京德高速跨南水北调天津干线连续梁挂篮设计与稳定性分析

2021-01-18李好辉

四川水泥 2021年1期

关键词：底模槽钢挂篮

李好辉

规划设计 Planning and design

京德高速跨南水北调天津干线连续梁挂篮设计与稳定性分析

李好辉

（中铁十六局集团第四工程有限公司，北京 101400）

随着我国交通设施规模的逐步完善，涉及交叉工程时采用挂篮施工的工艺越来越频繁，因此挂篮的选型、结构设计及稳定性问题较为突出。本文以京德高速跨南水北调天津干线(34+52+34)m变截面连续梁挂篮为背景，结合行业规范与设计图纸，借助模拟分析软件的手段，系统研究了挂篮结构的结构、材料选取、构件力学特性以及稳定性。该研究方法思路与成果为类似跨越工程的挂篮实施提供方法和依据。

京德高速；连续梁；结构设计；稳定性分析

0 引言

随着我国经济的不断发展，交通建设的规模不断扩大，铁路、公路、地铁及水利工程等基础设施逐步完善，而在这些工程建设过程中发生交叉时，多数采取下穿隧道或者跨越桥梁的方式。在采用桥梁上跨结构时，多选取悬臂浇筑挂篮施工技术。而在挂篮可承受施工过程中的荷载及梁体自重，能逐段向前移动，是一个经过特殊设计的主要施工设备[1-3]。国内外学者关于挂篮结构进行了相关方面研究得出：承重结构直接影响挂篮的类型，挂篮的主要构造和受力特点分析时，需结合具体项目[4-5]。本文针对京德高速公路采用桥梁方式跨越南水北调天津干线连续梁挂篮进行结构设计与稳定性分析，以确保实际施工过程中的结构安全。

1 工程背景

京德高速公路采用桥梁方式跨越南水北调天津干线，跨越位置属于上跨津霸铁路分离立交桥的一联，跨越方式采用(34+52+34)m变截面连续箱梁，施工方式采用挂篮悬浇施工，单幅桥面顶宽16.776m，底宽11，截面为单箱双室，共分为14个对称浇筑段和3个合龙段。

上部结构主梁跨中梁高1.8m，根部梁高3.5m，梁底曲线按2次抛物线变化。中跨直线段长2m，边跨直线段长6.92m。顶板板厚0.30m，底板板厚由跨中的 0.28m 变厚至根部的0.60m。边、中腹板厚由跨中的0.50m变厚至根部的0.75m。

图1.1 跨越南水北调连续梁段桥型布置图

2 跨越南水北调天津干线挂篮结构设计与选取

基于连续梁的结构组合、尺寸和施工工艺，选取菱形挂蓝。该挂篮结构的主桁上、下水平杆及立柱和前、后斜杆均采用2[36b普通热轧槽钢组成的方型截面杆件构成；前、后上横梁采用2工45b普通热轧工字钢；底模纵梁采用工HN400；内滑梁采用2[36b普通热轧槽钢组成，在顶面采用钢构件焊接；外滑梁采用2[32b普通热轧槽钢；所有槽钢之间采用缀板焊接。挂篮结构设计如图1所示。

图1 挂篮结构图

(1)主桁：每幅挂篮由两组主桁组成，两组主桁间采用钢桁架连接(简称平联)，形成整体稳定结构体系。后锚梁由2[25b槽钢组成，挂篮底模、内外滑梁采用吊带；前上横梁由2[36b槽钢组焊而成，其中，2个吊在外侧模，2个吊在内膜，4个吊底模。

(2)提吊系统：提吊系统包括前后横梁(由2I40和2I45b工字钢组成)和吊带(精轧螺纹钢)组成。

(3)模板系统：箱梁外侧模采用长度3.5m大块钢模板，模板横肋采用[10槽钢，面板采用6mm钢板，外框架由[12槽钢组焊而成。外侧模支承在外模走行梁上，走行梁用两根I32b工字钢组焊而成，后端通过吊杆悬吊在已浇好的箱梁顶板上(在浇筑顶板时设预留孔)，后吊杆与走行梁间的后吊架上装有滚动轴承，以确保外侧模走行梁与外侧模一起顺着后吊架滑行。

底模由底模架和底模板组成，其中，底模架由底模纵梁和底模横梁组成，底模纵梁采用HN400*200*6000mm焊接而成；底模横肋采用[10槽钢横桥向制作而成。

(4)走行及锚固系统：①挂篮走行系统由轨道、反压轮组成，走行轨道与箱梁需锚固连接。挂篮走行时，先安装锚固在主桁外侧平联上的后下横梁端部吊杆，接着拆除箱梁内后下横梁吊杆、再下放前上横梁吊杆，完成底模平台脱离梁体；挂篮外侧模前后锚下放，将后锚转换到滑梁吊架上后拆除后锚，即完成外侧模脱离梁体；拆除后锚杆使反扣轮同时受力，采用千斤顶同时对称牵引挂篮主桁至规定位置。②锚固系统：用Φ32精轧螺纹钢和后锚扁担梁把主桁后节点锚固在已完成梁段的竖向预应力筋上。每片桁架用6根Φ32精轧螺纹钢筋，单侧挂篮用12根。

3 挂篮结构主要材料与计算工况

3.1 主要材料属性

为了方便后期对(34+52+34)m变截面连续箱梁挂篮结构的各个构件进行设计验算分析，根据《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10091-2017)、《建筑施工计算手册》、《钢结构》和梁体设计图纸，特给出挂篮各主要构件的材料属性，如表1所示：

表1 挂篮结构组成及主要材料型号规格

3.2 主要结构构件容许挠度值

计算模板、拱架及支架的刚度时，其容许挠度不得超过表2中规定值；根据表1并结合挂篮结构尺寸，可确定挂篮各结构的容许挠度值，如表3所示：

表2 容许挠度限值汇总表

表3 挂篮结构各构件计算容许挠度值汇总表

3.3 挂篮结构计算荷载与工况

针对该变截面连续梁挂篮施工过程中的荷载类型和挂篮结构，分析确定使用过程中挂篮的荷载系数、组合情况以及需要验算的主要工况，具体情况如下所示：

(1)荷载系数：考虑箱梁混凝土浇筑时胀模等系数的超载系数：1.05；挂篮空载行走时的冲击系数1.3；浇筑混凝土和挂篮行走时的抗倾覆稳定系数：2.0；活载分项系数1.4；恒载分项系数1.2。

(2)荷载组合：混凝土重量+超载+挂篮自重+人群和机具荷载（组合I）；挂篮自重+冲击附加荷载（组合II）。荷载组合I用于挂篮杆件承重系统强度和稳定性计算；荷载组合II用于挂篮走行前移计算。

(3)施工承载工况：挂篮浇筑施工承载时，主要分2种工况：挂篮浇筑2#块混凝土浇筑但未凝固时受力和变形（工况1）和6#块混凝土浇筑但未凝固时受力和变形（工况2）。

(4)空载走行工况：挂篮空载走行前移时，仅承受自重，校核挂篮的变形。

4 (34+52+34)m变截面连续箱梁挂篮结构设计计算与稳定性分析

4.1 典型工况计算

本文对(34+52+34)m变截面连续箱梁挂篮结构设计时，采用Midas civil 2016进行模拟分析，主要分析计算底篮系统、各个部分的纵横梁、导梁以及锚固系统。以底蓝系统为例进行结构计算分析，表4表示底蓝系统承受施工荷载时的工况1和工况2腹板纵梁的荷载取值；图2表示挂篮底篮系统施加荷载和约束条件的计算模型。

表4 底篮系统施工承载取值表

工况1模型图

工况2模型图

图2 底篮系统计算模型

通过分析计算可知：工况1情况下的底篮系统最大应力出现在腹板下底篮纵梁中间位置，其值为88.72MPa；最大位移出现在腹板下底篮纵梁中间位置，其值为6.98mm，满足规范要求。工况2时，底篮系统最大应力出现在腹板下底篮纵梁中间位置，其值为74.46MPa；最大位移出现在腹板下底篮纵梁中间位置，其值为6.12mm，满足规范要求。

同理可得到，底蓝系统空载、导向系统承载和空载情况下的最大应力和变形，汇总如表5所示：