客运专线三角形组合梁挂篮设计

　　摘要：本文介绍了一种针对客运专线大跨度连续梁悬臂法施工需要的承重能力300T的三角形组合挂篮的设计。
　　关键词：客运专线，连续梁，三角形组合梁，挂篮
　　1工程概况
　　新建铁路广深港客运专线广州至深圳段综合工程ZH-1标段沙湾水道特大桥为设计时速350Km/h客运专线双线桥，主桥为104+2×168+112m连续梁，采用悬臂法施工，共有21个悬灌节段，最大梁段重量286T，最大节段长度4.0m。梁高变化范围：11.0～6.0m。梁体顶板宽13.4m，底板宽8m。梁腹板厚度变化范围：1.1～0.5m。
　　2挂篮选型
　　悬臂法施工中常用的挂篮按构造形式可分为桁架式(包括平弦无平衡重式、菱形、弓弦式等)、斜拉式(包括三角斜拉式和预应力斜拉式)、型钢式及混合式四种；挂篮按抗倾覆平衡方式可分为压重式、锚固式和半压重半锚固式三种；挂篮按走行方法可分为一次走行到位和两次走行到位两种；而按其移动方式可分为滚动式、滑动式和组合式三种。
　　各种型式挂篮的特点及适用性：
　　①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，在主桁架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。由于平弦无平衡重挂篮并未从根本上克服平行桁架式挂篮机构庞大、自重较大的缺点，应用不是很广泛。
　　②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、受力合理的特点外，还可在安装时在结构内部预施应力以消除非弹性变形，故也可取消平衡重，所以一般重力较轻。弓弦式挂篮由于杆件以常备式为主，而且自重较轻，桁高随弯矩大小而变化，受力较合理，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。
　　③菱形挂篮
　　菱形挂篮可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。菱形挂篮具有结构简单、受力合理和一次移动到位等特点，较受欢迎。
　　④滑动斜拉式挂篮
　　滑动斜拉式挂篮在力学体系方面有较大突破，其上部采用斜拉体系代替梁式或桁架式结构的受力，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。滑动斜拉式挂篮由于兼有自重轻和无平衡重等特点，被认为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，故使其应用受到一定的限制。
　　⑤预应力斜拉式挂篮
　　预应力斜拉式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少，但因属永久结构和临时结构相结合，需设计、施工及建设单位意见一致方可采用。此外，对于预应力束在锚固模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都应综合予以考虑，做到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。
　　⑥三角形组合梁挂篮
　　三角形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，从而使挂篮的承重能力大大提升，并且主梁可采用单构件实体型钢，加工及安装均比较简单，因此梁段重量较重时一般都采用此种挂篮型式。
　　⑦自承式挂篮
　　自承式挂篮分为两种：一种是模型支承在整体桁架上，桁架用销子和预应力筋挂在已成箱梁的前端角上，灌注混凝土时主梁和可移动桁架移至一边，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直预应力筋拉住模板来承担混凝土重，移动方法与前者相同，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。
　　通过对比以上几种型式挂篮的特点，本工程选用承重能力高、结构简单的三角形组合梁挂篮进行悬灌施工。
　　3挂篮设计
　　3.3.1挂篮的结构
　　本设计中三角形组合梁挂篮主要由三角形组合梁、提吊系统、走行系统、模板及张拉操作平台五部分组成。如图1所示。
　　图1
　　1、三角形组合梁：
　　三角形组合梁是挂篮的主要承重结构，两片主桁构架竖放于箱梁腹板位置，其间用工字钢横联及角钢横联连接。三角形组合梁由主梁、立柱、刚性斜拉带和柔性斜拉带等组成。主梁根据受力要求，采用钢板组焊而成“II”形截面，立柱和刚性斜拉带采用2[36b组焊的“[]”形截面格构式构件，柔性斜拉带采用300mm宽，40mm厚的l6Mn钢带，详见图2。
　　
　　图2
　　主桁前端在节点处放置一根用2I63b工字钢组焊成的横梁，上设8个吊点，其中4个作吊底模平台用，另4个吊内外模滑梁用，该横梁同时起到将两片桁架连成整体的作用。
　　2、前后吊带：
　　前后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。吊带用l6Mn钢板并布设销孔而成，共分7段，分段间用销轴连接，以适应不同梁高的需要。吊杆选用精轧螺纹钢筋。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的高程。
　　后吊带从箱梁的底板预留孔中穿过，用l6Mn上布调节孔形成，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约一半的荷载并将其传给箱梁底板。
　　3、模板系统：
　　箱梁外侧模采用钢制大模板，并沿梁高分为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于顶横梁上，后端通过吊杆悬吊在已浇好的箱梁顶板预留孔上，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。
　　内模通过模架放置在两根内模走行梁上，走行梁前端吊在顶横梁上，后端吊在已浇梁段顶板的预留孔上方，内模架可沿走行梁滑行，除角隅处外，平面部分采用组合钢模或木模钉铁皮。
　　底模由底模架纵梁和底模板组成，底模架纵梁采用槽钢和角钢组焊的空间桁架结构。底模采用大块钢模板。
　　4、张拉操作平台：
　　张拉操作平台通过钢丝绳悬吊在主桁架的前端，由角钢和钢筋组成，平台平面铺以木板供作业人员站立行走。可用手动葫芦调整其高度。
　　5、走行系统：
　　挂篮走行系统分为主桁架走行系统、底模、外模走行系统及内模走行系统。
　　桁架走行系统布置为，在两片桁架下的箱梁顶面铺设两根用钢板组焊的轨道，轨道用竖向预应力筋固定，轨道顶面放置前后支座，支座与主桁架栓接，前支座沿轨道滑行(支座与轨道间垫四氟乙烯板)，后支座以勾板的形式沿轨道顶板下缘滑动，不需加设平衡重。走行时用2个YCW型千斤顶纵向牵引即可。轨道分节以便向前倒用。悬臂灌注前，需用精轧螺纹钢筋将挂篮后锚点锚固于以浇筑梁段顶板上，使后支座勾板不受力。
　　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。
　　3.2三角形组合梁的改进
　　传统三角形挂篮主桁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顶立柱，以消除斜拉钢带与主梁及立柱连接处销轴与销孔之间的间隙，然后用钢板塞紧柱底后松顶，主梁、立柱、斜拉带即形成一个紧密结合的结构体。此种结构设计对构件的加工及安装要求均比较高。
　　本设计中这种刚柔组合斜拉带的设计能有效减小立柱与主梁连接处的弯矩，可直接将立柱用螺栓固定到主梁上，由柔性斜拉带协同主梁的受力与变形。而为了消除柔性斜拉带与主梁及立柱连接处销轴与销孔之间的间隙，将柔性斜拉带BC的长度比设计短5mm（销孔直径较销轴直径大2mm，共有四个销孔），在节点B和节点C上设置锚板，B、C节点间安装预应力钢筋，张拉预应力钢筋，张拉力以恰好能够安装柔性斜拉带BC为准。完成柔性斜拉带安装后即可拆除预应力钢筋。此种设计的优点是刚性斜拉带截面较大，采用普通钢材就可满足受力要求，且由于刚性斜拉带刚度（EA）较大，能减小挂篮的整体变形。
　　3.3挂篮设计计算
　　3.3.1计算假设
　　A.由外模走行梁承受外侧模、外侧模顶部箱梁翼板混凝土及挂篮移动时部分底模板的重量（挂篮移动时，底模架后横梁吊于外模走行梁，随走行梁一起移动；挂篮工作时，底模架后横梁由后吊杆吊于已施工梁段上）；
　　B.由内模走行梁承受内模、内模顶部箱梁顶板混凝土的重量；
　　C.底模承受腹板及底板的重量。
　　3.3.2计算荷载
　　3.3.2.1梁段混凝土重量
　　混凝土重量最重为3000KN
　　3.3.2.2模板重量
　　外模（单侧）重量为100KN（荷载分项系数按1.2计），
　　内模重量为250KN（荷载分项系数按1.2计）,
　　底模重量为170KN（荷载分项系数按1.2计）。
　　3.3.2.3施工荷载
　　人员、机具等的荷载按2.5KN/㎡计算（荷载分项系数按1.4计），
　　混凝土的振捣荷载按1KN/㎡计算（荷载分项系数按1.4计）。
　　挂篮各个构件的重量在分析计算时由程序自动考虑（荷载分项系数按1.2计）。
　　3.3.4检算
　　检算采用SAP2000建模进行整体分析，如图3所示：
　　
　　图3挂篮3D模型及模型受力后的变形
　　3.3.4.1.挂篮主桁架构造及截面特性
　　
　　图6主构架3D模型
　　杆件名称 AOB AC OC BC
　　截面类型 2I100 2［36b 2［36b 钢带
　　截面特性 A=544cm2
　　Ix=679125cm4
　　Iy=223061cm4
　　Wx=13582cm3
　　Wy=7435cm3 A=136.2cm2
　　Ix=25300cm4
　　Iy=38169cm4
　　Wx=1406cm3
　　Wy=2009cm3 A=136.2cm2
　　Ix=25300cm4
　　Iy=38169cm4
　　Wx=1406cm3
　　Wy=2009cm3 A=cm2
　　缀板尺寸（mm） 580×300×16 360×250×12 360×250×12 
　　缀板间距（mm） 937.5 560 480 
　　3.3.4.2.主桁架受力计算
　　对以上结构进行分析后得出如下表所示的分析结果
　　名称
　　轴力 AOB AC OC BC
　　杆件长度 5.576m 4.7m 3m 5m
　　内力 轴力（KN） 1198.4 1458.2 1684.4 1465.4
　　 剪力（KN） 163.8 11.0 0 0
　　 弯矩
　　（KN•m） 1226.8 47.9 0 0
　　⑴AOB杆：
　　AOB主梁为压弯构件，同时承受轴向压力和强轴（X-X）的弯矩，其计算如下：
　　①强度检算
　　
　　②稳定性检算
　　
　　查表得：
　　
　　
　　⑵AC杆：
　　此杆件为拉杆，只检算拉应力
　　σ=N／A=1458.2×103/136.2×10-4
　　=107.1MPa<[σ]=215MPa,满足要求
　　⑶OC杆（立柱）
　　此杆为受压杆件，需检算稳定性。因两端均为螺栓群连接，取计算长度系数0.65。
　　自由长度：lx＝ly＝0.65l0＝0.65×3000=1950mm
　　①对x轴压弯稳定性检算
　　查表得：
　　故得：
　　②对y轴压弯稳定性检算
　　自由长度ly=1950m
　　计算：ly1=480mm，，
　　故
　　由此可得查表得：
　　故得：
　　⑷BC杆（柔性斜拉带）：
　　此杆为链杆，只需检算拉应力。
　　
　　3.3.4.3.最大挠度
　　B点挠度最大，为。
　　3.3.4.4.主桁架螺栓强度检算
　　本设计AC、OC杆杆端最少的连接螺栓的数量为30个，螺栓采用φ30精制普通螺栓。
　　由于OC杆所受轴力最大，故对此杆杆端的连接强度进行检算。
　　1、OC杆杆端连接强检算（按螺栓受剪承力检算）
　　
　　3、螺栓承压检算
　　单个螺栓承压力为
　　上式中d为螺栓直径，为同一方向上承压的板件总厚度，为螺栓承压的容许应力值，取250MPa。
　　OC杆件两端各有30个螺栓连接，OC杆所受轴力最大为1684.4KN，每个螺栓承受的压力为1684.4/30＝56.1KN<(满足要求)。
　　4.结束语
　　客运专线168m跨度连续梁在国内是比较少见的，由于客运专线高速度、高平顺度的特点，梁体的刚度大、重量重（悬灌施工最大节段重量286T），故对悬灌施工所需挂篮的安全性及刚度要求均比较严格。本设计中三角形组合梁挂篮的最大承重能力大于300T，承载能力满足规范最小安全系数2.0的要求；最大挠度为16.7mm，挂篮的刚度也满足规范的要求；挂篮总重/梁段重量=101.4T/286T=0.35，挂篮自重相对较轻，有利于悬灌施工时桥梁线形的控制。
　　
　　参考文献
　　1.铁道部第三堪测设计院《铁路桥涵设计规范》铁道部建设司标准科情所组织出版TB10002.1-99
　　2.罗邦富.魏明钟.沈祖炎.陈明辉《钢结构设计手册》中国建筑工业出版社GBJ17-88版
　　3.王武勤、周纪昌《大跨度桥梁施工技术》人民交通出版社2007年

《客运专线三角形组合梁挂篮设计》

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