老庄河特大桥挂篮设计与施工

（中铁四局黄延高速公路老庄河大桥项目经理部）

摘 要：老庄河特大桥为集团公司重点桥梁工程项目之一，其5×170m跨度列居全线跨度之最，105m高墩梁部悬臂灌注施工技术难度较大，本文重点介绍高墩大吨位挂篮设计及施工的程序和体会。

关键词：挂篮、设计、施工 1、前言

连续刚构桥采用的主要施工方法为悬臂施工法，特别是其中的悬臂浇筑法在特大桥梁中应用尤为普遍，已成为修建大中跨径桥梁的一种有效的施工手段。悬臂灌筑法又称无支架平衡伸臂法或挂(吊)篮法。它是以已经完成的墩顶节段(0)为起点，通过挂篮的前移对称地向两侧跨逐段灌注混凝土，并施加预应力的悬出循环作业方法。悬臂灌注施工法的特点是：逐段施工不需要大型起吊设备，仅用挂篮循环推进即可完成梁段施工；每墩有两个工作面平行作业，几个墩可同时施工，有利于缩短工期；梁段施工都在挂篮上完成，能保证施工的连续性和施工质量；节段施工都是循环重复作业，所需人员相对集中，能较快熟练掌握施工技术、提高工效。

悬臂施工工艺设计的关键在于挂篮的设计，挂篮设计的好坏直接影响到施工进度，它是特大桥梁施工的一项关键技术问题。我国从80年代开始使用这种技术以来，也已取得了巨大的成就。因此，结合老庄河特大桥挂篮使用的情况对各种类型挂篮的设计与施工进行总结、比较，将对今后该类型项目的施工应用及其发展有着重要的意义。 2、挂篮设计与施工目标

高墩大跨度挂篮设计应该满足：结构安全可靠、通用性强、拼装简易、移动走行快捷安全、模板调整迅速、模板固定牢固等技术指标，同时还要考虑到高空安全作业及文明施工等要求。在挂篮施工过程中一套设计成熟的挂篮应可以安全快速的完成各个节段的施工，据此要求在这种类型的悬臂灌注施工挂篮设计中应该满足的目标可以简单的概括为三点：安全可靠、人性化设计、成本较低。 3、老庄河特大桥挂篮设计

老庄河特大桥为95+4×170+95m六跨预应力砼连续刚构，全桥桥长878.848m。本桥梁部截面为单箱单室、左右线分离双幅并置结构，共22个悬灌段加１个合拢段，节段长度从3.0m～4.0m逐渐调整，梁段高度从9m～3.2m逐渐变化(墩顶箱梁高9m，跨中箱梁高3.2m)，腹板厚0.65m～0.4m，底板厚为1.0～0.3m，箱梁底板宽6.5m，顶板宽12m，翼缘板悬臂长2.75m。梁底曲线按二次抛物线变化，箱梁内除0号块和箱梁端部设横隔板外，其余部位均

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不设横隔板。该桥梁部设有三向预应力束，箱梁设腹板预应力下弯束。纵向、横向和下弯束预应力筋采用φ15.24钢绞线，竖向预应力采用Φ32精轧螺纹钢筋。纵向预应力束和箱梁腹板下弯束采用两端张拉，横向预应力和竖向预应力采用一端张拉。采用张拉力和伸长量双控。桥面横坡设于箱梁顶面，箱梁底面平置，部分梁段在缓和曲线上梁顶横坡存在变坡问题。

老庄河特大桥挂篮设计采取系统论的原理，对不同挂篮结构形式进行分析比较，从中确定初步方案；在初步方案确定后根据挂篮结构检算理论确定各个构件的规格形式、各构件间的联结方式；最后根据这些已确定的构件规格及尺寸绘制详细的挂篮设计图纸，在这个过程中需要充分考虑一些辅助机构、控制机构、安全通道等设施的设计。流程如下：

第一步：挂篮结构形式选择 挂篮的构造一般有以下几种形式： ⑴ 平行桁架式挂篮

平行桁架式挂篮的上部结构一般为等高桁梁，其受力特点是：底模平台及侧模支架所承受的荷重均由前后吊杆垂直传至桁架节点和箱梁底板上，又称吊篮。桁架在其后端用压重或锚固来解决倾覆稳定问题，桁架本身为受弯结构。

⑵ 弓弦式挂篮

弓弦桁架式挂篮的主桁外形似弓形，可认为是从平行桁架式挂篮演变而来，其特点在于：桁高随弯矩大小变化，受力合理。同时，安装时可在结构内部预施应力以消除非弹性变形，也可取消平衡重，故一般重量较轻。

⑶ 平弦无平衡重挂篮

平弦无平衡重挂篮是在平行桁架式挂篮的基础上，取消压重，在主桁架上部增设前后上横桁，根据需要可沿主桁纵向滑移，并在主桁横移时吊住底模平台及侧模架。由于挂篮底部荷重作用在主桁架上的力臂减小，大大减小了倾覆力矩，故不需平衡压重，其主桁后端则通过梁体竖向预应力筋锚固在主梁顶板上。

⑷ 菱形挂篮

菱形挂篮可认为是在平行桁架式挂篮的基础上简化而来，其上部结构为菱形，前部伸出两伸臂小梁，作为挂篮底模平台和侧模前移的滑道，菱形结构后端锚固于箱梁顶板上，无平衡压重，而且结构简单，故大大减轻了自身静荷。

⑸ 三角型组合梁挂篮

三角型组合梁挂篮是在平行桁架式挂篮的基础上，将受弯桁架改为三角形组合梁结构。由于其斜拉杆的拉力作用，大大降低了主梁的弯矩，从而使主梁能采用单构件实体型钢，由于挂篮上部结构轻盈，除尾部锚固外，还需较大压重。其底模平台及侧模支架等的承重传力与平行桁架式挂篮基本相同。

⑹ 滑动斜拉式挂篮

滑动斜拉式挂篮在力学体系方面有较大的突破，其上部采用斜拉式体系代替梁或桁架式结构的受力，而由此引起的水平分力，通过上下限位装置承受，主梁的纵向倾覆稳定由后端

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锚固压力维持。底模平台后端仍吊挂或锚固于箱梁底板之上。

⑺ 自承式挂篮

自承式挂篮分为两种，一种是模板支承在整体桁架上，桁架用销子和预应力筋挂在已成箱梁的前端角上，灌注混凝土时主梁和走行桁架移至一边，挂篮前行时再安装上，吊着空载的模板系统前移。另一种是将侧模制成能承受巨大压力的刚性模板。通过梁上的水平及竖直预应力筋拉住模板来承担混凝土重，走行方法与前者相同，由临时吊车悬吊着模板系统前移到下一梁段。这种方法对跨度不很大的等高箱梁较为适宜。

根据以上列举的挂篮结构形式结合老庄河特大桥的具体情况，经过分析对比，考虑到高墩悬臂灌注施工中应尽量避免出现临空面或大高度作业等情况，决定采取三角形挂篮结构形式，其走行机构采取自锚式走行装置；同时为保证竖向预应力同步张拉的需要，采取高托船机构；其悬挂系统采取安全性较高的钢吊带系统。

在初步方案确定下来后即可进行各个构件的检算流程。 第二步：挂篮构件及构件间联结方式检算 挂篮构件的选择一般本着以下原则进行： ⑴ 主要构件选择国标定型型钢制作；

⑵ 联结构件尽量选用特种钢材制作，力求以最少的数量满足结构的需要，降低施工过程中的操作难度及工作量；

⑶ 构件重量必须满足现场起重设备的工作能力要求；

⑷ 构件使用型钢尽量规格一致，几何尺寸尽量统一，保证构件间的通用性； 挂篮检算原则为：应变控制、应力校核 检算流程如下

⑴ 确定最大施工荷载及反馈到挂篮结构上的最不利荷载；如图所示：

⑵ 将挂篮结构进行简化，建立计算模型；（可参考上图）

⑶ 将各个最不利荷载叠加到简化计算模型上进行应力、应变计算； ⑷ 本着从下到上的荷载传递顺序，分段计算各个构件的受力及变形情况；

⑸ 在各个构件计算全部通过后，将挂篮结构简化为前悬挂系统和主桁系统两部分进行

3m4m整体结构分析（需要借助结构计算程序）；计算简图如下：

⑹ 根据整体分析结果对构件变形或应力不合理或不均匀的构件进行调整，经过多次反复计算，最终确定挂篮的全部构件规格及初步尺寸；

⑺ 根据减少施工组拼时间要求确定采用销接最为快捷和简易，据此通过节点应力确定联结构件规格；

⑻ 确定模板设计及走行机构设计，检算构件规格，确定构件联结形式； 完成以上设计过程后即可进行第三步流程细部设计。

第三步：绘制挂篮主桁、悬挂系统、模板设计图纸，设计辅助结构、控制机构、安全通道等机构

该设计流程系统性较强，需要有丰富的挂篮设计及施工经验做为技术支持。首先绘制挂篮主桁系统设计图纸，确定每个构件的几何尺寸，通过总装图再确定挂篮模板及悬挂系统细部图纸，最后在挂篮总体设计完成后绘制辅助机构、控制机构、安全通道的详细设计图纸。

以下即为老庄河特大桥挂篮设计总图：

立柱2[360b5000mm5000mm斜拉杆2[360b底模前钢吊带(16Mn)

后锚系统三角桁架系统前上横梁2Ⅰ450b纵向主梁2[360b后支点走道梁前钢支点托船侧模滑道梁侧滑道后吊架中吊点侧滑道限位装置外侧模

底模后挂架(后下横梁2Ⅰ400a)底模后钢吊带(16Mn)底模前挂架底篮纵梁桁架(前下横梁2Ⅰ360b)

底模钢吊带6100mm三角桁架系统平联立柱前上横梁(2Ⅰ450b)

(16Mn)托船内滑梁

4、老庄河特大桥挂篮设计新概念评述

底篮系统侧滑道侧模及桁架底篮横梁长10m挂篮设计与施工已经是一种相对比较成熟的技术，但在每一个不同的大桥上因其结构形式的不同、细部几何尺寸的变化及桥梁所处环境的差异造成挂篮设计思路的不同，由此所带来的不同的设计理念为进行老庄河特大桥挂篮设计提供了一定的启发。

老庄河特大桥墩高达105m，梁顶高度达114m，在这种高度下进行挂篮施工首先要考虑施工过程中操作人员的安全问题，因此本挂篮设计中尤为突出了人性化的设计理念，突出表现在以下几个方面：

⑴ 高墩施工，人员通行通道设计必须规范；

⑵ 所有需要人员进行作业的操作区域均按照规范要求设置安全防护围栏，确保施工人员在安全可靠的环境中进行施工作业；

⑶ 简化挂篮节点拼装工序，降低拼装难度；

⑷ 模板设计引入新概念，在降低模板重量的前提下通过模块化设计，提高了高空拼装及调整模板的工作效率；

⑸ 走行机构选用了新的自锚式走行方式，便于操作，同时设计了临时锁定机构，确保在挂篮走行过程中的绝对安全；

⑹ 挂篮主桁设计了专门的小型机具存放柜，将日常施工用小型机具、构件统一存放，便于施工现场的文明施工管理。

该桥挂篮设计的另一个亮点在于其模板设计，由于该桥处在一段缓和曲线上，梁顶板横

坡由2%～－2%过渡，翼板模板和内模均需要作变幅处理，按照以往的挂篮设计一般在模板骨架设置铰耳，但这种设计会造成模板倒角接缝开口的缺点，为此专门设计一个模板铰合装置，通过导轨及调节螺杆调整模板的角度，使其满足变幅需要，很好的完成了模板接缝的设计；如下图所示：

侧模变幅机构简图 内模模板转角设计同外模，但为了解决内模顶板宽度变幅问题，如果仍按照以往的桁架式内模骨架则很难实现，为此专门设计了滑道式内模横梁，极大的降低了挂篮加工及变幅的难度，提高了工作效率。

挂篮内模横向滑道设计简图

5、老庄河特大桥挂篮施工情况简介

经过近一年的施工过程，老庄河特大桥挂篮悬灌施工已经进入尾声，整体施工状态良好，以下将该桥各个阶段挂篮施工情况简要介绍下

⑴ 静载试验

挂篮进场后需要逐个进行静载试验，以确定每只挂篮的荷载变形关系曲线，为下一步控制悬臂灌注线形提供可靠的数据支持，静载试验采取地面模拟加载方法进行，试验装置如下图所示：

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试验流程如下：

① 按照图纸拼装挂篮及模板；

② 按照要求罐装土袋，确保每个土袋重量误差不超过5％；

③ 在挂篮主桁前、中、后三点设置牢固的观测点，并测得各点初始标高读数； ④ 按照加载等级分级加载，在每级荷载施加完毕后2min开始测量主桁三组观测点的绝

1500对标高值；同时加测一组挂篮前上横梁中点的绝对标高值；

⑤ 加载过程进行到1.2超载时，分别在：持荷30min、2h、6h测得三次各个观测点标高值；

⑥ 按照5t为一个等级进行卸载，每卸一级需持荷2min，并测得各组观测点的标高值。 经过以上试验确定出每只挂篮在最大荷载下的变形情况以及在各级荷载情况下的挂篮下挠度值，为后期施工提供了重要的依据；

⑵ 0#段施工

本桥挂篮设计之初，充分考虑到0#段施工的需要，将挂篮侧模兼做0#段外模，在施工托架设计中经过仔细计算，针对每个墩位的具体标高值设置了详细的预埋件高程控制表，在现场实际施工过程中仅需要对模板底部进行细微的调整即可以满足现场测量控制的要求；

⑶ 悬灌段挂篮拼装

挂篮高空拼装作业技术难度较大，需要几个部门相互的紧密配合，由于挂篮主桁节点采取销接，构件组拼速度快，操作人员劳动强度小，构件受力线路清晰，拼装效果比较理想；

⑷ 悬灌段挂篮施工

挂篮悬灌施工关键在于“控制”，这样对挂篮的控制机能要求较高，挂篮在使用过程中经过验证，各项操作机能简单方便快捷，各项控制机能精确有效，梁体线形顺直，外观颜色均匀，梁段接缝处理较好，能够满足现场施工的需要。 6、对挂篮设计与施工的几点考虑

目前国内挂篮施工工艺已经趋于成熟，但仍然存在着设计结构比较简单，操作程序相对复杂的问题，而且在挂篮设计模式上各个单位之间差异较大，设计人员施工经验相对少，造成挂篮操作难度较大等问题，在经过老庄河特大桥挂篮设计与施工过程后，通过对该套挂篮施工使用过程的总结，结合国外一些设计理念，提出以下几点建议：

⑴ 挂篮设计宜采用模块化设计理念，提高构件的通用性，便于设备的保管； ⑵ 挂篮设计中应更多的体现人性化设计理念，以满足设计要求、确保现场操作方便快捷为目标；

⑶ 挂篮设计前应多方了解国内外挂篮设计的新理念，取人之长，补己之短，不断的提高挂篮的设计水平，同时希望挂篮设计人员应经常深入现场一线，在实践中总结，在实践中发展和充实自己，提高自己的设计水平。