预应力混凝土连续梁(刚构)挂篮设计与施工工艺.doc
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1、预应力混凝土连续梁(刚构)挂篮设计与施工工艺1 前言 1953年联邦德国在主跨114.2m的胡尔姆斯(Worms)桥施工中成功地采用悬臂浇筑法,开创了挂篮悬臂施工的先河。之后,悬臂浇筑法成为预应力混凝土连续梁(刚构)桥的主要施工方法。我国已经建成的预应力连续梁(刚构)桥很多都采用挂篮悬臂施工。为适应不同跨径、不同截面的桥梁,挂篮也在不断的创新。挂篮越来越趋向轻型化,受力越来越合理,走行也越来越方便。挂篮的设计原则是挂篮结构应具有足够的强度、刚度和稳定性,自重轻,结构简单,受力明确,易于加工拼装,走行方便。考虑到挂篮的重复利用,挂篮还需具有通用性强,便于改造的特点。为保证挂篮施工安全和桥梁的质量
2、,挂篮的选择、设计、加工、安装以及验收的每一环节都非常重要。2 挂篮种类、特点及适用范围为适应各种预应力混凝土连续梁(刚构)桥的施工需要,挂篮的型式也是多种多样。挂篮按结构形式可分为桁架式挂篮、斜拉式挂篮以及复合式挂篮。2.1桁架式挂篮桁架式挂篮在挂篮使用中是最为常用的,根据其不同结构,不同受力特点,又分为平行桁架式挂篮、弓弦式挂篮、三角挂篮和菱形挂篮。2.1.1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架,采用万能杆件或贝雷梁组拼作为承重主桁(总体方案见图1)。有专门的厂家生产或出租贝雷梁和万能杆件,现场可以根据需要拼装,其主桁成型较快;但是该挂篮由于其自身载荷大,承重能力低,适合小
3、跨度、节段重量较轻的连续梁或连续刚构桥。受桥梁施工工期以及各种因素的影响,还需考虑租金问题。2.1.2弓弦式挂篮 弓弦式挂篮由于杆件以常备式为主(总体方案见图2),而且较轻,桁高随弯距大小而变化,受力比较合理。对不想一次投入过多的施工单位有一定有吸引力,另外它还可以在安装时在结构内部施加预应力来消除非弹性变形,但是缺点是杆件数量多,安装都比较麻烦,且易丢失。适合中小跨度连续梁或连续刚构桥。2.1.3三角式挂篮三角式挂篮结构简单,受力明确,承重能力大,和弓弦式、菱形挂篮相比,其重心更低,悬灌时挂篮稳定性和挂篮走行时的稳定性更好(总体方案见图3)。挂篮杆件一般用型钢组焊成箱型结构。主桁纵梁也可以采
4、用钢板组焊,斜杆也可以采用钢带、圆钢或精轧螺纹钢筋。三角式挂篮适用范围更广,常用于单节梁段比较重的大跨度连续刚构桥或斜拉桥。2.1.4菱形挂篮菱形挂篮结构简单,受力明确,构件一般用型钢组焊成箱型结构(总体方案见图4)。菱形结构由于其结构的特点,前面部分空间较大,对工人施工操作影响较小;但挂篮重心比较高,主桁前横梁离桥面较高,调整标高时,施工人员上下不是很方便,安全隐患大。 2.2斜拉式挂篮2.2.1滑动斜拉式挂篮滑动斜拉式挂篮其上部采用斜拉体系代替梁式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(或称水平制动装置)承受,主梁的纵向倾覆稳定由后端锚固压力维持(总体方案见图5)。该
5、挂篮由于轻且无平衡重等特点,可以说是国内目前最轻的挂篮之一。但当跨度和梁高都较大时,由于斜拉杆长度较大,弹性伸长较大,而且上下限位装置的水平力随之增大,故其应用受到限制。2.2.2预应力斜拉式挂篮预应力斜拉式挂篮挂篮的最大特点是利用梁体内腹板的预应力筋拉住模板,从而使得挂篮结构简化,重量变轻。但该挂篮系利用梁部结构本身的预应力束拉紧刚性模板,使得临时设施数量大大减少,但因属永久结构和临时结构相结合,需设计、施工、建设单位意见一致方可采用。特别应考虑预应力束在锚固模板系统时的锚下控制张拉力,锚具的可靠度,锚具对预应力束的刻压损伤等问题,既保证悬灌作业的安全,又保证预应力预应力束在运营期间的耐久性
6、和可靠度。2.3 复合式挂篮复合式挂篮有些类似菱形挂篮(总体方案见图6),其结构受力明确,具有较大的承载能力,重量也比较轻,但因其前端主桁架悬空,前吊点位置升高,起降吊杆用人工不方便,宜采用液压提升系统控制,施工简便,但这样会增大一次性投入,复合式挂篮出现较晚,但该型挂篮具有较大的承载能力,适用型广,操作迅速简便,可反复多次使用,因此具有较大前景。 3 挂篮结构设计与检算 3.1挂篮的结构设计3.1.1设计依据(1)桥梁施工图设计文件。(2)现行钢结构设计、施工技术规范。(3)现行铁路(公路)桥涵设计、施工技术规范。(4)现行钢结构施工及验收规范。(5)梁段细部情况。3.1.2挂篮的主要技术指
7、标(1)可灌梁段的最大重量:根据桥梁设计文件确定。(2)可灌梁段最大长度:根据桥梁设计文件确定。(3)梁高变化范围:根据桥梁设计文件确定;(4)挂篮自重:一般为最大梁重的0.350.45。(5)主桁最大变形:20mm。(6)抗倾覆稳定系数:走行时大于2.0;浇注混凝土时大于2.0。(7)主桁杆件安全系数:大于1.2。(8)主桁前支点离梁段端面距离: 0.5m。(9)挂篮走行方式:分次或一次性走行。3.1.3 挂篮的型式选择 根据梁段细部情况和挂篮设计原则,选取合适的挂篮型式进行悬浇施工。各种类型的挂篮的区别在于主桁部分,其余部分如底模,内外模都大致相同,根据不同挂篮的特点及其适用性综合考虑选取
8、主桁的形式。另外,考虑挂篮的利用系数和节约,应尽量减轻挂篮的自重,挂篮走行取消了配重,采用反扣轨道走行,主桁架、底模、外模一次走行到位,缩短施工周期。如一次走行有困难,也可分步走行。挂篮施工属于高空作业,为确保安全,需专门设置施工平台,安装防护栏杆,并挂设防护网。3.1.4结构设计挂篮一般主要由主桁系统、底模系统、外模系统、内模系统和悬吊及走行系统五大部分组成。各部结构设计情况如下:(1)主桁系统。挂篮主桁系统是整个挂篮的承力构件。1) 菱形式挂篮。菱形挂篮主桁系统主要由菱形主桁架、横向联结系和前横梁组成。菱形主桁架一般由型钢或者钢板焊接成箱型结构,杆端采用节点板栓接,也可以焊接,主桁前端在节
9、点处放置前横梁。菱形主桁架立柱和后斜杆之间应各设置一道横向联结系,保证整个挂篮悬灌时主桁架受力平均,以及挂篮走行时的稳定性和一致性2) 弓弦式挂篮。弓弦挂篮主桁架由弓弦桁架弧杆、腹杆组成;弓弦桁架弧杆全为拉杆,腹杆全为压杆,两者均采用万能杆件N1组拼而成,腹杆用槽钢组拼,并与弧杆铰结,其余用节点板螺栓连接。主桁间以万能杆件平联连接,后锚梁用型钢组拼;3) 三角式挂篮。三角挂篮主桁系统主要由三角主桁架、横向联结系和前后横梁组成。前后横梁可以采用型钢组合而成,所使用型钢大小,可以根据计算确定。三角主桁架的纵梁可以用型钢组焊,也可以采用钢板焊接成箱型结构,从材料节约和加工难易程度出发,采用型钢组焊更
10、为合适。斜杆一般采用钢带,用钢销和纵梁进行连接,立柱采用型钢组焊。三角主桁同样设有横向联结系,所起作用和菱形挂篮横向联结系相同。4) 斜拉式挂篮。斜拉式挂篮主桁系统主要结构是:主纵梁、各种横梁、斜拉吊带、上、下限位装置。上横梁及斜横梁由槽钢拼接(或焊接)而成,前者除主梁连成整体外,主要用来吊挂内外模板系统,后者将斜拉带传来的底模及灌注梁段混凝土重量再传递给主梁,斜拉带是挂篮最关键的构件,一般用16Mn或其它性能更优的钢板制成,每一拉杆一般做成4至5段,各段端部设有销孔,组装时用钢销联接成整体。并随梁高的变化增减,斜拉带上端通过元宝梁固定在斜拉横梁上。复合式挂篮:复合式挂篮的主要构件采用薄壁方钢
11、管或以型钢加钢板加焊,各杆件之间大多以节点板焊连,并辅以铰销连接,与菱形挂篮的结构差不多。(2)底模系统。底模系统包括底模前后横梁、底模纵梁、模板系统和辅助施工平台。底模前后横梁由型钢组焊箱型结构,前后横梁上设置吊耳。底模纵梁按照荷载分布进行布置,腹板位置布置稍密,底模纵梁也可以用桁架代替,采用小型钢组拼。底模纵梁上横向铺设1616cm方木,用钢丝或螺钉和底模纵梁固定,方木上满布5cm厚木板,上面钉4mm厚铁皮。也可以底模纵梁上直接铺设钢模板。底模后吊可以采用吊带或吊杆,悬灌时贯穿梁底板锚固,走行时需解开和后横梁的联接,为了保证施工安全,在后横梁位置设置施工平台,前后横梁之间设置走行平台。(3
12、)外模系统。挂篮外模系统由外模模板、外模桁架、外滑梁及吊架组成。外模模板5mm面板和5槽钢组焊成框架结构,为保证梁段外观质量,模板面板焊后不平整度应小于1/1000mm,加工质量应符合规范要求,面板拐角处焊后应磨光打平。为节约成本也可以利用墩身模型改制,使用前应检查钢模板的平整度和完整性,保证梁段浇注完成后表面质量。外模桁架由型钢组焊而成。两侧外模模板和外模桁架可支承在外滑梁上,外滑梁通过前后吊杆分别锚固在前上横梁和已浇注梁段上,也可支承在底模平台的纵梁上。(4)内模系统。内模模板采用P3015小块钢模型,内模骨架采用小槽钢,腹板厚度的变化由骨架长孔调整,骨架上设置铰,易于拆模。内模骨架和模板
13、支承在内滑梁上,内滑梁通过前后吊杆分别锚固在前上横梁和已浇注梁段上。内外模支架用对拉杆和背杆固定,防止爆模。(5)悬吊及走行系统。挂篮底模前、后吊杆一般可以采用精轧螺纹钢筋、圆钢和钢带,前吊杆比较长,现场可以根据需要进行分段连接。精轧螺纹钢筋需用专用连接器接长,但必须注意精轧螺纹钢筋有效螺纹连接长度。精轧螺纹钢筋涂上红色标记,悬浇前应仔细检查此项目,使用精轧螺纹钢筋做吊杆时,最好采用通长。底模后吊锚固在已浇梁段底板上,通过千斤顶调整标高。前后吊杆、吊带都通过钢铰和底模前后横梁用钢销连接。3.2结构检算3.2.1 结构检算的依据(1)浇注混凝土的动力冲击系数:1.2。(2)空载走行时的冲击系数:
14、1.3。(3)挂篮总重控制在设计范围内,允许最大变形(包括吊带变形的总和)20mm。(4)自锚系统的安全系数:。(5)浇注混凝土和挂篮走行时的抗倾覆稳定系数:2.0。3.2.2荷载组合(1)荷载组合I。混凝土自重+动力冲击荷载+挂篮自重+人群和施工机具荷载(计算强度)。(2)荷载组合。混凝土自重+挂篮自重+人群和施工机具荷载(计算刚度)。(3)荷载组合。挂篮自重+冲击附加荷载+风载(计算走行)。3.2.3挂篮结构检算根据梁段的细部情况,梁截面可以分为底板、腹板、顶板和翼板进行荷载计算,底板和腹板荷载由底模系统承担,顶板荷载由内模系统承担,翼板荷载由外模系统承担,通过前后吊杆吊带传递到前上横梁和
15、已浇梁段上。各个部分传递到前上横梁的所有荷载都传递到主桁架上。主桁架再通过前支点和后锚点把力传递到已浇梁段顶板。悬吊系统部分在整个挂篮受力中起到力系转换的作用。挂篮传力过程示意图(见图7)。挂篮结构计算可以整体建模计算,也可分部建模计算,这里介绍分部建模计算。(1)底模系统。1)荷载分析。为方便,取单箱单室截面为例,箱梁荷载分布见图8。计算中,把底板荷载V1和腹板荷载V2按照下图均布荷载进行分布见图9,支座间距和数量根据底模纵梁的间距确定。 图8 箱梁荷载分布图 图9 底模荷载分布图利用MIDAS分析软件进行受力计算得出支座反力R。2)底模纵梁计算。根据纵梁上的模板荷载反力,确定底模纵梁荷载P
16、(支座反力R)分布见图10。利用MIDAS计算软件计算得出底模纵梁最大剪力QMAX、最大弯矩MMAX、最大挠度fMAX。底模纵梁强度、刚度计算如下: 最大剪应力最大弯曲力最大挠度3)底模前后横梁计算。底模前后横梁承受荷载比值按照11分布见图11 ,根据纵梁计算的支座反力R进行荷载分配,利用MIDAS计算软件计算得出前后横梁最大剪力QMAX、最大弯矩MMAX、最大挠度fMAX。底模前后横梁强度、刚度计算如下:最大剪应力最大弯曲力最大挠度(2)外模系统。1)侧压力计算。新浇混凝土最大侧压力可按下列两种公式计算,取二者较小值:式中 混凝土比重,24KN/m3;新混凝土的初凝时间,可按实测确定。但缺乏
17、试验资料时,可采用计算,T为混凝土温度;外加剂影响系数,不掺外加剂时取1.0,加外剂时取1.2;混凝土塌落度影响修正系数,塌落度小于30mm时,取0.85;5090mm时,取1.0;110150mm时,取1.15;混凝土浇灌速度(m/h);为混凝土侧压力计算位置处至新浇灌混凝土顶面的总高度。2)面板验算。 面板强度。按双向板计算,选用区格中三面固结,一面简支的最不利情况进行计算,区格,由查建筑结构静力学手册得:泊松比时, ,。取宽度荷载,计算荷载:板抗弯模量:支座弯矩: 跨中弯矩: 跨中弯矩修正:泊松系数支座弯矩应力: 跨中弯矩应力: 面板刚度。式中 混凝土最大侧压力;挠度计算系数;构件刚度:
18、式中 为钢板厚度;为钢材弹性模量;为钢材泊松系数。3)横肋验算。横肋上荷载间距,采用5槽钢,支承在竖向桁架上。横肋上荷载;按三跨连续梁受力分析,荷载分布情况见图12):利用MIDAS分析软件计算得:,强度、刚度验算如下: 图12 横肋荷载分布图4)竖肋验算。竖向大肋10组焊成1m桁架。竖向荷载, 按800mm一组背杠固定。竖肋上荷载;按三跨连续梁受力分析,荷载分布情况见图13):利用MIDAS分析软件计算得:,强度、刚度检算如下: 面板与横肋组合挠度:面板与竖肋组合挠度: 5)外模滑梁计算。外模滑梁根据挂篮施工情况按两种工况进行计算:工况一:挂篮在悬灌过程中,滑梁承受挂篮外模自重和梁段翼板荷载
19、,荷载分布情况见图14。工况二:挂篮在走行过程中,滑梁承受外模自重, 图14 荷载分布图荷载分布情况见图15:利用MIDAS分析软件计算得两种工况外滑梁最大剪力、最大弯矩、最大挠度和,强度、刚度计算如下:最大剪应力最大弯曲力最大挠度应满足式中 梁段为4m时,一般为5m; 由最长梁段决定,在最长梁段为4m时,为4m。 (3)内模系统。内模模板采用P3015钢模板,在这里不进行计算。内模桁架由单独的桁片组成,桁片间距一般为0.71.0m,检算时计算受力最大的桁片。桁片荷载根据高度变化为梯形荷载,荷载分布见图16。内滑梁计算时工况:挂篮在悬灌过程中,滑梁承受挂篮内模系统自重和梁段顶板荷 图16 荷载
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