懸灌梁菱形掛籃的設計原理與應用

摘要：以遼陽新運大橋70+120+120+70為實例，闡述了掛籃的設計原理、主要組成部分、安裝程序、受力分析和掛籃檢算。

關鍵詞：菱形掛籃 設計原理 應用

0 引言

懸澆施工法是在掛籃等各種移動的鋼制腳手架上，由橋墩向跨中對稱地支模、綁軋鋼筋、穿預應力管道、澆筑梁體至設計位置，待梁體養護達到設計強度后，再穿束、施加預應力的架橋方法。由于采用掛籃的懸澆施工法具有許多優點，不影響橋下正常交通、不受地形限制、掛籃可重復使用等，因此，它廣泛地應用于大跨度預應力混凝土梁橋的建設中，掛籃作為連續梁懸臂澆筑的一種常用設備，應用已經很普遍，目前國內掛籃的種類繁多，懸臂施工掛籃最初是平行桁架式，后來逐漸發展成多樣化，遼陽新運大橋采用菱形掛籃。

1 工程概況

遼陽新運大橋連續梁為四孔一聯（70+120+120+70）m預應力混凝土雙線連續箱梁，箱體為單箱雙室，直腹板、變坡度、變截面結構。箱梁頂寬18.5m，底寬13.5m，全聯采用懸臂澆筑法施工，全聯共設16個梁段，其中15個梁段需要采用掛籃進行懸臂澆筑。

2 菱形掛籃的設計原理

2.1 菱形掛籃各組成部分的設計：

2.1.1 主梁系：菱形構架、橫向連接系和上下橫梁構成了主梁系，其中主構架為整套掛籃的受力核心由三片菱形桁架構成，每片桁架有兩根32c槽鋼構成格構式組合截面，桿件間選取ф25的高強螺栓通過厚δ=20mm的兩塊節點板連接為一體，兩片菱形桁架間的平面豎向聯結，其作用是傳遞由前上橫梁傳接提吊系統的拉力。橫向連接系由角鋼焊接而成，其是為了連接兩片主桁架，使其成為一體抗傾覆，前移時保持穩定及同步。掛籃橫梁（前上橫梁、前下橫梁及后下橫梁）都選用兩根45B的槽鋼組成的組合截面。前上橫梁支撐在掛籃主桁的受力核心，兩片菱形桁架上，其一是為使兩片主桁架鏈接，二是為承受吊帶傳來的荷載。承受由前吊帶傳遞來的所有荷載，前下橫梁通過前長吊帶吊掛在前上橫梁上，承受由縱梁桁架前端傳遞過來的全部荷載；后下橫梁通過后長、短吊帶吊掛于已灌筑的箱梁梁體上，承受由縱梁桁架后端傳遞過來的全部荷載。

2.1.2 底模系：底模系由前后拖梁、縱向桁架以及模板組成，托梁由兩根32B槽鋼、兩根40c槽鋼分別焊接后疊加組合而成，底模的面板為δ=8mm的A3鋼板，根據模板所在位置的受力狀況，在模板的面板下設置相應間距的加勁肋。底模系前托梁懸掛在前橫梁上，后托梁由兩個后錨錨固在已成梁段混凝土底板上。

2.1.3 外模系：外模系由側模架和模板組成。側模架由[14B槽鋼形成桁架結構，桁間距100cm；模板由δ6mm鋼板以及角鋼作肋制成，側模夾住底模，通過調整底模的高程以適應不同高度的梁段，這樣外模能循環使用，大大節約了投資。外模系下端牛腿支撐在底模系前后托梁上，中部用對拉筋與內模系相連，頂部利用已成梁段上的預留孔將側模錨固在已成梁段上，另一側利用斜拉桿固定在主構架上。

2.1.4 內模系：采用箱內支架法。

2.1.5 錨固系：錨固系分上下錨固區。上錨是主桁架的自錨平衡裝置，由錨固扁擔梁、豎向預應力筋、連接錨桿、千斤頂等組成。每根主桁縱梁尾部用3根精軋螺紋鋼筋作為連接錨桿與箱梁內的預埋的豎向預應力筋（或預留空洞穿精軋螺紋鋼緊）相連，單根主梁設置3個錨固點，一個掛籃共設置6個錨固點。下錨是在已成梁段箱梁底板預留孔處將底模系后托梁錨固在已成梁段上。精軋螺紋粗鋼筋上方設置千斤頂進行錨固力的轉換并可調整掛籃懸臂端撓度。

2.1.6 掛籃走行系統：掛籃走行系統分為：底模、外模走行系統及桁架走行系統。桁架走行系統是在兩片桁架下已灌筑的箱梁頂面鋪設橫向的軌道固定扁擔梁，在軌道固定扁擔梁頂面沿縱向鋪設兩根用20B工字鋼上下滿焊δ=20mm鋼板焊的箱形軌道，采用已灌筑箱梁的豎向預應力筋錨將軌道扁擔梁固著在箱梁頂面，軌道錨固在軌道固定扁擔梁上。將前后支座設置于軌道頂面，利用螺栓使桁架節點和支座連接，前支座沿軌道滑行，利用反扣裝置后支座沿軌道頂板下緣滑動，不必增設平衡重，軌道分節向前倒用；外模及底模與掛籃主桁同步走行，走行過程中，外模吊掛在外導梁，而底模仍支撐于縱梁桁架上。

2.1.7 掛籃吊帶：吊帶包括前長吊帶、前短吊帶、后長吊帶、后短吊帶和后短吊桿。前長吊帶是前下橫梁和前上橫梁間的傳力結構；前短吊帶是內外導梁前端與前上橫梁之間的傳力結構；將后下橫梁所受荷載傳至已灌筑的箱梁梁體為后短吊帶及后長吊帶，根據所傳力的大小，采用ф32的精軋螺紋鋼制作而成；后短吊桿是將內外導梁后端所受荷載傳至已灌筑的箱梁梁體，制作時選材為精軋螺紋粗鋼筋，其抗拉標準強度為830Mpa，直徑為ф32。

2.1.8 掛籃外導梁：外導梁主要承受待灌筑箱梁懸臂翼緣板自重及相應的施工荷載，兩端分別通過前短吊帶和后短吊桿將所受荷載傳遞到前上橫梁和已灌筑的箱梁梁體上，采用兩根32C的槽鋼組成組合截面。

2.2 掛籃的受力分析：進行懸灌施工的過程中，主梁系承受的拉力多為底模系傳輸的豎向拉力，掛籃走行過程中，承受的多為外滑梁前吊桿傳來的豎向彎矩和豎向力。底模系承受懸灌箱梁施工荷載。外模系承受的多是翼板混凝土荷載和腹板混凝土產生的側壓力。

2.2.1 荷載系數：按照交通部頒發的公路橋涵設計及施工規范對荷載系數的規定，得出以下荷載系數取值：

兼顧箱梁混凝土澆筑時脹模等因素的超載系數：1.05；澆筑混凝土時的動力系數：1.2；掛籃空載走行時沖擊系數：1.3；澆筑混凝土和掛籃走行時的抗傾覆穩定系數：2；由于0#塊及1#塊均為現澆，故本次掛籃驗算2#塊，2#塊混凝土體積為101.2m3，混凝土容重為25.25KN/m3，施工人員及施工設備的自重為2.5KN/㎡；振搗混凝土時產生的荷載為2.0KN/㎡；傾倒混凝土時產生的荷載為4.0KN/㎡；掛籃及模板材料為Q235鋼材。

2.2.2 荷載組合：荷載組合Ⅰ：砼自重+動力附加荷載+掛籃自重+施工機具及人群荷載；荷載組合Ⅱ：砼自重+砼偏載+掛籃自重+施工機具及人群荷載；荷載組合Ⅲ：砼自重+風荷載+掛籃自重；荷載組合Ⅳ：砼自重+掛籃自重+施工機具及人群荷載；荷載組合Ⅴ：沖擊附加荷載+風荷載+掛籃自重。荷載組合Ⅰ～Ⅲ用于掛籃強度及穩定性計算，荷載組合Ⅳ用于剛度計算，荷載組合Ⅴ用于掛籃走行驗算。

2.2.3 結構分析計算：掛籃主桁結構內力和位移計算：掛籃主桁屬空間桁架結構，桿件聯結分剛性、半鉸接及鉸接節點，焊接節點可處理成剛性節點，而半鉸接是僅在一個平面內轉動且另一平面無法轉動的鉸接。采用清華大學結構力學求解器計算位移及主桁內力。主桁桿件穩定分析：按照空間桿系計算得出的內力，對各桿件按受拉受壓分別進行計算，壓桿采取相應的屈曲長度K1，分別對平面內外的壓桿穩定及局部穩定進行計算。其他構件計算：手工計算掛籃各種軌道、銷子、螺紋件及分配梁等。

3 菱形掛籃的應用

3.1 菱形掛籃安裝程序：

為了加快連續梁施工進度，規范掛籃安裝作業，保證將掛籃準確、快速和安全的安裝到位。根據我單位在沈陽北一路公鐵立交橋連續梁使用菱形掛籃結構和現場實際情況，制訂遼陽新運大橋掛籃安裝程序：

清理彈線→找平鋪軌→安裝軌道→安裝主構架→安裝橫向連接系→后錨固定→安裝前上橫梁→安裝后吊帶→安裝底模架和底模板→安裝外側模→調整立模標高。

3.2 掛籃前移：

在張拉壓漿結束后即可前移。

3.2.1 安裝走形軌道，在軌道表面涂潤滑油。底模拆卸完畢后吊帶、松解內外模前后錨桿，同時確保模板已脫離混凝土，外模板落在底模走行縱梁上；將主桁架的后錨桿拆除使后支座受力，放松底模前吊帶，使其脫離梁體約100mm的距離。

3.2.2 走行前進行安全檢查，掛籃兩軌道為檢查的關鍵部位，需確保其平行于橋軸線且相對水平，檢查掛籃上有無人員作業，掛籃前后支座以及軌道錨固及支墊的狀況。

3.2.3 分別采用一個10t的倒鏈對各主桁架進行牽引，以帶動掛籃側模和底模，使其同步前移，滑行時處理好接縫，特別要及時處理拉桿頭，避免銹水對混凝土表面造車污染，處理及修補時避免掛籃移動。

3.2.4 到位后及時對底模后吊帶進行安裝，內外滑梁吊桿及掛籃主桁架后錨固裝置，將臨時受力轉化為永久受力，保證安全地進行施工。

4 菱形掛籃的掛籃加載試驗

根據掛籃設計和使用要求，掛籃加工后應進行預拼裝以檢驗掛籃的加工精度，對掛籃進行靜載預壓試驗，掛籃的預壓是對掛籃設計強度、剛度和穩定性的一種驗證，對掛籃適應性的檢驗，取得可靠的依據，同時也是對掛籃結構消除非彈性變形，并掌握彈性變形的直接方式，對理論計算的驗證，同時檢驗掛籃的加工質量。作為連續梁線形控制及施工時調整底模的依據，便于發現加工中存在的問題和隱患，從而保證懸掛梁施工的安全，具體方法此中不做詳細介紹。

5 菱形掛籃設計與施工體會

5.1 為確保掛籃的剛度及強度，使掛籃自重降低，掛籃各桿件尤其應盡量采用輕質且強度較高的鋼材作為主桁架用材。

5.2 取消菱形掛籃的尾部配重之后，需對自錨的安全性提起重視，尤其在前移過程中，應保持高于2的抗傾覆穩定系數。設計掛籃的過程中，需兼顧其是否可重復利用，經簡單處理后即可與各種寬度、長度的箱梁施工及跨徑相適應。

5.3 實際的應用中，此掛籃便于移動和組裝及模板的調整，進行掛籃前移的時常僅為3h，模板調整的時常為4h，各環節最快的施工周期為5d，一般為6.5d，這為爭取橋梁的整體工期制造了有利條件。

6 結論

6.1 設計和施工相互結合，采用掛籃施工工藝可保證橋梁結構體系的剛度、強度、穩定性及耐久性并可降低工程總造價。

6.2 掛籃系統在橋梁施工中可節約腳手架、減少施工環節、加快施工進度、縮短施工周期。

6.3 掛籃系統自重輕、利用率和周轉次數高，且施工作業面寬闊，便于鋼筋、預應力管道安裝以及預應力筋張拉。

6.4 掛籃系統在橋梁工程施工中，環境條件要求低，在跨越河流和交通繁忙的主干道的情況下可滿足正常施工的要求。

參考文獻：

[1]交通部第一公路工程總公司主編.橋涵(下冊).北京:人民交通出版社， 1992.

[2]莊立科.杭州市文暉大橋掛籃設計與施工[J].鐵道標準設計，2003(3).