培森柳江特大桥宽幅箱梁弓弦式菱形挂篮设计分析

作者：龙诚璧 黄文武 张聪 来源：《西部交通科技》2024年第01期

摘要：文章以培森柳江特大桥为背景，提出了一种适用于部分斜拉桥宽幅箱梁施工的新型弓弦式菱形挂篮。通过Midas Civil有限元软件对挂篮进行了结构计算，分析了多种不利工况下挂篮的受力变形情况，并对挂篮施工中的变形情况进行了实时监测。结果表明，该弓弦式菱形挂篮结构设计合理，在不同工况下受力变形满足规范及设计要求，可为同行业类似工程设计施工提供参考。

关键词：部分斜拉桥；悬臂浇筑法；挂篮；有限元分析

中图分类号：U445.466A311034 0 引言

挂篮是桥梁梁体悬臂浇筑施工的专用设备［1-2］。1950年，德国的Dr.Finsterwalder设计了世界首座悬臂挂篮分段浇筑施工预应混凝土梁桥，此后，悬臂浇筑工法得到不断改进、完善。我国从20世纪70年代开始引进挂篮悬臂浇筑施工法修建桥梁，近年来发展迅速，目前已广泛应用于大跨径混凝土桥梁的施工中［3］。

在部分斜拉桥挂篮设计施工方面，于艺林等［4］在东洲湘江大桥施工中，基于既有箱梁BIM模型，将其导入Midas Civil软件中进行有限元分析，对挂篮各阶段进行模拟。周伟明［5］采用Solid Works软件，基于容许应力法对，对徐明高速公路新汴河大桥长悬臂箱梁挂进行了系统力学分析。邱学良［6］在惠青黄河公路大桥施工中，设计四主桁三角挂篮解决箱梁结构渐变问题。赖祺宇等［7］利用Midas Civil软件，通过结构模型与实际实施工程的数据对比，对塔墩固结、塔梁分离结构的主梁受力特性进行分析，总结了相应施工及控制技术。王海战［8］在岐江河大桥施工中，设计使用了新型三角轻型挂篮，有效地减轻了施工设备的自重。

挂篮在部分斜拉桥工程建设上有较多应用，但其设计具有较强的针对性，不同桥梁梁体截面形式、尺寸等不同使挂篮很难混用。由此，本文基于培森柳江特大桥工程，提出了一种适用于大部分斜拉桥宽幅箱梁施工的复合式挂篮。 1 工程概况

培森柳江特大桥位于广西来宾市象州县境内，主桥全长570 m，跨径布置为145 m+280 m+145 m，是目前世界在建的最大跨径公路预应力混凝土部分斜拉桥。桥梁效果图如图1所示。

本桥主梁采用单箱三室箱梁构造形式，箱梁底板宽度为20 m，顶板宽度为29 m，箱梁高度按1.8次抛物线从11.5m向4.5 m变化。箱梁共划分有37个节段，分别为0#现浇段、1#～35#悬浇段、36#合龙段及37#边跨现浇段。其中，0#梁段长12 m，1～7#梁段长3 m，8#～35#梁段长4 m，合龙梁段长2 m，边跨现浇梁段长3.82 m。悬浇段中1#梁段为最大悬浇节段，该节段梁高11.5 m、梁段体积为277.02 m3、总重量达720.26 t，如此大尺寸、大质量的宽幅箱梁悬浇施工对挂篮设计提出了极高的要求。 2 挂篮设计

本文根据培森柳江特大桥的主梁构造特点、荷载情况等，力图在保证承载力的基础上简化挂篮结构，对挂篮展开了精细化设计。挂篮结构包含主桁系统、锚固系统、悬吊系统、行走系统、底篮系统、模板系统等部分。挂篮构造如图2所示。 2.1 主桁系统

考虑箱梁整体宽度为29 m，常规的两片主桁架在受力与构造上均无法满足使用要求，因此选择采用四桁架设计，桁架间通过设置剪刀撑横联连结形成整体。同时，由于8#～35#梁段长度达4 m，菱形桁架在前方悬臂长又吊重大时可能出现结构安全问题，故而设计使用由两榀三角桁架杆、弦杆及销轴连接组成的弓形主桁架，以此提高主桁的整体稳定性和刚度。主桁系统构造如图3所示。 2.2 行走与锚固系统

挂篮行走系统主要由行走划船、行走小车、反勾保护装置及轨道等组成。为保证挂篮行走过程中主桁架前移的同步性，采用1机4顶的高精度液压同步穿心千斤顶作为挂篮行走的动力系统。

挂篮静止时，在单榀桁架尾部安装扁担梁穿设精轧螺纹钢通过箱梁预留孔位进行锚固，担梁上设置千斤顶反压调整挂篮悬臂端的挠度；挂篮行走时，拆除桁架扁担梁，使挂篮自然前倾并通过反扣轮扣在轨道上，此时由轨道提供锚固力，轨道上按一定间距安装轨道压梁，通过穿设精轧螺纹钢锚固在已浇筑梁段上，從而保证整体稳定性。 2.3 悬吊系统

考虑挂篮整体受力较大，挂篮前悬吊需承担较大比例梁段荷载，因而采用8组截面尺寸为220 mm×40 mm的刚吊带进行悬吊，以最大程度减轻吊带竖向变形；挂篮后悬吊则采用32 mm精轧螺纹钢吊杆。每条吊带（吊杆）均装有扁担梁，通过2台30 t螺旋千斤顶顶升进行高度调节。

2.4 模板系统

综合考虑箱梁结构特殊性和模板使用率及重量，外模采用大块不锈钢模板设计，面板采用6 mm不锈钢板、模板横肋为8#槽钢、模板竖肋为10 mm扁钢、大背楞采用双拼10#槽钢。为确保主箱梁施工线型及质量，外模采用外架进行加强，外架采用10#槽钢制作，通过与模板背楞连接成整体来增强稳定性。

由于箱梁内部空心箱室三维尺寸及上下倒角等构造尺寸随梁长而变化，且在斜拉索锚固梁段设计有横隔板，不利于模板周转，故而内箱模板采用小块铝合金模板。内模设计综合考虑全

梁段结构的统一性和差异性，主要分成3种类型，即标准模板、调节模板和异形模板。腹板、横隔板和顶板的平面结构采用标准模板，过人孔、倒角和齿块的空间结构采用异形模板、过渡区域采用调节模块，各类型模板按便于组合装拆转移的尺寸进行设计，模块最大尺寸为120 cm×60 cm，最大重量约为25 kg，方便人工搬运进出过人孔。 3 挂篮计算分析

结构设计完成后，采用Midas Civil软件建立挂篮进行受力分析验算。有限元模型中各个杆件均采用梁单元模拟，并忽略相邻杆件由于搭接错动所产生的微量位置偏移，同时对于挂篮连接节点异性截面，采用等效的截面形式。 3.1 设计参数

挂篮设计参数见表1。 3.2 荷载分配

箱梁顶板、内模及外侧模板荷载由挂篮内、外滑梁承担，箱梁腹板及底板荷载则由底篮纵梁承担，二者承担荷载并分别传递至挂篮前上横梁和箱梁已浇筑完成梁段上。梁体荷载空间分布如图4所示。 3.3 计算工况

根据施工實际情况，模拟验算1#块（无索区最重梁段）混凝土浇筑、挂篮行走和11#块（有索区最重梁段）混凝土浇筑3种工况（见图5），具体工况和荷载组合选择如下： （1）工况1：1#梁段（3 m）混凝土浇筑。

荷载选择：①挂篮自重+②新浇混凝土自重＋③新浇混凝土对模板侧压力+④人群机具荷载＋⑤混凝土振捣荷载＋⑥风荷载。

荷载组合：1.2×（①+②+③）+1.4×（④+⑤+⑥）。 （2）工况2：挂篮行走阶段。 荷载选择：①挂篮自重+⑥风荷载。 荷载组合：1.2×①+1.4×⑥。

（3）工况3：11#梁段（4 m）混凝土浇筑。

荷载选择：①挂篮自重+②新浇混凝土自重＋③新浇混凝土对模板侧压力+④人群机具荷载＋⑤混凝土振捣荷载＋⑥风载。

荷载组合：1.2×（①+②+③）+1.4×（④+⑤+⑥）。 3.4 计算结果

各工况有限元模型计算结果如表2～4所示。

由表2～4可知，3个挂篮施工的最不利工况下，挂篮结构应力、变形均小于设计值。其中，工况1下挂篮变形量最大，为18.41 mm，结合图6可知，最大变形发生于底篮中部纵梁处。针对此种情况，对该部位工字钢纵梁额外加焊加劲板，以提升其抗弯、剪强度，增加变形抵抗能力。

工况3下的挂篮悬吊系统钢吊带拉应力最大，为121.83 MPa，此时吊带强度：

σmax=108.50＜315 MPa，安全系数n=315÷107.84×1.2=3.48＞2满足规范要求。挂篮锚固系统精轧螺纹钢吊杆在两个浇筑工况下，最大拉应力分别为416.07 MPa及414.55 MPa，此时吊杆及锚杆强度：σmax=416.07＜930 MPa，安全系数n=930÷416.07×1.2=2.68> 满足规范要求。 根据各工况计算结果对比可知，工况3下主桁后锚反力最大，为1 094.8 kN。本挂篮单片主桁架后端设置4根屈服点为930 MPa的32 mm精轧螺纹钢筋，单根精轧螺纹钢筋应力为： σmax=（F／Amin）=（1 094 800）／（4×3.14×162）=340.49 MPa 因此，安全系数为K=930÷340.49×1.2=3.28> 满足施工规范要求。 4 挂篮变形监测

设计完成并对各工况下挂篮模拟计算无误后，即进行挂篮悬臂浇筑施工。挂篮安装完成后，在底篮上沿横桥向以4 m间距均匀布置6个监测点，对挂篮浇筑过程，底篮变形情况进行实时监测，1#～9#块段混凝土浇筑前后底篮标高监测数据如图7所示。

由图7可知，1#～9#块段浇筑前后底篮平均沉降量为6.8 mm，最大沉降量为14 mm，挂篮变形在规范及设计允许范围内，且数据优于有限元计算结果，说明本挂篮结构设计合理，受力性能优越。 5 结语

本文针对培森柳江特大桥桥幅宽、节段重量大等特点，提出了一种新型弓弦式菱形挂篮。利用Midas Civil软件对挂篮结构进行了分析计算，并对箱梁悬臂浇筑施工过程进行了实时监

测。结果表明，本弓弦式菱形挂篮设计合理，具有强度高、刚度大、受力明确等特点，满足规范及培森柳江特大桥施工要求，可为后续类似工程设计施工提供参考。 参考文献

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［4］于艺林，陈 峰，王 展，等.基于BIM技术的宽幅矮塔斜拉桥三角挂篮设计优化［C］.中国土木工程学会2018年学术年会论文集，2018.

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［7］赖祺宇，曹向东，闫林强，等.东宝河矮塔斜拉桥悬臂浇筑施工及控制技术［J］.公路，2014，59（10）：59-62.

［8］王海战.矮塔部分斜拉桥主桥施工技术［J］.铁道标准设计，2006（2）：71-73. 收稿日期：2023-10-08

基金项目：2020年度交通运输行业重点科技项目“特大跨径宽幅部分斜拉桥绿色快速建造关键技术研究”（编号：2020-MSI-007）

作者简介：龙诚璧（1995—），硕士，工程师，主要从事桥梁工程设计及施工技术管理工作。