菱形挂篮的评价和优化

摘要:从强度的角度对一菱形挂篮的主要构件进行检算;从刚度、稳定性两方面对挂篮整体进行评定;从安全性和经济性两方面对该菱形挂篮的行走系统、吊挂系统、锚固系统和模板底平台系统进行评价。通过检算和评价指出该菱形挂篮整体刚度和行走系统的经济性存在不足,随之进行相应优化,获得良好效果。

关键词:连续刚构桥;悬臂浇筑;菱形挂篮;优化

1. 概述

挂篮是预制应力砼连续刚构桥梁体悬臂浇筑的专用设备,随着施工技术的不断改进,挂篮已由过去的压重平衡式发展成现在通用的自锚平衡式。自锚平衡式施工挂篮主要有三角斜拉式、菱形桁架式和贝雷桁片组合式挂篮三种。菱形挂篮具有受力明确、结构简单的特点,因此,在施工中得到了广泛的应用。

菱形挂篮的不足是挂篮外宽尺寸大于桥面宽度,当两幅桥分隔间距很小时,挂篮整体移动较为困难。

2. 挂篮基本组成

桂澜大桥主桥为预应力混凝土连续箱梁桥,跨径布置为63+90+63m,主梁为单箱双室截面,垂直腹板。单箱顶宽19.3m,底宽12.3m,翼缘板长3.5m,支点处梁高5.5m,跨中梁高2.8m,梁底缘按1.8次抛物线变化,最大梁段重量为180吨;梁段划分节段长度为三种,分别为3米、3.5米和4米。经过比选,施工中选用菱形挂篮。

挂篮设计的主要参数如下:适用的最大梁段重量180吨;适用的最长梁段4m;梁高的变化2.3~4.3m,最大的梁宽为顶板21.5m,底板11.8m;采用无平衡重走行,挂篮设计的总重量70吨;挂篮利用效率系数2.6。

挂篮形式如图1示,各主要系统的组成如下:

(1)主桁架系统 采用型钢组件拼装成“口”字形并拴接和焊接而成菱形主构架。

(2)吊挂及锚固系统 吊带采用φ32精轧螺纹钢,吊挂在支承在主桁架上的前上横梁上,锚固采用φ32精轧螺纹直接锚固在已经浇筑完成的混凝梁段上。

(3)模板底平台系统 采用由钢模板平铺于纵横型钢梁所组成的网架上。

(4)走行系统 采用钢板和槽钢组焊轨道,上接轴承走行轮。

3. 挂篮的评价

3.1 主要构件强度、刚度检算

(1)底平台分配梁

分配梁计算结果如表1 所示,从表中可以看出,各分配梁截面最大应力均不超过规范允许值215 ,说明各分配梁强度满足要求。

表1 分配量计算结果表

分配梁 最大弯矩

() 截面最大应力

() 最大挠度(mm)

分配梁K1 47.5 84 9.3

边腹板分配梁K2 112 100 4.6

中腹板分配梁K2 193 110 7.7

(2)上横梁

上横梁最大弯矩为209kNm,故横梁的最大弯曲正应力为

;

最大剪力为:258kN,故横梁的最大剪应力为:

;

取边支点上横梁截面作为验算截面,该截面正应力:,剪应力,换算应力:。

上横梁强度满足要求。

(3)吊带

吊带设计为直径32的精轧螺纹钢,设计荷载为600KN,前吊带所承受的最大拉力为158kN,吊带最大变形量为:

,满足强度刚度要求。

(4)后下横梁

行走时后下横梁最大截面弯曲应力:;

后上横梁的最大拉应力为;

立柱桁架P1的最大拉应力;

立柱桁架P3最大应力:。

后下横梁满足强度要求。

(5)主桁架

由以上前横梁的计算可得到作用于三片主桁架上的作用力分别为:393kN,379kN,393kN,400kN作用于主桁架前支点处,各杆件的轴力如图2所示:

图2 主桁架受力分析图

立柱B压应力为:;

斜撑E压应力为:;

C杆拉应力为:;

D杆拉应力为:;

A杆压应力为:。

各杆件均满足强度要求。

由上面检算可以得知:各构件的强度、刚度均能满足要求。

3.2挂篮整体刚度和稳定性评定

(1)挂篮整体刚度

在挂篮自重浇筑梁段的作用下,总变形量(不包括前横梁在吊带作用下的变形)为26.5mm, 其中主桁架的变形量为16.5mm,吊带的变形量为10mm。按以往经验,挂篮自重产生的变形量约占25%,因此,挂篮在浇筑梁段作用下的变形量为26.5mm×0.75=19.88mm

(2)抗倾覆性

为克服挂篮前倾覆荷载,采用直径为32mm的精轧螺纹钢作为后锚筋,锚固在以浇好的箱梁顶板上。1根直径为32mm的螺纹钢筋的最大抗力为600kN吨。后端采用2根精轧螺纹钢来抵抗挂篮在荷载作用下的前倾,其抗倾覆系数为120/40=3>2,满足稳定要求。

从上面的分析可以得知:整体满足稳定要求。挂篮的总变形量基本能满足刚度要求,刚度储备较小。

3.3 行走系统评价

桁架走行系统按如下布置:在3片桁架下的箱梁顶面铺设3条用钢板和槽钢组焊的工字形轨道,轨道用精轧螺纹钢锚固于已经浇筑好的梁段上,而主桁架通过设有轴承走行轮与轨道相连接(见图3)。这种设计轨道走行方便,但由于走行轮是机加工件,加工费用较高,工地加工困难。

3.4 锚固系统

挂篮锚固系统采用φ32精扎螺纹钢将挂篮锚固于已经浇筑好的梁段上,这种锚固方式操作方便,安全可靠。

3.5 模板底平台系统

模板底平台系统由钢模板和纵横型钢组成。钢模板平铺于纵横型钢梁所组成的网架上,其中在底板采用普通2[25b型钢纵梁来承受底板的荷载,而在腹板处,由于腹板的荷载较大,因此采用2[40a组成的加强型钢纵梁来承受腹板荷载。另外,为适应阶段前后端梁底标高的变化,分配梁通过支承铰座与横梁连接。此外,为加强底平台整体性,分配梁设置平面连接系。综上所述,模板底平台系统设计合理,考虑全面。

4. 挂篮的优化

通过上面评价可知:挂篮各构件的强度、刚度均能满足要求,整体满足稳定要求。挂篮的总变形量基本能满足刚度要求,挂篮设计轨道走行方便,锚固系统及模板底平台系统设计合理。但尚存两点不足:第一,挂篮总变形量虽然基本能满足刚度要求,但刚度储备较小(与规范规定值差0.12mm),存在一定的安全隐患;第二,行走系统设有轴承走行轮,设计轨道行走方便,但由于走行轮是机加工件,加工费用较高,工地加工困难。

针对上述两点不足,我们对挂篮进行优化。

4.1 加强挂篮整体刚度

加强挂篮整体刚度时采取两个措施,第一,改变主桁架的D、B杆的型钢规格。 D杆原采用2[22b,改为2[28b;B杆原采用2[20b,改为2[25b,改进后,主桁架的变形量为12.5mm;第二、增加中间吊带的根数。原来设计采用4根吊带,改进后采用6根,按1、2、2、1的方式分布,将中间吊带两根并在一起,以达不减少前端的工作空间的目的,改进后,吊带的变形减少为5.07mm。挂篮的总变形量为17.5mm×0.75=13.12mm

4.2 行走系统改进

在参照和借鉴了其它挂篮的成功经验的基础上,将轴承走行轮改为后钩板的形式(见图4)。后钩板用[22b和[10钢和厚10 mm的钢板竖肋焊接而成,后钩板的强度,由其竖肋来调整。使用时将轨道上缘下面涂上黄油。试用结果表明,改动后挂篮的移动速度较改动前稍慢,但安全可靠,加工费用低,经济上存在优势。

5. 结论

该菱形挂篮各构件的强度、刚度均能满足要求,整体满足稳定要求。挂篮的总变形量基本能满足刚度要求,挂篮设计轨道走行方便,锚固系统及模板底平台系统设计合理。但尚存两点不足:第一,挂篮总变形量虽然基本能满足刚度要求,但刚度储备较小(与规范规定值差0.12mm),存在一定的安全隐患;第二,行走系统设有轴承走行轮,设计轨道行走方便,但由于走行轮是机加工件,加工费用较高,工地加工困难。针对这两点不足,本文对挂篮进行了优化。首先通过增加主桁架B、D杆的型钢规格和增加吊带根数以提高挂篮的整体刚度;其次将轴承走行轮改为后钩板,降低加工费用。

参考文献 :

[1] GB50017―2003.钢结构设计规范[S]

[2] JTJ041-2000.公路桥涵施工技术规范[S]

[3]王惠东,邵丕锋,挂篮施工技术综述.铁道标准设计[J],2001(4)

[4]庞尔林.对菱形挂篮的几点改进,铁道建筑技术[J],1999(4)