菱形挂篮设计与计算

1、菱形挂篮设计与计算摘要：当前国内外的挂篮正向轻型化发展，菱形挂篮由于其主要受力构件均为 二力杆，能够充分地利用材料的特性，具有结构轻巧，受力明确的特点，已广 泛应用于中等跨径的悬浇施工。本文对应用于某桥的菱形挂篮的优化设计和计 算作了介绍。关键词：菱形挂篮 设计 计算1引言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）、型钢及混合式四种。当前国内外的 挂篮正向轻型化发展，挂篮的轻型化有助于节约钢材、便于运输和施工、同时 挂篮的轻型化也有利于优化设计，减小跟部弯矩，进而节约纵向预应力的配束。 挂篮设计的主要控制指标为：挂篮的总用钢量与最

2、大块件重量之比值，主桁与比K/ K1氐，1111口31，吗值愈低，表示挂篮承重构件的受力愈合理，使用材料愈节省。减轻挂篮自重所 采用的手段有：优化结构形式、不设平衡重并改善滑移系统、改进力的传递系 统。下面就结合某桥的实际情况，介绍选用的菱形主桁、滑移行走机构、整体 模板、标高调整系统的挂篮设计实例。2.设计概况及总体构思2.1箱梁结构物参数（1）悬臂浇筑砼箱梁分段长度为4.0m，悬臂浇筑砼结构最大重量1540 KN（2）箱梁底板宽8m，顶板宽1625m。（3）箱梁高度变化范围：左幅4.8m2.4m，中间按 半立方抛物线变化。（4）挂篮的最大承载力不小于1850 KN,挂篮自重及全部的施工荷载

3、不大于600 KN2.2挂篮的轻型化优化设计总体构思（1）选用一种受力合理、安全可靠的轻型结构（菱形）作为挂篮 承重主桁；（2）挂篮用材利用国内普通的16Mn和A3钢.（3）挂篮前移时尾部利用箱梁竖向预应力平衡倾 覆力矩以取消平衡重，使用反扣式走行小车。（4）吊升系统采用精轧螺纹粗钢筋，粗钢筋现场取材方便，可利 用现场的竖向预应力筋。同时这种精轧螺纹钢可以通过大螺母进行精确的调整。 使得锚固、装拆方便、调整简单。（5）模板采用整体大模板，通过内外纵梁与挂篮主桁同时移动就 位。（6）采用桁架式横向连接。（7）主桁采用销接的方式，以利于拆装。2.3挂篮的结构形式挂篮的结构形式如图1、图2所示：2.

4、4菱形挂篮的组成 挂篮主要由三个系统组成：主桁承重系统、底篮和模板系统、走行系统。（1）主桁承重系统：主桁与前后横梁、行走装置、锚固装置、悬吊分配梁等。（2）底篮和模板系统：底篮、外模、内模、端模和工作平台等。（3）走行系统：行走滑轨、 3.（3）走行系统：行走滑轨、 3.施工荷载分析：3.1荷载传递路径：内滑梁内外纵梁加强型纵梁普通纵梁滑梁小车、后锚。内顶板荷载翼板荷载腹板荷载底板荷载前横梁后横梁 主桁架前托梁后托梁底篮后锚挂篮的设计顺序也是根据荷载的传递路径，一级一级的确定各级结构。先根据 各自的荷载情况对内滑梁、纵梁、前、后托梁、前横梁等杆件进行设计，再设 计主桁架并校核其刚度、前端的下

5、挠度和销接的强度。随后再对锚固系统和走 行系统进行设计。3.2挂篮结构材料挂篮主桁架和前后横梁采用16Mn钢，销子采用45号钢，纵梁、托梁、分配梁 等采用组合型钢（A3）。3.3各类荷载及参数的选定（1）悬臂浇筑砼结构最大重量1540 Kn（2）人群及机具荷载取2.5 KPa。（3）风荷载取800 Pa。（4）钢筋砼比重取值为26KN/m3；（5）超载系数取1.05；（6）新浇砼动力系数取1.2；（7）挂篮行走时的冲击系数取1.1；（8）钢材的应力：16Mn钢容许轴向应力取240MPa。A3钢容许弯曲应力取1885MPa。（9）计算复核的荷载组合：砼重+挂篮自重+人群机具+动力附加系数（强度、

6、刚度）挂篮自重+冲击附加系数+风荷载（行走稳定）3 承重结构设计和计算承重结构设计内容有：内滑梁、底板纵梁和前、后托梁、顶板及翼板纵梁、滑 梁、分配梁及吊带、后托梁锚杆与锚梁、主桁架横梁、主桁架。现举例说明底 板纵梁的设计计算以及主桁横梁及主桁的计算，其他的结构类似的计算方法也 相同。3.1底板纵梁计算底板纵梁位于腹板和底板下主要承受底板和腹板的重量,纵梁根据它承受荷载 的种类可分为普通型和加强型。普通型位于箱梁两腹板中间段，承受底板的荷 载；加强型纵梁位于箱梁腹板下方除承受底板的荷载外，还承受腹板的荷载。3.1.1普通纵梁设计和计算3.1.1.1普通纵梁（箱梁两腹板中间段）受力分析表1普通纵

7、梁荷载分析表项目何载分布情况Kg/皿1底模血板自重78.52纵梁自重43.43底板砼理论重量0.530X2600=13784底板荷载总值1378X 1.2X 1.5=17365施工荷载2506荷载取值q(78.5+1736+250)X0.645+43.4=13753.1.1.2普通纵梁（箱梁两腹板中间段）强度计算普通纵梁主要承受底板的重量并传递与前后托梁（图3示）R =qcb/LR =qca/LMA =qcbd+cb/（2L）/L=4.84 X IO7N.AA普通纵梁选用I工字钢，其截面特性为：28aW =5.08 XIO5AA3XI =7.114X IO7AA4a = M / W= 95.3

8、MPa188.5MPa3.1.173普通纵梁刚度计算当x=d+cb / L=2798.8时（弯矩最大处），挠度最大。f =qcb（4L-4b2/L-c2/L）x-4x3/L+（x-d） 4/（bc）/（24EI） =10.3aa VL /400=13.75aa刚度满足要求。3.2主桁架横梁计算3.2.1前横梁前横梁承受由钢吊带传来的荷载，前横梁受力示意图如图4所示F =33939N （分配梁2通过钢吊带I传来的力）F1=75977N （分配梁2通过吊带I传与前横梁）2F=264721N （直接传与主桁架，可不考虑其作用于前横梁）3F =223835N （分配梁1通过吊带II传与前横梁）4下面分

9、别对各杆件的轴力进行计算：由上面分析可列出前横梁各杆件的轴力如图5所示：前横梁材料采用16Mn钢，容许轴向应力240MPa由图15可得杆件最大轴力为N =339.6kN前横梁杆件有两种断面：口 120X120X8aa口 120X120X6aa取最不利情况来验算（杆件断面形状为口 120 X120 X6aa时）：a =N / A=3.396 X105 / 2736=124MPa240MPa满足婆求。3.2.2后横梁后横梁在砼浇筑时，承载极小。在挂篮前移时，其承受部分底模重与部分侧模 重，所受的荷载也较小，所以后横梁杆件均选用口 120X120X6aa截面，后横 梁强度已足够满足要求，无需再对其进

10、行校核。3.3 主桁架计算3.3.1荷载分析单棉主桁架承受由前横梁传来的荷载(参见图4)F=F+F+F+F =33.939+75.977+264.721+223.8351234=598Kn 主桁架受力示意图如图6所示： F=FX5500/5000=658 =598Kn 主桁架受力示意图如图6所示： F=FX5500/5000=658 Kn FA=FX 10500 / 5000=125.6 Kn 通过计算分别得到各杆件的轴力 N =1147Kn N =-940Kn (B=FFGJ=10.80KN( N =-1012Kn 3.3.2主桁架强度BD 杆件最大轴力N=1147 Kn 选择各杆件的断面为

11、口 220 X 220 X 16mm。贝U 截面积:A=220 X 220-188 X 188=13056mm2 惯性矩 I=(2204-1884)/12=9.11X107mm4 惯性半径：i=(I / A) 1/2=83mm 长细比：入=口 L / i=1X5263 / 83=63.4 查表知稳定系数：W =0.752 a =N/ 何 A)=114.7X104 / (0.752 X13056) =176.3MPa V240MPa(16Mn 钢) 强度满足要求 3.3.3主桁架挠度 计算主桁架挠度以计算D点的竖向位移为准。 由上面计算可知,CD杆、BD杆、AC杆、AB杆所受的轴力为： 当荷髯为

12、单位荷载时M杆、BD kA4杆1 AB杆的轴力为1 NCD1=1.615Nbd1=-1.692Nac1=1.918NABj-1.572NBc=-880KnNCD=966KnNbc=-880 KnNBC1=-1.472度:LCD=5.652mLBD=5.924mLAC=6.013mLAB=5.0mLBC=3.5mA =N N L /(EA)+N N L /(EA)+N N L /(EA)+ N N L /(EA) +N N L /(EA)D CD1 CD CDBD1 BD BDAC1 AC ACAB1 AB ABBC1 BC BC=16.2mm 3.3.4主桁架销子、销孔尺寸校核销子材料采用45

13、号钢，销子两面受剪。销子应对其最大剪应力、挤压应力、销 子抗弯进行计算对销孔净载面积及销孔边至杆端的截面积进行复核计算必须符 合钢结构设计规范(GBJ17-88 )第1.3.22条规定。3.3.5主桁架后锚据上面对主桁架的分析可知F=658t，每根桁架采用4个锚点，、架杆件与结点LBD/(EA)+NAC1NACLAC/(EA)+NAB1NABLAB/(EA)t 则单个锚点所受的荷载F=16.45 Kn后锚梁II受力示意图如图7所示。F=F/ 2=82.25 Kn 1Q =F =82.25 KnM：=F：L=82.25 X104 X 155=1.27 X 108N.mm 后锚梁I所受的荷载与后锚

14、梁II相同，后锚梁仅受剪力作用,采用两条槽钢10 可满足要求。4.模板系统底模为5 =10mm钢板组焊成的整块钢模，支承在16条纵梁上。箱梁外侧模采用钢制大模板，当各节段梁高变化不太大，所以外侧模和翼板底 模设计为一整块大钢模。内模在设计没有顶板齿板的节段采用整块钢模板，内模顶板的宽度变化由横肋 的活动销实现，腹板的高度变化则通过调整模板数来解决，内模顶板底模与腹 板内侧模通过销子联结，腹板内侧模可以转动一定的角度来适应腹板厚度变化。 内模在设计有顶板齿板的节段采用木模。模板的设计计算与一般的模板设计类似，不再赘叙。5走行系统挂篮走行系统分为桁架走行系统、底模、外模及内模走行系统。桁架走行系统

15、布置为：在两片桁架下的箱梁顶面铺设两条用钢板组焊的“工” 字形轨道，轨道分节以便向前倒用，轨道通过短梁与竖向预应力筋锚固。主桁 架前支点处设滑船，滑船与桁架节点销接，后锚点处设行走小车，以反扣轮的 形式（如图8）沿轨道顶板下缘滚动，不需加设平衡重。走行时用2个5T手动 葫芦纵向牵引即可。底模、外模及内模与主桁同步行走，具体步骤为：下调所有吊杆，使所有模板 脱离砼面510cm，解除所有锚在已浇箱梁的吊杆，底模完全由外吊杆悬吊在前 后横梁上，内外模落在内外滑梁上。内外滑梁前端通过吊杆（带）悬吊在前横 梁上，后端通过吊杆悬吊在已浇好的箱梁顶板预留孔上，吊杆与内外滑梁间设 有吊架，其上装有滚动轴承，这

16、样所有模板无需另设手拉葫芦就会随主桁架同 步前移。5.1挂篮抗倾覆计算5.1.1荷载挂篮空载前移时，作用于主桁架前端的荷载：鸟=前横梁自重=16.62KnF =0.5 X底篮自重=11.210 / 2=56.05Kn2，一一 一 一 一 .一、F3=0.5X（纵梁自重+滑梁自重）=44.88/2=22.44 KnF=0.5X （侧模板 + 内模）=7500 / 2=37.50Kn- 一.F =钢吊带与分配梁及吊杆=15.00Kn一一-风荷载取800Pa，作用面积取4.8X4.113X1.1=21.7m2竖向风荷载:F =800 X 21.7 X0.4=6944N作用于单棉主希架前端的荷载（冲击

17、系数取1.1）:P=0.5X（F+F2+F3+F4+F5） X 1.1+0.69=88.1KnF=PX 5.5/6=81 Kn5.1.2行走小车钢吊带强度行走小车钢吊带采用2条10槽钢：a =N/A=81 X 103/25.48 X10-4=31.8MPa V1.3a =182MPa5.1.3行走小车车轴强度行走小车车轴采用45#钢,直径 45mm。剪应力：T =Q/A=81 X 103/0.25 X3.14X 452=51.0MPa Vt =125MPa安全系数n=T /T =2.56.结束语本次设计的挂篮的总重共345KN, K为0.22, K为0.058,在同类挂篮中以上两 项数据是比较理想的，但在挂篮设许中不要一味的追求轻型化，还需要考虑挂 篮的安全型、易操作性、可重复利用性，综合考虑提高挂篮的刚度。挂篮在现 场拼装以后通过荷载试验后测得弹性变形为18.4 mm,与设计值基本吻合。根据 实际测量的弹性和非弹性变形绘制曲线用于箱梁施工中设置挂篮预拱度时参 考。该挂篮在实际应用中具有