高速公路特大桥斜拉轻型挂篮方案研究.docx

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高速公路特大桥斜拉轻型挂篮方案研究

高速公路特大桥斜拉轻型

挂篮方案研究

集团公司项目部

二〇一年月

目录

1、斜拉挂篮概况

2、设计需要考虑的因素

3、设计基本数据

4、结构材料

5、结构形式和基本尺寸

6、结构荷载的确定

7、锚点设计

8、底模前后横梁设计

9、移篮支架设计

10、挂篮移动

11、斜拉挂篮设计施工要点

12、结论

13、附图

悬臂灌注混凝土所需要的挂篮，目前市场以菱形挂篮和三角形挂篮居多，其设计加工制造和应用已非常成熟，基本可以“拿来”应用。

黄延高速公路杜家河特大桥设计为双幅连续组合刚构桥，全长６８６ｍ，两台四墩，共计８个Ｔ构，需要８套１６只挂篮。

梁段长度为３ｍ、４ｍ、５ｍ，最重梁段１７８．５Ｔ。

斜拉挂篮以其重量轻为其显著特点，其主要缺点为力学模型复杂、施工操作难度大。

所以要研究斜拉挂篮，主要基于以下因素：

――型钢价格居高不下，原材料价格在４５００元/Ｔ；

――节余材料；

――提高结构设计能力；

――培养结构设计人才；

――为以后结构设计提供经验。

杜家河特大桥总体布置图

一、斜拉挂篮概况

斜拉挂篮利用箱梁本身承载，将梁体作为挂篮结构的一部分，

斜拉挂篮分承重部分和挂篮移动两部分。

承重部分由斜拉带、底纵梁、底前后横梁组成，挂篮移动部分由上桁架、走行轨、吊带构成。

挂篮走行方式为"抱"式，由挂篮移动系统吊着底模、侧模移动。

底纵梁由１２根[３６ｂ槽钢组成。

底前后横梁分别由２根[３６ｂ＋２根[２８ｂ扣焊而成。

　　　挂篮移动支架每根杆件由２根[１４ｂ组成，移动支架上后横梁由２根[１４ｂ组成，上前横梁由２根[３２ａ组成，

　　　斜拉带由＝４根２０＊３ｃｍ钢带（穿透底板部分为４根Φ３２精轧螺纹钢、中间加转换连接；）

　　斜拉轻型挂篮一套重７２Ｔ，菱形挂篮一套重９６Ｔ，一套减轻２４Ｔ。

二、设计需要考虑的因素

2、满足钢结构强度、变形要求；

3、具有可操作性，材料节省；

4、充分利用箱梁砼，使其作为吊篮系统一部分；

5、荷载考虑要偏大，构件设计尺寸要足够，从而确保整个吊

篮系统偏于安全；

6、翼板和侧模系统同菱形挂篮，由墩身模板（６ｍ高）和新

加工２．３５ｍ高翼缘板模板组成。

三、设计基本数据

1、最重梁段及其基本参数

根据设计图纸提供的参数，最重梁段及其基本参数见下表。

最重梁段及其基本参数表

梁号

重量（T）

梁长度

（m）

高度（m）

腹板厚（cm）

体积

（m3）

底板厚

（m）

5#

178.5

4

6.84~7.333

60

68.7

0.733~0.772

10#

175.1

5

4.765~5.181

60

67.35

0.477~0.518

18#

126.6

5

3.2~3.224

60、40

48.7

0.322~0.32

10#梁段

5#梁段

2、规范规定

a）、设计原则

本吊篮设计按照“正常使用极限状态法”——即正常使用的某项规定限值，本设计取结构挠度δ＝１２ｍｍ为规定限值。

按正常使用极限状态只考虑荷载短期效应组合；

b）、钢材强度

A3钢：

取允许应力f=190N/mm2=190MPa

E=2.06*105mMPaP=7850kg/m3

精扎螺纹钢Ф32抗拉强度бb=1000MPa,

E=2.06E5MPa

伸长率δs≥7％

c）、结构变形的规定：

按“有重轨的工作平台架”，允许变形为L/600，由于为悬臂结构。

取2L/600=L/300L——悬臂长度；

d）、受弯构件的计算内容

①、强度M/r.W=M/1.05W≤fr——截面塑性发展系数＝1.05

②、局部稳定——配置加劲肋解决；

③、整体稳定（不考虑）；

e）、拉弯和压弯构件计算内容

①、强度：

-N/An±M/Rw=-N/An±M/1.05W≤f

②、稳定性：

N/ΦA+ΑβmxM/PW（1-0.8N/Nex）=N/ΦA+1.0M/1.05W（1-0.8N/Nex）

Nex——欧拉临界力

Nex=π2EA/λ2　

四、结构材料

a）、A3工字钢、槽钢、扁钢；

b）、Ф32精扎螺纹钢

五、结构形式和基本尺寸

５＃、１０＃、１８＃梁段均需进行结构力学检核，以确定最不利荷载对结构的影响。

不同梁段结构基本尺寸见下图。

5#梁段

10#梁段

18#梁段

六、结构荷载的确定

1、荷载及其组合（按规范要求）

序号

荷载

重量

（T）

分配系数

最终重量（T）

（1）

模板及其支架自重

20

1.2

24

（2）

砼自重

178.5

1.2

214.2

（3）

人员、材料、机具

2

1.4

2.8

（4）

振捣产生的荷载

1.2

1.4

1.68

（5）

其它荷载

3

1

3

（6）

砼的侧压力

（7）

倾倒砼产生的水平荷载

振捣荷载对水平模板：

2.0KN/m2

取：

0.6m*5m*2*2KN/m2=12KN12KN*1.4=16.8KN

2、规范要求：

计算强度

（1）+

（2）+（3）+（4）+（5）

=24+214.2+2.8+1.68+3=245.68T≈250T

验算刚度

（1）+

（2）+（5）

=24+214.2+3=241.2T≈242T

综上：

荷载取250T

3、吊篮结构两种受力情况

对于5#、10#、18#梁段，由于梁段长度不同，斜拉杆位于320cm处，故斜拉杆受力状况不同，应取最不利荷载位置。

见图。

显然，10#梁段对斜拉杆最不利，5#梁段对底纵梁受力最不利。

1）、5#梁段L＝400cmq=250T/4m=62.5T/m

底纵梁：

12根36b槽钢

ΣW=12*702.9=8434.8cm3

ΣＡ=12*68.03=816.36cm2

斜拉带：

采用4根200×30mm钢板和Φ32精轧螺纹钢

钢板ΣＡ=4*60=240cm2

Φ32精钢ΣＡ=4*8.04=32.12cm2　（Ｌ＝200cm）

底纵梁σmax=109Mpa

斜拉带σmax＝７５Mpa

Φ32精钢σmax＝５６２MPa

５＃梁段支座反力REACTIONSOLUTIONSPERNODE

NODEFX　　　FY

下10.75102E+06Ｎ　　　　0.85714E+06Ｎ

上57-0.75102E+06　Ｎ　　　0.16429E+07Ｎ

挂篮最大变形DMX=9mm

2）、10#梁段L＝500cmq=250T/5m=50T/m

底纵梁σmax＝１１３Mpa

斜拉吊带σmax＝102MPa

Φ32精钢σmax＝７５９MPa

１０＃梁段支座反力REACTIONSOLUTIONSPERNODE

NODEFX　　　　FY

下10.14000E+07Ｎ　　0.50000E+06　Ｎ

上57-0.14000E+07　Ｎ　　　　0.20000E+07　Ｎ

挂篮最大变形DMX=20mm

变形稍大，可采取在施工１０＃梁段时，对吊带进行补强，以解决此问题。

七、锚点设计

经比较，１０＃梁段为上下支座反力控制值。

１０＃梁段支座反力REACTIONSOLUTIONSPERNODE

NODEFX　　　　FY

下10.14000E+07Ｎ　　0.50000E+06　Ｎ

上57-0.14000E+07　Ｎ　　　　0.20000E+07　Ｎ

上锚点采用８根Ф６０钢棒，下锚点采用2根Ф８５钢棒

规范规定螺栓的承载能力设计值计算式：

抗拉：

Ｎbt=1/4pide2.fbt

抗剪：

Ｎbv=nv.1/4pid2.fbv

――de—螺栓的有效直径=60/85mm

――nv－受剪面数＝8/2

fbt=170Mpa

fbv=130Mpa

Ａ1＝１／４pi.36=28.27cm2

A2=１／４pi.8.52=52.81cm2

1、上锚点　　Ｎbt=1/4pide2.fbt＝28.27×170=48T

Ｎbv=nv.1/4pid2.fbv=28.27×130=37T

　　Ｎt=200/8=25T

Ｎv=140/8=17.5T

根据规范有：

　　　Ｎv　　　　　　　　　　　　　　Ｎt

（　　　　）2＋（）2

　Ｎbv　　　　　　　　　　　　　Ｎbt

17.525

=（）2+（）2

3748

=0.2237+0.2713

=0.704∠1

2、下锚点　　Ｎbt=1/4pide2.fbt＝52.81×170=90T

Ｎbv=nv.1/4pid2.fbv=52.81×130=69T

　　Ｎt=50/2=25T

Ｎv=140/2=70T

根据规范有：

　　　Ｎv　　　　　　　　　　　　　　Ｎt

（　　　　）2＋（）2

　Ｎbv　　　　　　　　　　　　　Ｎbt

7025

=（）2+（）2

6990

=1.029+0.0772

=1.052>1

结果稍大，施工时可采取临时补强，在完成１０＃梁段后，结构完全可以满足需要。

综上，斜拉挂篮承重结构完全可以满足结构力学要求。

八、底模前后横梁设计

　　前后横梁均采用２×（Ｉ３６ｂ＋Ｉ２８ｂ）扣焊而成，

　　∑Ｉx=2*（12651.7+5118.4）=2×17770.1＝35540.2ｃｍ４

∑A=2*（68.09+45.62）=2×113.71＝227.42ｃｍ２

底横梁为不均匀受力，腹板部分受力大，底板部分受力小，经分割计算，横梁受力和力学模型见图。

横梁受力和力学模型图

横梁最大变形ＤＭＸ＝５ｍｍ

横梁最大应力σmax＝１３０ＭＰａ

可以满足要求。

九、移篮支架设计

移篮支架采用三角形结构，结构构件均采用２×１４ｂ槽钢扣焊。

其力学模型和基本结构见图。

∑Ａ＝４×21.31=85.24cm2

结构最大变形DMX＝19mm

结构构件最大应力σmax＝66ＭＰａ

十、挂篮移动

吊篮分承重系统、走行系统，承重系统承受混凝土和模板及其它荷载，走行系统仅承受模板重量和翼缘板混凝土重量。

由于斜拉挂篮穿过底板和内模，故施工中，掌握施工秩序是关键。

其施工顺序为：

梁段预应力张拉完成――拆除侧模、内模、悬挂就位――松开底后锚、拆除底模、悬挂就位――锚固走行轨、松开移篮支架后锚――利用倒链拉动移篮支架前移就位――锚固移篮支架后锚――测量定位、锚固底模后锚――测量校模、侧模就位固定――钢筋绑扎、波纹管安装――内模滑移就位――安装斜拉吊带――安装端头板――检查――混凝土灌注――养护（3d）――预应力张拉、管道注浆――下一循环。

从上可以看出，斜拉吊带在内模就位后安装，否则将影响内模就位，施工是一定注意。

斜拉挂篮其余施工方法同菱形挂篮。

十一、斜拉挂篮设计施工要点

1、

上锚点

每个锚座和箱梁顶板

用4根Φ60锚杆联结，锚杆

承受斜拉吊带拉力和剪力，锚杆

和梁顶预留孔间采取特殊措施实现

密切，实现抗剪目的。

2、下锚点

每个锚座和箱梁底板

用一根Φ85锚杆联结，锚杆

承受底模拉力和因斜拉而产生的

剪力，锚杆和梁顶板留孔间采取

特殊措施实现密切，

以实现抗剪之目的。

3、斜拉吊带

斜拉吊带正面图斜拉吊带侧面图

由于斜拉吊带要穿过底板和实现底板标高调整，穿过底板部分用精轧螺纹钢，每个锚座用2根32精轧螺纹钢筋，利用预埋50pvc塑料管方便施工，在螺纹钢和钢板吊带之间设转换器，在转换器通过调整螺纹钢实现底模标高的调整。

4、移篮支架

移篮支架在挂篮前移时承受模板重量，挂篮就位灌注混凝土时承受侧模和翼缘板混凝土重量。

挂篮移动时，侧模外倾，斜靠在移篮支架前后横梁下垂的吊带上，底模悬挂在移篮支架前后横梁下垂吊带上。

挂篮移动时，支架前支点在走行轨上滑行，后锚点通过扣轮反扣走行轨前移，挂篮前移采用手动倒链。

移篮支架就位后锚于箱梁竖向预应力精轧螺纹钢上。

十二、结论

从检算结果看，斜拉挂篮结构变形、构件强度完成可以满足施工和规范要求。

因此认为，按照确定的材料所组成的斜拉挂篮系统是可行的，结构总体安全系数约为2。

实际安全系数要远大于此，因为主要荷载已考虑1.2系数、底模纵梁跨度实际比检算值小、吊篮结构自重不全部由吊篮系统承担。

总之，斜拉挂篮方案可行，同菱形吊篮比较，一套两只材料可节余约24T，在目前钢材价格较高的情况下，尤为值得考虑。

附图：

斜拉轻型挂篮设计图