增江大桥悬臂施工挂篮设计及施工控制.doc

增江大桥悬臂施工挂篮设计及施工控制
[提 要]在施工方便性、经济性和安全性较等方面比较了几种挂篮，结合增江大桥实际情况，选择三角挂篮结构形式，并介绍了其详细构造。建立挂篮计算模型,计算分析施工过程和走行过程中挂篮的受力和变形情况。进一步对三角挂篮施工过程中质量控制进行总结分析。
[关键词]悬臂施工；连续梁；三角挂篮

1. 工程概况
增城至从化高速公路增江大桥位于增城市正果镇及小楼镇，横跨增江，大桥全长799.29m，其中主桥跨径组合为68+2x110+75+55，五跨共418m，桥面横坡单向3.0%，位于R=1500m圆曲线上（桥跨布置图见图1所示）。主桥的预应力混凝土连续箱梁采用挂篮悬臂浇筑法施工。箱梁梁高和底板厚度均按1.8次抛物线设计，采用单箱单室预应力混凝土，110m跨梁高从跨中3.0m变化至根部的6.5m，箱梁两侧悬臂为2×3.625m，悬臂板根部厚度为80cm，底板宽9.0m，顶板宽16.25m；110m跨箱梁底板厚度从28cm变化至根部90cm。1#、2#、3#墩悬臂两端对称各14个节段，4#墩悬臂增城方向4个节段，从化方向5个节段，1#、2#、3#、4#墩的0～1#块均采用支架现浇，从2#块开始挂篮施工。

2. 挂篮形式的选取
挂篮的设计主要根据施工图纸、施工及变形要求、施工荷载、施工条件及安装位置等进行综合考虑。增江大桥在比较了无弦无平衡重挂篮、菱形挂篮、弓弦式挂篮、斜拉式挂篮等结构形式后,选取了三角挂篮形式。该挂篮主要有以下优点:篮重心位置低,挂篮走行时的稳定性较好；重量较轻，易于搬运和拆装；结构简单、杆系少、受力明确；利用主桁架的前后支座，使挂篮在预制好的梁上行走，无需平衡重，操作方便，移动灵活、平稳；外模、底模随挂篮一次移动到位，缩短了挂篮的移动时间。
3. 三角挂篮的构造
增江大桥三角挂篮的主体结构为三角形桁架，每台挂篮有两片主桁架，主桁架除销子为40Cr钢外，其余均由普通型钢及钢板组焊而成。挂篮由三角形桁架系统、提吊系统、模板系统、走行及锚固系统、张拉操作平台等部分组成，除内模为钢木组合结构外，其余均为钢结构（三角挂篮结构如图2所示）。
3.1 三角形桁架
三角形桁架是挂篮的主要承重结构，由两片主桁架、横联、顶横梁组成，桁架的间距和腹板的外侧竖向预应力钢筋位置相对应，各杆件间通过高强螺栓联结。挂篮的前吊点（底模架的八个吊杆，外侧模的两个吊杆）均设置在顶横梁上，吊杆全部采用Φ32mm的精轧螺纹钢。
3.2 提吊系统
前吊杆的作用是将底模架、梁体混凝土、施工荷载的重量传至主桁架上，每组吊杆采用2个千斤顶通过放置在顶横梁上的扁担梁调节底模标高。后吊杆的作用是将底模架荷载的一部分传至己成型的箱梁底板上，底板上端放置2个千斤顶通过扁担梁调整底模标高。
3.3 模板系统
模板由底模、外侧模、内模、外端模等几部分组成，侧模板采用5㎜厚的钢板，底模采用6㎜厚的钢板，内模由内模架及吊架组成，外端模采用木板做面板，背面用型钢做肋加强。浇注混凝土时，模板由内外吊梁支撑，而内外吊梁的锚固，则通过吊带一端锚固于混凝土箱梁的顶板，一端锚固于挂篮前顶横梁。内外模板侧模间由对拉螺杆承受浇注混凝土时的侧向压力。挂篮移动时，外模由外模吊梁支托,随同挂篮前移,内模及吊梁同时被拉出。
3.4 走行及锚固系统
挂篮纵梁下面的桥面用砂浆找平，使两道纵梁处于同一水平面。将备用支座安放到距已浇筑节段前端30cm处并锚固，在支座底面垫适合的钢板，使四个支座处于同一水平面。挂篮行走时，在后锚点上，用特制小轮反挂于行走轨道的上翼缘板，用液压千斤顶驱动挂篮前移。行走轨道的固定,是通过箱梁竖向预应力筋(或预埋精轧螺纹钢)安装反压梁进行固定。挂篮行走到位后，将后支座钢板抽出，支座移作备用。
3.5 张拉操作平台
挂篮的最前端悬吊的张拉操作平台，采用型钢及钢筋焊接拼装而成。用4个倒链悬吊在主桁架上，通过倒链的升降，以适应梁段高度变化及张拉需要。
4. 挂篮加工和制作
挂篮主要单元部件由工厂加工运送到现场，部分特殊构件由现场制作，所有构件运送到现场后开始安装，在0#、1#段施工完成后，主墩上一组2个挂篮一起拼装。由于挂篮大部分构件是组拼焊接而成，在构造设计上和焊接工艺上应采取适当的措施，超过要求的变形采用机械、人工或结合火焰局部加热进行校正。焊接完成后需对焊缝进行探伤检测，合格后方可使用。由于混凝土面较为粗糙且有3%的横坡，应用砂浆对各轨道处进行找平处理。滑轨采用[28a型钢，型钢表面焊有3mm不锈钢板。每副挂篮用4根2[28a滑轨，并用箱梁段竖向精轧螺纹钢锚固。
挂篮拼装程序：轨道处混凝土桥面砂浆抹平®铺设锚定滑轨及锚轨®安放滑动横梁及支座®主桁架®上平风构®中横梁®后横梁®后锚系®前上横梁®前吊杆®前下横梁®后锚杆®后下横梁®底模系®侧模。
5. 挂篮设计验算
5.1 荷载参数及组合
荷载组合时需考虑混凝土浇筑时胀模等系数的超载系数，动力系数，挂篮空载行走时的冲击系数。荷载有三种组合情况，组合:混凝土重量+超载+动力附加荷载+挂篮自重+人群和机具荷载；荷载组合:混凝土重量+超载+挂篮自重+人群和机具荷载；荷载组合:挂篮自重+冲击附加荷载。荷载组合用于主桁架承重系统强度和稳定性计算,荷载用于刚度计算(稳定变形)计算,荷载组合用于挂篮系统行走计算。通过对挂篮各节段进行计算及分析比较，确定5＃梁段（梁重175.8吨，梁段长3.6m）工况荷载作为挂篮设计荷载。
5.2 挂篮检算
检算内容包括：挂篮与梁段混凝土重量比，浇筑混凝土时最大变形，锚固安全系数，行走时的抗倾覆安全系数，三角桁架梁，底模前后横梁、底纵梁、吊梁、滑道、后锚，各连接螺栓、连接板、焊缝等的强度、刚度及稳定性检算。
挂篮自重（包括桁架、挂篮模板、锚固设备等）为460KN，挂篮自重与最大梁段重量1757.6KN之比为0.262。比值越低，说明承受节段单位重量所用挂篮材料越省，整个挂篮系统设计越合理。规范规定挂篮与梁段混凝土重量的比值宜0.3～0.5，0.262略低于0.3，但经验算各设计指标及安全性均满足要求。
计算浇筑混凝土时挂篮最大变形时，不考虑荷载不均匀系数，经计算挂篮最大变形量为8mm≤20mm，满足规范最大变形的要求。
每榀三角架后部有四根Φ32mm精轧螺纹钢与桥面锚固，每榀三角架的最大后锚力为N＝48.5t，而每根Φ32mm精轧螺纹钢的许用拉力为60t。则后锚的锚固系统安全系数为4.9≥2，满足规范要求。
当挂篮空载前移到箱梁浇注位置时，处于悬伸空载下的挂篮所受的倾覆力最大。在此工况下可知三角架前端荷载T＝18t，按照1.2的不均匀扩大系数行走后锚负荷F＝10.8t。行走后锚与主桁架以Φ32精轧螺纹钢连接，Φ32精轧螺纹钢许用拉力为60t，则挂篮空载前移时抗倾覆安全系数为5.5≥2，满足规范要求。
经验算挂篮各结构、构件及连接的强度、刚度及稳定性检算均满足要求。
6. 挂篮预压试验
为验证挂篮各构件的受力特性、整体刚度及稳定性，消除挂篮非竖向变形，为施工中的变形及高程控制提供实测参数，确保挂篮施工质量和安全，按照规范要求挂篮拼装完毕后，需对挂篮进行荷载试验。
加载前应对拼装后的挂篮进行全面检查，重点检查挂篮前吊点、后吊点、后锚点的螺母锁紧情况，并对吊杆上端的锚固情况进行检查，使各吊杆受力均匀。在预压前、预压后以及卸载后，对挂篮标高、变形等进行跟踪观测，以掌握挂篮弹性和非弹性变形的具体数据。要合理的布置挂篮竖向变形测观测点，要采用国家二等水准测量或工程测量变形三等水准测量的精度等级要求和观测方法进行施测。
最大浇筑梁段重量为158t，加载时以最大梁段重量的120%进行预压试验。加载方式采用反力架加载方案：在1#块腹板处预埋精轧螺纹钢，待1#块达到强度后设置反力架，用千斤顶加载。试验时采取分级加载及分级卸载。加载过程按0®50%®100%®120%分级进行，卸载时按120%®100%®50%®0分级进行。每级加载后，整个体系基本稳定并且持荷时间不少于2小时，再进行下一级加荷。
7. 篮悬臂施工阶段的质量控制
7.1 挂篮的使用
挂篮施工流程为：挂篮行走就位®外模系统提升、锚固及标高调整®底板、腹板钢筋绑扎、预应力束(筋)及索道管安装®内模前移，调整就位®顶板钢筋及预应力管道安装®浇注®养生及预应力穿束®内模拆除®预应力张拉、压浆及封锚®外模卸载及落篮®下个节段循环施工。
检查：在混凝土浇筑前，应对挂篮进行全面检查，重点是后锚系统及各吊杆。
前移： 挂篮行走是挂篮施工过程中的一个重要环节，也是比较危险的环节，容易造成挂篮的偏位，甚至倾覆。为确保挂篮行走安全，挂篮行走时要注意：(1)在张拉压浆后6～8小时，终凝后方可移动挂篮。(2)在已浇梁段上滑轨处的桥面用水泥砂找平，待砂浆凝固后，用四只千斤顶将挂篮前支点顶高，然后将滑动纵梁纵向拖拽到位，再将锚轨纵移到位，利用箱梁腹板处的竖向精轧螺纹钢将锚轨和滑轨锚定。由于挂篮倾覆力矩主要靠后锚点来抵抗，挂篮行走前，必须对轨道的锚固情况进行重点检查。(3)挂篮行走时，两侧挂篮要同步对称前移，同时严格控制各千斤顶的行程，及时检查各构件的位移量，发现偏差及时调整。(4)挂篮预留孔位置要准确，保证底模位置的准确，使各吊杆不受弯不受剪。
拆卸挂篮：箱梁最后一节段混凝土浇筑并张拉压浆后，便可拆卸挂篮。挂篮拆卸应注意每个悬臂两端对称进行，避免产生较大的不平衡力矩。
7.2 混凝土施工的质量控制
安装模板：由于箱梁的各节段尺寸较大，所有模板在挂篮前移安装就位时，应防止模板的位移和凸出，要求所有对拉螺杆水平与竖向均按80×60cm布置。模板就位后，应对其平面位置、标高、节点联系及稳定性进行检查，全部合格后，方可进行下一步工作。在浇筑混凝土时，安排专人进行模板检查，发现问题及时纠正。
混凝土浇筑：在初凝前连续的浇筑完成整个节段。混凝土浇筑应遵循“先前端，后后端”的施工顺序，使挂篮的较大变形及早发生，避免箱梁交接面新老混凝土处出现裂纹。浇注顺序为：底板®横隔墙及腹板®斜腹板®顶板。浇筑应保持悬臂两端挂篮荷载相对于墩顶的相对平衡，混凝土由墩顶位置对称向两端挂篮均衡泵送，同时横向要沿桥轴线平衡浇筑，防止箱梁发生扭曲变形。
振捣：为确保斜腹板混凝土密实，安装内模时在斜腹板中部留一排模板暂不安装，待下半部混凝土振捣密实后再安装封闭，同时在斜腹板外模安装3台附着式平板震动器辅助振捣。
其它注意问题：严格控制梁段的混凝土浇筑方量，以减少实际值与计算采用值之间的误差。应在当日22：00～次日凌晨日出前完成立模，以避免不均匀温度的影响。当预留孔位置偏差较大时，易使挂篮到不能调整至中线位置，为防止混凝土振捣时预留孔跑位，预留孔要用钢筋固定牢固。
7.3 挂篮施工监控
大跨度连续梁桥施工时，挂篮变形、箱梁自重、温度等对结构内力和变形存在影响，导致结构的理论设计值与实际测量值存在偏差。需建立合理的计算模型，根据实际施工工序、荷载参数等进行施工监控计算，得出施工控制的目标值，为下一节段的立模标高和线形调整提供依据，确保成桥后的结构内力和线形符合设计要求。
实时监测主要有：物理测量（时间、温度等），力学监测（主梁及桥墩混凝土应力应变），线形监测（主梁线形、轴线偏位等）。温度采用热电偶测温法进行监测，包括表面温度和体内温度测量。在混凝土内埋设钢弦应变计，用钢弦应变读数仪采集应变数据，与主梁线形同步测量。线形监测包含主梁高程和轴线偏位测量，采用精密水准仪、全站仪分别对控制点的标高、主梁轴线进行测量。应变及线形测量均应选在凌晨温度稳定、无风状态下。主梁每一节段施工的应力测试和线形监测一致，均有五个工况：挂篮前移定位后，节段混凝土浇筑前，节段混凝土浇筑后，预应力张拉前，预应力张拉后。
8. 结语
挂篮已向轻型且重载方向发展，三角挂篮施工方便、经济且安全性较高。设计时需充分认识挂篮在施工过程和走行过程中各构件的传力机理，建立挂篮在各种工况下的计算模型，完整地分析各杆件的受力和变形情况及挂篮的整体工作情况，计算表明增江大桥三角挂篮满足施工过程中受力和变形的要求。挂篮施工还需注意施工过程中质量的控制，加强挂篮施工监控，确保结构内力和线形符合设计要求。
参考文献
[1]小沃尔特·波多尔尼(美),J·M·米勒尔(法).预应力混凝土桥梁分段施工和设计[M ].万国朝,黄邦本译.北京:人民交通出版社,1986.
[2]王武勤.PC桥梁悬臂灌注施工挂篮的发展[J].桥梁建设,1997,(4):55257.
[3]周永兴,何北益,邹毅松等.路桥施工计算手册[M].北京:人民交通出版社,2001．
[4]何沁,黎训国.大跨度连续刚构轻型三角形挂篮的设计.华中科技大学学报(城市科学版)第21卷第4期.2004年12月.
[5]孟钢,叶建良,徐国亮.南通市城闸大桥主梁挂篮悬臂施工质量控制要点.公路,2009年3月.