某斜拉大桥牵索式挂篮结构

大桥牵索式挂篮结构分析摘要介绍**大桥牵索式挂篮构造，在此基础上，按主梁施工的要求，选取多种工况进行结构分析，根据计算结果，对挂篮受力不利的工况提出预警，并给施工监控单位拉索索力调整提供了重要参考。关键词砼斜拉桥牵索式挂篮结构分析１．工程概况**大桥是一座独塔双索面漂浮体系斜拉桥，大桥全长965ｍ，其中主跨252ｍ，边跨175ｍ。斜拉桥结构为双索面、密索、扇型索面，塔墩固结，主梁漂浮的体系。斜拉索为平面钢绞线斜拉索，江、岸侧各有40对索（不含0号索）。梁上标准索距6ｍ，标准节段长6ｍ，重约310吨，其对应梁段号为A1～A16、J1～J39，采用牵索式挂篮悬臂浇注施工；边跨密索区索距3ｍ，节段长3ｍ，于每个主肋内侧设单箱单（双）室，箱内填数量不等的片石（卵石）砼压重，同时于边跨尾部设置配重横梁，边跨密索区采用搭架现浇施工。大桥主梁采用分离式双主肋截面，并于两主肋之间设置两道小纵梁，其间通过桥面板与横隔梁相互连为整体形成正交异性板。斜拉索锚于主肋上，拉索处主肋高2.5ｍ，宽1.7ｍ，索塔根部部分主肋加宽至2.2ｍ，小纵梁0.9ｍ，宽0.5ｍ。行车道部分设1.5%的双向横坡，人行道部分设1%横坡，全宽30ｍ，顶板厚0.25ｍ，每一节段设一道横隔梁。按设计要求，本桥合龙顺序为先边跨，后中跨。按施工设计要求,主塔两侧标准梁段的悬臂浇筑需采用牵索式挂篮。２．结构分析设计时，按施工荷载对挂篮主要构件进行局部计算，设计完成后用通用有限元程序对挂篮结构进行校核。分析依据：省交通厅公路规划勘察设计研究院——《**大桥两阶段施工图设计》、四川路桥集团**大桥项目经理部——《**大桥牵索式挂篮设计图》以及**大桥监控单位意见。挂篮包括以下几部分：2.1承重系统主要包括两根钢箱主纵梁及前、中、后横梁和加劲桁片组成。主纵梁采用Q345B和Q235B钢板工厂组焊而成，断面为1700x1800mm，顶板为24mm，侧板和加劲板为16mm，底板为20mm。主纵梁前端为弧形首。中横梁为工字形钢梁，高1700mm，宽30mm；后横梁由φ152x5mm钢管与L75X75X8型钢焊成加劲桁架，中后横梁仅起增加挂篮整体刚度作用，受力较小，长2X3m，高度为1.653m，前横梁因兼作横隔梁浇注支架，故采用箱梁形式，断面为600x1200mm，顶板为16mm，侧板和加劲板为12mm，底板为16mm。前横梁前端设型钢桁架作为操作脚手架平台。计算时用空间梁单元模拟主纵梁、中后横梁与前横梁，前、中后横梁与主纵梁之间以刚臂联系，不考虑型钢桁架脚手架平台对结构的刚度贡献，仅将其重量作为均布荷载添加到前横梁上。2.2提升锚固及止推系统主要包括吊杆（即锚杆）和抗剪块，行走挂钩仅承受挂篮自重，浇注时由吊杆（前后锚杆）与斜拉索共同承受挂篮与节段砼重量。提升千斤顶采用液压驱动螺旋千斤顶，以确保安全和调位方便，提高自动化。吊杆采用直径φ80mm圆钢。剪力键为分离式，设置于主纵梁上尾部，通过预留孔道，用8根精轧螺纹钢将抗剪块与预埋在已浇砼梁主肋上的钢套箱紧密贴合，以抵消斜拉索的水平分力。计算时用空间杆单元模拟吊杆，吊杆与主纵梁之间以刚臂联系，由于施工时预先将前后锚杆锚紧，故在刚臂位置将锚杆约束，实际上吊杆的应力通过约束反力反算获得，吊杆单元仅起施加自重的作用；由于剪力键结构复杂，仅以杆单元模拟剪力键前端部分，根据求得的反力可校核剪力键其余部分强度。图1挂篮结构总体布置图（一）2.3定位调整系统挂篮纵横向定位依靠设于主纵梁尾部的定位轮，每套挂篮设2个定位轮，挂篮平面位置可通过千斤顶调整。计算时用空间梁单元模拟定位轮，定位轮与主纵梁之间以刚臂联系。2.4走行系统挂篮前移采用连续作用液压千斤顶作动力，用于挂篮走行时的承重挂钩通过高强度螺栓与主纵梁侧面连接，走行面设置涂油钢板，在主纵梁尾部设反力轮，以保证挂篮行走水平。计算时用空间梁单元模拟挂钩及反力轮，挂钩、反位轮与主纵梁之间以刚臂联系。2.5模板系统顶板内模采用钢管系杆拱架，主拱管为无缝钢管，为二次抛物线拱，矢跨比1/10。拱架在挂篮前移前下放至横梁底标高以下，挂篮移到位后再将拱架提升至标高位置。主拱管上设钢管立柱，立柱顶面设槽钢分配梁，其上铺以钢板作为底模。主梁、小纵梁及横梁侧模均为大块钢模。小纵梁支架由两块槽钢构成，上铺钢板作为其底模。计算时用空间梁单元模拟拱架主拱管、立柱、平联及分配梁，用空间杆单元模拟拱架系杆，利用转动自由度释放模拟铰结构。未考虑模板面板对结构刚度贡献，仅将其与主梁、小纵梁及横梁侧模当作均布荷载施加至挂篮相应位置。所有的其它设施，如钢丝网平台、提升牛腿及滑道等，均按集中或均布荷载施加至挂篮相应位置。图2挂篮结构总体布置图（二）3．工况分析3.1设计荷载根据施工图设计要求，标准节段采用的牵索式挂篮承载力310t，空挂篮约重150t，设计时考虑冲击系数1.1，施工机具及人群荷载150kg/m2。3.2施工工况主梁悬浇施工工序如下：挂篮安装就位并锚固，完成加载实验。安装斜拉索转换装置，单根钢绞线束挂索、张拉并使其受载均匀，将多根钢绞线束束为一根斜拉索，同时安装内侧模板。绑扎钢筋，安装预应力管道，安装外侧模板。按设计值第一次整体张拉斜拉索到一定值。控制挂篮标高到设计值，此时挂篮尾端因受拉而有离开梁底的趋势，需将后锚点锚紧，防止挂篮脱位。检查斜拉桥拉索锚环是否离开模板上的锚垫板，其间距应大于4cm，如有差异，应通过千斤顶进行调节。检查挂篮连接情况及模板、钢筋安装情况，使其均满足设计要求。悬臂浇筑肋板及横隔梁混凝土，从挂篮前端分层向后浇，并预留下一段挂篮锚固孔，此时挂篮尾端受向上的压力，检查梁底与挂篮间的支垫，以保持挂篮的正确位置。第二次张拉斜拉索，观测挂篮前支点标高，检查是否符合设计要求。浇筑顶板及小纵梁混凝土。混凝土养生，待强度达到设计规定值（85%设计强度）后，拆除外侧模板，施加预应力。将斜拉索锚固端的锚环紧密地锚固在梁体锚垫板上，松开牵索系统的锚固螺栓，千斤顶回油，解除牵索系统与斜拉索的连接，通过锚环将斜拉索由牵索系统转换至梁体结构上，从而实现体系转换。第三次张拉斜拉索至设计值，并进行锚固。解除锚固系统的后锚点及水平反力支座对挂篮的约束；降下中支点千斤顶，使梁体与挂篮脱离，做好挂篮前移准备。铺好行走滑板，将挂钩落在行走滑板上；将1000KN自动连续千斤顶平放在滑板前端的顶座上，并将牵引的精轧螺纹钢一端与千斤顶连接，另一端与挂篮挂钩相连。千斤顶同时反复顶拉，使挂篮前移，反向设倒链以保安全，挂篮尾部通过行走滚轮前进。挂篮前移到位进行下一节段的施工。根据主梁悬浇施工工序，并考虑到第一段悬浇时挂篮未完全安装完成的特殊情况，确定27种荷载工况，为节省篇幅，仅列出几种有代表性的工况：表1工况分析一（针对第一悬浇节段）工况序号工况描述1-2挂篮提升到位。前前后锚杆锚紧紧，拱架系杆杆施加20t预紧力。单单根钢绞线索索张拉完成，张张拉应力水平平控制在0.1σb（55.8T竖向力，12.722t水平力）。1-3挂篮提升到位。前前后锚杆锚紧紧，拱架系杆杆施加20t预紧力。单单根钢绞线索索张拉完成，张张拉应力水平平控制在0.15σb（83.7t竖向力，19.1t水平力）。1-7挂篮悬浇。前后锚锚杆锚紧，剪剪力键与预埋埋钢箱紧密贴贴合，挂钩不不参与结构受受力，拱架系系杆施加20t预紧力。斜斜拉索整体张张拉，张拉应应力水平控制制在0.1σb（55.8t竖向力，12.722t水平力），一一节段砼浇注注完成，考虑虑1.1倍冲击系数数。1-8挂篮悬浇。前后锚锚杆锚紧，剪剪力键与预埋埋钢箱紧密贴贴合，挂钩不不参与结构受受力，拱架系系杆施加20t预紧力。斜斜拉索整体张张拉，张拉应应力水平控制制在0.15σb（83.7t竖向力，19.1t水平力），一一节段砼浇注注完成，考虑虑1.1倍冲击系数数。表2工况分析二（针对第二悬浇节段）工况序号工况描述2-1挂篮在已浇砼梁上上行走。此时时挂钩落在主主梁上，反力力轮顶在主梁梁底部，横向向限位轮与主主梁侧面紧密密贴合。2-2挂篮提升到位。前前后锚杆锚紧紧，拱架系杆杆施加20t预紧力，预预备浇注。2-3挂篮提升到位。前前后锚杆锚紧紧，拱架系杆杆施加20t预紧力。单单根钢绞线索索张拉完成，张张拉应力水平平控制在0.1σb（54.655t竖向力，17.0t水平力）。2-4挂篮提升到位。前前后锚杆锚紧紧，拱架系杆杆施加20t预紧力。单单根钢绞线索索张拉完成，张张拉应力水平平控制在0.15σb（82.0t竖向力，25.5t水平力）。2-5挂篮悬浇。前后锚锚杆锚紧，剪剪力键与预埋埋钢箱紧密贴贴合，挂钩不不参与结构受受力，拱架系系杆施加20t预紧力。斜斜拉索整体张张拉，张拉应应力水平控制制在0.1σb（54.655t竖向力，17.0t水平力），一一节段1/2砼浇注完成成。2-6挂篮悬浇。前后锚锚杆锚紧，剪剪力键与预埋埋钢箱紧密贴贴合，挂钩不不参与结构受受力，拱架系系杆施加20t预紧力。斜斜拉索整体张张拉，张拉应应力水平控制制在0.15σb（82.0t竖向力，25.5t水平力），一一节段1/2砼浇注完成成。2-7挂篮悬浇。前后锚锚杆锚紧，剪剪力键与预埋埋钢箱紧密贴贴合，挂钩不不参与结构受受力，拱架系系杆施加20t预紧力。斜斜拉索整体张张拉，张拉应应力水平控制制在0.2σb（109.33t竖向力，34.0t水平力），一一节段1/2砼浇注完成成。2-8挂篮悬浇。前后锚锚杆锚紧，剪剪力键与预埋埋钢箱紧密贴贴合，挂钩不不参与结构受受力，拱架系系杆施加20t预紧力。斜斜拉索整体张张拉，张拉应应力水平控制制在0.1σb（54.655t竖向力，17.0t水平力），一一节段砼浇注注完成，考虑虑1.1倍冲击系数数。2-9挂篮悬浇。前后锚锚杆锚紧，剪剪力键与预埋埋钢箱紧密贴贴合，挂钩不不参与结构受受力，拱架系系杆施加20t预紧力。斜斜拉索整体张张拉，张拉应应力水平控制制在0.15σb（82.0t竖向力，25.5t水平力），一一节段砼浇注注完成，考虑虑1.1倍冲击系数数。2-10挂篮悬浇。前后锚锚杆锚紧，剪剪力键与预埋埋钢箱紧密贴贴合，挂钩不不参与结构受受力，拱架系系杆施加20t预紧力。斜斜拉索整体张张拉，张拉应应力水平控制制在0.2σb（109.33t竖向力，34.0t水平力），一一节段砼浇注注完成，考虑虑1.1倍冲击系数数。表3工况分析三（考虑第40悬浇节段）工况序号工况描述4-1挂篮悬浇。前后锚锚杆锚紧，剪剪力键与预埋埋钢箱紧密贴贴合，挂钩不不参与结构受受力，拱架系系杆施加20t预紧力。斜斜拉索整体张张拉，张拉应应力水平控制制在0.2σb（123.55t竖向力，258.00t水平力），一一节段砼浇注注完成。图3挂篮结构计算模型4．主要结构受力计算结果经计算，得到挂篮主要构件应力及变形如表4所示。表4主要结构受力计算结果（一）工况号结果工况1-2工况1-3工况1-7工况1-8工况2-2工况2-3工况2-4工况2-5主纵梁最大应力（MPa）-33.3-62.4-99.5-40.641.6-32.2-60.8-34.3安全系数9.55.13.27.87.69.85.29.2主纵梁最前端竖向变位（mm）5.6511.2-10.82-5.3-7.26.813.9-5.0前横梁最大应力（MPa）-27.93-28.1110.4110.2-28.2-28.1-28.167.9前横梁跨中竖向变变位（mm）-6.82-2.63-56.91-52.65-16.7-5.94-0.57-34.2前横梁跨中-端部部竖向相对变变位（mm）11.0011.0048.3548.2511.111.111.130.0前锚杆最大应力（MPa）-36.9-99.23229.4166.458.6-87.14-42.3880.57安全系数21.37.93.424.7213.49.018.59.7后锚杆最大应力（MPa）263.5568-850.2-544.6-40.9839.1979.58-43.17主拱管最大应力（MPa）-16.7-21.02-95.14-96.5319.1-16.6-20.9-72.0安全系数14.111.22.472.43-16.414.211.23.3拱顶跨中竖向变位位（mm）-0.063.53-35.08-31.614.38.425.45-24.6拱顶跨中-拱脚竖竖向相对变位位（mm）3.532.2827.4727.58-8.44.013.620.8单根前锚杆轴力（kN）-185.7-498.81153836.53.5-438-213405单根后锚杆轴力（kN）211.9456.8-683.8-438.0294.5197.0400.0-217.0注：悬浇第一节段时，后锚杆暂以精轧螺纹钢代替。续表4主要结构受力计算结果（二）工况号结果工况2-1工况2-6工况2-7工况2-8工况2-9工况2-10工况4-1主纵梁最大应力（MPa）25.3-22.1-37.4-100.6-55.0-27.7-47.1安全系数12.514.38.43.15.711.46.7主纵梁最前端竖向变位（mm）-18.22.09.0-15.4-8.4-1.45.47前横梁最大应力（MPa）-32.867.968.0110.2110.2110.2101.3前横梁跨中竖向变变位（mm）-28.9-28.8-23.5-60.5-55.1-49.8-40.8前横梁跨中-端部部竖向相对变变位（mm）13.430.030.148.2348.148.344.4挂钩最大应力（MPa）72.44-1.65安全系数4.3190.9前锚杆最大应力（MPa）046.8513.3156.27122.6589.068.8安全系数016.859.05.026.48.811.4后锚杆最大应力（MPa）0-30.4437.00-113.6-73.61-32.6-25.7安全系数025.821.26.910.723.830.5主拱管最大应力（MPa）-17.7-75.4-78.7-95.2-96.4-99.7-98.1安全系数13.33.13.02.52.42.362.4拱顶跨中竖向变位位（mm）-17.6-19.90-15.34-38.4-33.4-29.2-22.2拱顶跨中-拱脚竖竖向相对变位位（mm）3.420.7820.927.4527.127.625.3单根前锚杆轴力（kN）0235.567785.5616.5447.5346.0单根后锚杆轴力（kN）0-153.0186.0-571.0-370.0-164.0-129.0注：(1)拉应力为正，压应力为负；变位值以挂篮初始位置作为参考点。(2)Q345钢屈服强度偏安全取为315Mpa（36mm>t>26mm），抗剪强度为182.7Mpa；Q235钢屈服强度取为235Mpa，抗剪强度为136.3Mpa，40Cr钢屈服强度值为785Mpa；(3)不考虑止推系统与砼梁间摩擦力对抵抗拉索水平分力的贡献，只考虑受剪钢锭承受全部水平力；(4)第一段悬浇时，后锚杆暂以φ32的精轧螺纹钢代替，其抗拉强度为750Mpa，单根破断力为600kN，对于挂篮这样的重要结构，其使用荷载考虑不超过400kN，即拉应力不应超过498MPa；(5)对工况2-1，砼梁对一侧的挂钩与反力