锚固，配置压重，见图5-21。吊挂相应吊带（杆）。(2)将底模平台及侧模支架作为整体起吊，与相应吊点相连接，后下横梁则用吊杆支承在箱梁底板上。图5-20 弓弦式挂篮的尾部连接示意图 图5-21 三角形组合梁挂篮尾部连接示意图(3)将内部顶模吊挂在前后吊杆上。(4)从3号梁段开始，两挂篮分开作业，其主梁尾部各安装接长梁，并将主梁后端锚固在箱梁顶面上。四、挂篮的行走 1.滑动斜拉式挂篮的行走 (1)用手动葫芦把前下横梁固定在箱梁梁体上，松开斜拉带顶端千斤顶，并拆斜斜拉带。(2)用压轮器更换主梁压紧器。手动葫芦把主梁系统牵引到下一梁段设计位置，此时侧模滑梁在前上吊杆的带动下，沿侧模支架上的滚筒一起前行。(3)用手动葫芦将底模平台吊挂在滑梁上，拆除后下吊杆，将底模平台通过侧模支架落在滑梁滚筒上，并用手动葫芦牵引就位。(4)安装斜拉带、后下吊杆、后下限位器等。(5)将内模落于内模滑梁上，用手动葫芦牵引就位。2.菱形挂篮的行走(1)用手动葫芦将底模平台吊在外侧模走行梁上，解除后吊带，将其落于滑梁上。(2)松开菱形桁架的上锚固，使其后支座反扣在轨道上缘，用千斤顶推或手动葫芦牵引主桁并带动侧模及底模平台沿滑道前行就位。(3)将内模落于内走行梁上，用手动葫芦牵引就位。3.弓弦式挂篮的行走(1)将底模平台及外模用手动葫芦吊挂在箱梁及滑梁上，并松开前吊杆及后锚固。(2)用手动葫芦将弓弦桁架沿梁顶滑道牵引就位，此时滑梁同时在前吊杆带动下同步到位。(3)将底模平台通过外模支承在滑梁的滚筒上，用手动葫芦将其牵引到位。(4)将内模下落在内滑梁上，用手动葫芦牵引到位。五、挂篮的加工、试拼与预压1.挂篮的加工对于型钢式挂篮，在加工过程中应注意以下环节：(1)挂篮所用的主要材料包括主桁架、吊带等受力杆件所用材料必须符合国标要求。(2)确定合理的焊接工艺。由于挂篮杆件多为组焊件，为保证焊接质量，减少焊接残余变形，各杆件焊接前，必须先制定焊接工艺。根据挂篮所用材质选定焊条种类、型号、规格，确定焊接层数，坡口型状，电流大小，进行试焊。重要部位杆件焊接时，焊工必须先进行首焊试验，经试验合格后方准其焊接。试焊后的焊件，进行几何形状检查并探伤，经检查合格后，此工艺方可作为挂篮杆件的焊接工艺。(3)确定合理的下料方案。由于杆件数量多，尺寸不一，因此，合理的下料方案对结构的受力性能、材料的节省及焊接工作量的大小影响颇大。例如，配料时，受拉杆件多采用整料，受压杆件可用短料焊接等。(4)对节点的处理采用机加工手段与工地合理的组焊方法相结合，使杆件的加工既在工地加工又有工厂的加工精度，从而保证了工期和效益。2. 挂篮的试拼与预压挂篮制作完成后，对集中受力的重要部件，如钢带和销子，先要进行应力测试，然后在陆上试拼，这样既可以发现加工中存在的问题和隐患，并能使操作工人熟悉拼装工艺，及时发现问题。根据设计荷载进行预压，既能保证质量又能保证施工安全，并能将非弹性压缩事先消除，更能确定弹性压缩的正确数值。有时非弹性压缩并不能一次全部