桥梁工程中挂篮整体结构设计分析

张良

（吉安市公路勘察设计院，江西吉安 343000）

0 引言

在桥梁工程的建设中，挂篮施工是主要的施工方式，其主要的作用是确保在整个桥梁的建设中提升混凝土浇筑施工质量。桥梁工程建设开始前，应从设计出发总结出挂篮施工的细节和要求，并做好现场施工稳定性与强度控制，设计人员详细计算与分析各项参数，保证符合要求，从而提高桥梁施工效果，提升桥梁工程建设水平。

1 桥梁挂篮设计原则

悬臂浇筑法在桥梁施工中有着极为重要的优势，而该方法的应用涉及挂篮施工方式。挂篮现场作业的优势就是不再应用大型吊装设备，且不需要布置支架，与其他方式对比来说，结构更轻、自重更小、制作更方便，所以现场施工更加灵活。在桥梁现场作业中挂篮设计原则如下。

1.1 尽可能减小挂篮自重

挂篮自重是方案设计人员必须考虑的因素，不仅要满足现场施工的要求，还要尽量减轻自重，保证现场安全性，施工操作也会更加方便。同时，在设计环节，还可以采用新型自锚平衡式挂篮结构，使倾覆力得到均衡。此外，设计环节也可以采用梁端全断面的施工方式，如此可以有效缩短项目工期，提高资源利用率，为企业带来更高的经济效益[1]。

1.2 改善施工环境

在挂篮设计环节，需要对挂篮的施工环境进行考虑。由于挂篮场地大小关系到工况效率与施工安全，通过合理设计能够确保现场空间更加充裕，满足现场作业要求，从而使现场施工顺利进行，工程安全性也能得到保证。同时，还要尽量改善现场的施工作业环境，给人们提供施工便利条件，也能防止破坏环境。

2 工程概况

某桥梁项目设计为连续箱梁，该结构顶部宽度为12m，其中中跨的梁高为2.2m,支点两边的高度为4.2m，翼缘板长3.45m，梁高与底板厚度采用二次抛物线变化形式。根据设计方案的要求，箱梁采用C35混凝土制作，根据配合比要求制作，浇筑形成整体结构。箱梁采取分段作业的方式，不同节段的重量有差异，其中1 号最重，为132t。

3 挂篮结构设计

挂篮结构的质量和性能对于悬臂浇筑施工效果存在着直接的影响，所以要达到稳定、受力性能好、安装与拆卸方便等要求，以满足现场施工的标准。因此，应结合现场施工的具体要求，确定合适的设计方案，各个挂篮结构都符合运行标准。

3.1 主桁架设计

在设计环节，对于主桁架的设计，主要是选择菱形桁片作为设计基础，使其能够形成有效空间。竖弦杆中间设置桁架，该构件的作用是促进主桁架结构运行条件的提升，确保结构刚度与稳定性合格。主桁架结构应用双槽钢[32b 两侧焊接钢板制作，应用钢销连接。

3.2 承载平台设计

在该环节设计中，主要从横向桥梁向着边主梁的位置设计，其中需要对分配梁结构的尺寸进行优化，以方便承载平台的强度，为后续混凝土浇筑提供方便。沿着主梁长度方向上顺序设置横梁，总计分为3组结构，相邻结构之间布置剪刀撑，以确保抗扭刚度符合工程要求。承载平台在施工中稳定性需要达到要求，为了达到这一标准，选择使用型钢组焊方法。在设计环节需要在结构中间安装架挂腿，目的是在挂篮行走时有较高的配重，从而预防发生挂篮失稳、异常等问题，提高现场施工的安全性，预防发生安全事故[2]。

3.3 行走系统的设计

单节箱梁施工后，在强度达到50MPa 后，按照工艺方案的要求开展预应力张拉作业，张拉作业符合工程的要求后，通过倒链拖行连接，达到均匀、慢速作业的要求，按照工艺操作的要求牵引主桁架移动，以达到施工效果，进而使两者同时前移到规定部位上。在该操作中底平台、内外模沿着滑梁向前移动。每个部位的移动都必须达到通畅性标准，将摩阻力控制在合理的范围内，所以滑移支座与轨道之间设置不锈钢板，从而降低摩阻力，达到滑行通畅性要求。桥梁如果结构布置在曲线的部位上，对结构的变化桥梁进行分析，而后结合桥梁结构的需求进行焊接处理。在设计中需要考虑到横向预应力筋的搭配方式，使其能够有效对应，这样在行走系统应用时更加的灵活方便。

3.4 锚固系统的设计

在设计阶段，需要对锚固系统的结构进行分析，在设计时要严格按照以下的要求设计：第一，前锚杆组的施工作业材料选择为PSB830φ32mm 精轧螺纹钢筋制作，总计为2 组，每组4 根，将其布置到纵梁中间位置。该结构具备较高的承载性能，能够将荷载传递到地层。第二，针对后锚杆的制作，材料选择精轧钢筋进行制作，总计为2 组，每组4 根。通过该结构的设置，可以使结构张拉环节具备较高的抗倾覆力，防止其他作用力的影响。此外，锚杆组还能达到安全锚固的效果，确保现场作业安全性合格。

3.5 吊挂系统的设计

根据设计要求，吊挂系统设计应用φ32mm 精轧螺纹钢筋制作，吊带选用钢板制作，材质为Q345B，组合形成整体系统，而后将其与主系统连接。

3.6 底托系统的设计

在该设计阶段，需要考虑护栏、纵梁以及托梁的设计形式，保证各方面结构均能兼容，提高系统的运行效果和质量。经过螺栓安装工作之后，使各个部位连接更加稳固、安全。根据需要布置吊杆结构，将托梁安装到底梁结构上；安装吊带结构后，托梁与横梁连接稳固，结构性能合格[3]。

3.7 模板系统的设计

在模板结构中主要包含内外模两个部分。内模应用厚度18mm 的竹胶板，外模应用厚度为16mm 的钢板，同时按照设计方案的要求进行型钢带、侧模桁架安装作业，确保外模结构安装精度达标，应用螺栓完成连接固定，模板安装效果符合要求，将其布置到整个区域内的内模下角钢带拆掉，通过设置脚手架部位完成结构控制，确保安全性合格的条件下浇筑施工。外侧模提吊梁、内滑梁的前部要达到稳定性标准，并利用锚固作业的方式，使梁体结构的后部悬吊在箱梁表面。

4 有限元建模分析

4.1 工况的选择

对桥梁结构的尺寸、重量等展开分析，了解环境因素干扰，总结出如下两个方面的工况，并分别分析研究：一方面，1 号梁灌注作业施工，该环节的施工特性是梁段的自重以及高度达到最大；另一方面，6 号梁段挂篮行走，该环节的施工特性是走形距离大，且结构长度长。

4.2 选择荷载值

在该方面的设计中要分析下述因素：钢筋混凝土容重26kN/m3；振捣荷载4.0kN/m2；现场人员设备总荷载为2.5kN/m2。

4.3 计算模型及结果分析

4.3.1 第一种工况分析

（1）选用MIDAS2010 软件分析，将现场获取的各项信息输入软件内，经过系统分析确定设计方案，构建符合现场需要的挂篮受力模型，见图1。挂篮结构运行中受力传输如下：翼缘板混凝土与侧板重量，该环节的传力载体为外滑梁，通过传力作用后，使箱梁翼板与前上横梁同时承载受力；箱梁底板、腹板混凝土与底篮平台重量，利用箱体与前上横梁结构重量分析；箱梁顶板混凝土、内模与配套支架重量，主要是通过箱梁顶板与前上横梁承载结构重量。

图1 工况1 计算模型示意图

（2）从应力、变形方面展开分析，重点分析各个结构以及细分部件的运行条件，建模见图2、图3。

图2 梁单元正应力示意图

图3 竖向位移示意图

混凝土浇筑施工作业现场，各个梁体单元的受力条件是不同的，由于挂篮结构中底篮纵跨的受力较大，故而在设计阶段，需要对横梁的连接强度进行计算。在该工程中，其参数取值为43.6MPa。除了上述的受力结构外，其他的各个杆件都是受压作用，拉应力最大为188.8MPa、压应力最大为170.6MPa。经过以上各项参数的分析，与设计方案的要求对比，没有任何异常变化的情况，符合设计标准要求。由于荷载具备持续的效果，故而结构的变化也会受到影响，因此在前移设计时需要明确移动点与移动距离。

4.3.2 第二种工况分析

由于内滑梁结构的尺寸比较大，同时在滑动系统中其起到的作用是不同的，一般来说，它的大位置上跨径尺寸9.9m。故而，通过计算机软件建模分析，挂篮行走后，混凝土浇筑阶段内部应力影响较大，但是该项目在施工中各个部位的应力相对较小，并且影响不严重，所以并不需要重复性验算这些参数。但是需要重点考虑大滑梁与后托梁的跨度参数，详细计算该参数，较之浇筑环节的跨度会有所增大，应力以及竖向位移都会发生变化。系统行走的时候，会出现荷载持续的情况，相关的系统没有出现其他异常情况，这主要是应力与变形参数不受到系统行走影响。故而，在设计的环节，需要考虑后梁中间的位移量，因此需要选择控制参数，从而符合工程现场建设标准[4]。

4.3.3 抗倾覆验算

抗倾覆验算也是重要参数，在设计时应重点计算该参数，主要分析如下：对于第一种工况，其后支点的反应力需要设计为687.6kN，布置有9 根精轧螺纹钢，包含两种组成结构，其中将3 根拉应力为155.7MPa 以及6 根强度一样的钢筋布设到系统当中。第二种工况，后支点反力是178.1kN，配套应用的反扣轮结构，其承载性能为90.8kN；对于设计数量来说，根据每一片桁架为2 对设置，每个轮受到的压力是44.5kN，符合设计标准要求。经过上述分析，得出如下结论：

第一，上述两种工况有明显差异，分析荷载参数可以得出，第二种工况的荷载要比第一种工况小。

第二，分析最大位移参数，可以明确第一种工况的位移变化情况主要是在横梁外侧；而相较于第一种工况，第二种工况出现则是在中间的位置；经过分析竖向位移量，第二种工况较大，分析形成原因和后托梁的跨度升高存在关系，这样会出现竖向位移增加的情况。

第三，混凝土浇筑环节，桁架前端、底篮前端等多个部位存在变形较大的情况，为了使工程质量合格，要做好现场监控管理工作，根据现场情况采取合理有效的措施。同时，现场施工人员组织开展预压作业，确定相应的立模标高参数，为施工顺利开展提供基础[5]。

5 结语

综上所述，桥梁工程建设中的挂篮施工技术使悬臂浇筑顺利进行，而挂篮质量关系到施工质量和效率，所以要加强挂篮结构的设计，提高设计水平，各项参数都符合要求，才能提高挂篮结构的水平，达到科学、合理性要求，满足现场桥梁施工的标准与要求。