菱形挂篮的设计制作应用Word文档下载推荐.docx

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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一等高桁梁，其受力特点是：

底模平台及侧模支架所承荷重均由前后吊杆垂直传至桁架节点和箱梁底板上，故又称吊篮式结构,桁架在梁顶用压重或锚固或二者兼之来解决倾覆稳定问题,桁架本身为受弯结构。

见图４－1。

图4－1平行桁架式挂篮　　　　　　　　　图４-2平弦无平衡重挂篮

2.1.2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,根据需要沿主桁纵向滑移,并在主桁横移时吊底模平台及侧模架。

由于挂篮上部荷载作用在主桁架上的力臂减小，大大减小了倾覆力矩,故不需要平衡压重，其主桁后端则通过梁体竖向预应力筋锚固于主梁顶板上。

见图4－２。

2．１.3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的，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，其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，故大大减轻自身静荷载。

见图4-3。

图４-3菱形挂篮

2.１．4滑动斜拉式挂篮

滑动斜拉式挂篮在力学体系方面有较大突破,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）固定，主梁的纵向倾覆稳定由后端锚固压力维持。

其底模平台后端仍吊挂锚固于箱梁底板之上，见图4-4。

图4-4滑动斜拉式挂篮

2.２挂篮的选择

对现有挂篮的施工特点、操作工艺、用料情况等进行了分析和研究，结合巴阳1号、2号桥的具体情况进行了比选,参考了国内近年来使用的挂篮，最后决定采用菱形桁架式挂篮,菱形挂篮主

要有以下优点：

菱形挂篮主桁架杆减少，传力简洁,受力明确,锚杆及吊杆采用精轧螺纹钢制作，成本低,加工简单,安装方便，易于操作。

菱形挂篮主桁具有一定的通用性，能够适合于本桥浇筑段长度有变化的特点。

菱形挂篮支腿高,通行方便,施工作业空间大。

主桁斜拉杆截面有增大的空间，能提高挂篮的整体刚度。

主桁梁加载试验用千斤顶即可进行，方法简单，省时省工,又能降低试验费用。

3挂篮的设计

3.1设计原则

⑴满足钢结构强度、变形要求；

⑵具有可操作性,材料节省;

⑶荷载考虑要偏大，构件设计尺寸要足够，从而确保整个挂篮系统偏于安全。

３.2设计依据

3.2.１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表4-1。

巴阳2号特大桥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（cm）

1#

233.２5

3.5

1０.20~9.7５

7０

89.７1

1１7.８~１14．3

6#

2２4.8

４.0

８．０4～7．５8

70

86.４６

100．4～9６．５

14#

167.9３

4.5

4.8２～4.4６

6０

64.59

68．7～64.2

20＃

12６.６２

４.5

３.14~3.0２

5０

4６．５５

41.9~３7．５

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表4-１　

3.2．２规范规定

３.2.2.１设计方法

巴阳2号特大桥挂篮的设计按照“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=2０ｍm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。

3.2.2.2钢材强度

A３钢:

取允许应力ｆ=１90Ｎ/mm2=190ﻩMPa

　　E＝2．06×

105mMPa　　　Ｐ=7850kg／m3　

　　精扎螺纹钢Ф3２抗拉强度бｂ=1０00MＰａ,

E=2.06E5MPａ　　伸长率δs≥７％

3.2.2.3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/300=6０00mm/300＝2０mm,　

L——悬臂长度；

３．2.2．4受弯构件的计算内容

①强度Ｍ／r.Ｗ＝Ｍ/１.０5W≤f　

r——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）；

３.2.2.5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+ΑβﻩｍｘM/ＰW（1－0.8N/Nex）=　N/ΦA+1.０Ｍ/１．05W（１-０.8Ｎ／Nex）

Nex——欧拉临界力　　　　　　Ｎｅｘ=π２ＥA／λ2

3．２.3设计指标

⑴最大变形

最大变形量δ≤2０ｍm

⑵挂篮重量和最重梁段比值

挂篮总重量与最重梁段重量的比值n＜0.４５

⑶构件、节点材料强度符合规范要求。

⑷结构形式和基本尺寸

根据最重梁段结构尺寸和施工需要，确定挂篮基本结构尺寸。

３.３挂篮设计中所采用的系数

灌注混凝土时,梁段混凝土动力系数1．2；

空载移动时挂篮动力系数1.3。

灌注混凝土时的稳定系数均大于1．5。

挂篮行走时抗倾覆稳定系数大于2。

容许应力的提高系数1.３~1.5。

结构的稳定系数>

１.５。

挂篮构件具用通用性,可全部或部分周转性使用于其他桥梁,以降低摊销费用。

4挂篮设计计算与结构介绍

4．1挂篮主桁尺寸的选择

挂篮主桁架尺寸选取原则主要基于以下四点:

①满足悬臂浇筑的要求,能够适合不同长度的浇筑梁段。

②满足施工工作面的要求,使施工人员有作业空间。

③各个杆件受力基本相等,即按等强度设计，这样可以优化结构,节约钢材及制造费用。

④巴阳2号桥施工中挂篮浇筑分段长度为3．5m、４．0ｍ、4．5ｍ,因此每个杆件的水平方向投影长度为6m。

4．2挂篮主桁各个杆件的内力计算

4.2.1荷载的确定

计算中,考虑主桁架的前支点承受荷载,为了安全考虑结构的变形,荷载的取值采用以下原则:

单片主桁架的前吊点在正常工况下承担浇灌段梁重量的１/４,最不利工况（考虑混凝土浇筑时发生偏心）下承担浇灌梁重的１／3。

根据挂篮所浇筑梁段的重量，对荷载进行了分类,见表４－2。

前节点上的荷载取用10０t,计算方法采用理论力学中的力平衡法,计算结果如表４－3。

挂篮所浇筑梁段主桁各个杆件承受的荷载表

　　　　　　　　　　　表4－２

序号

梁段编号

重量（ｔ）

荷载归类

1/4荷载（t）

1/３荷载（ｔ）

1

2０

120.６2

初载

30.２

40.２

2

14

１６７．93

中载

４2

56

3

6

２2４．8

重载

５6．2

7４.9

4

２33.２5

满载

58.3

77．８

５

300

超载

75

100

主桁各杆件内力

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表4-3

杆件号

Ｎ１

Ｎ2

N３

N4

N５

内力大小（t）

142．8

-1４6.２

-1４4．3

167．８

-135.3

4.2.2挂篮主桁杆件截面的选取

设计截面时,针对每一根杆件设计不同的截面，在理论上是比较恰当的，但在实际施工过程中，由于截面变化而带来的制造费用要高于采用不同截面节省下的费用,因此在设计时,采用相同的截面。

根据前各个杆件轴力计算结果。

，钢板厚度δ＝１６~２５mm时，屈服强度为f=３25N／mｍ2。

根据同类工程经验,刚度是受力主桁计算的主要控制因素，另外，为了制造方便，采用热轧普通槽钢型钢。

同时在两端用20mｍ厚的钢板将截面焊合，形成一个封闭性的箱形截面。

主桁杆件材质采用1６Mn钢材

5.挂篮的结构形式

5.1挂篮工作示意图

根据具体施工要求，挂篮工作时的截面如图4-５所示。

图４－5挂篮工作示意图

5.2挂篮结构形式

５.2．1挂篮组成

菱形挂篮由菱形桁架、提吊系统、走行系统、模板系统四大部分组成。

5.2.2挂篮各部分构造

A、主体桁架

菱形桁架是根据悬臂灌注钢筋混凝土施工工艺要求,分析国内各种挂篮的施工特点,吸取有关挂篮的优点,经过研究确定的结构型式，主桁架为两片分别竖于箱梁腹板位置,其间用2×

18#槽钢和δ10mm钢板组焊成横向平面联接系。

每片主桁架的上下弦杆、斜杆及竖杆均采用槽钢，再用δ20mm钢板组焊成箱形截面，杆端采用φ9６mm的（4５#钢）钢销栓与节点箱连接。

桁架前端节点箱处放置一根前横梁,前横梁为三角式桁架梁,由2×

２2＃槽钢和2０mm厚的钢板组焊成上、下弦杆;

2×

20＃槽钢和厚20ｍm钢板组焊成斜杆;

１８#槽钢和厚20mm钢板组焊接成竖杆。

横梁下弦设置8个吊点,吊起3根由2Ⅰ40b工字钢和厚20mm钢板组焊成的传力分配梁,其中中间传力分配梁用4根直径为３2mmⅣ级精轧螺纹钢悬吊,上下用螺母连接；

２根外分配梁各用２根直径为32ｍmⅣ级精轧螺纹钢悬吊。

前横梁上弦与上节点箱用钢销栓联接成直角三角形,形成稳定的联接体系。

后横梁的上弦座在上节点箱上,下弦固定在菱形桁架竖杆上,用钢销栓连接,结构截面与前横梁相同。

后横梁下弦外侧各设二个吊点（共4个吊点）,4根吊杆,二个传力分配梁，截面形式同上。

传力分配梁上设置穿心液压自销千斤顶14个,其中８个千斤顶用8根吊杆（直径32mmⅣ级精轧螺纹钢）吊起底模架;

用4个穿心自锚液压千斤顶通过4根吊杆（直径32mmⅣ级精轧螺纹钢）吊起外模滑移梁，用2个穿心自锚液压千斤顶通过2　根吊杆（直径32ｍｍⅣ级精轧螺纹钢）吊起内模滑移梁。

前后横梁和横向水平联接梁起到将两片菱形桁架连成稳定的整体结构的作用。

B、前吊杆

前吊杆的作用是将悬臂灌注的混凝土重量和模板及施工人员、机具重量传至桁架上。

前吊带杆由直径32mｍⅣ级精轧螺纹钢组成,调节螺母即可适应梁段的高度变化。

C、后吊杆

后吊杆的作用是将挂篮承受荷载的一部分传至箱梁底板。

4根直径3２mmⅣ级精轧螺纹钢和后传力分配梁连接在后横梁下弦。

2个传力分配梁和４根吊杆（直径3２mｍⅣ级精轧螺纹钢）及2个穿心自锚式液压千斤顶承受箱梁后段荷载。

D、模板

箱梁前侧模板采用大块钢模板，用10#工字钢和10＃槽钢及δ6钢板制作而成，纵向长度4500mm,在梁高范围内分为３块,以便梁高变化时进行调整。

外侧模支撑在外模走行梁上，走行梁前端通过吊杆悬吊在桁架横梁上,后端通过吊杆悬吊在已完成的箱梁顶板上（在浇筑顶板时设置预留孔），后吊杆与走行梁间设有后吊架,后吊架上装有滚动轴承，挂篮行走时，外侧模走行梁与外模一起沿后吊架滑行。

内模由内模架、模板、横竖带及调整丝杠等组成。

内模架吊在2根内模走行梁上,走行梁前端吊在桁架横梁和传力分配梁上，后端吊在已完成梁段顶板上（设置顶板预留孔），内模架可沿走行梁滑行，模板除上下梗肋处用特制模板外，其余均采用组合钢模板。

底模由底模架和底模板组成。

底模架用30#槽钢和厚20mm钢板作纵梁，2根3０＃工字钢作前后横梁,分别用前吊杆及后吊杆吊至桁架横梁及箱梁底板上。

为保证足够的刚度,底模采用厚8mm钢板和20＃、30＃槽钢形成整体。

底模长4.5m,可满足４　m梁段的需要，宽度比箱梁底宽少8ｍm,两外边缘固定5~6mｍ橡胶板，在浇筑砼时，外侧模与底模夹紧，以防漏浆。

E、走行系统

走行系统分为菱形桁架走行系统、底模、外模走行系统及内模走行系统四部分。

菱形桁架走行系统,在两片桁架下的箱梁顶面各铺设两根Ⅰ40ａ工字形轨道（轨道用钢板组焊）,轨道顶面放置前后支座,支座用螺栓与桁架节点箱连接。

前支座沿轨道滑行，支座底部焊接不锈钢板,走行轨道顶铺设四氟滑板，走行时在滑板顶涂抹润滑油,以减小摩擦系数。

后支座以反扣轮的形式沿轨道顶板下缘滚动，不需加设平衡重,用两个自锚液压腿推进，菱形桁架即可向前移动。

轨道长度按梁段划分长度制作,分３m和4m两种,每种３节,其中一节倒用。

利用梁部竖向预应力筋将轨道底板锚固,挂篮悬臂灌注施工时,再用6根直径32mm精轧螺纹钢筋将轨道下钢枕与挂篮后节点箱锚固,使后支座反扣轮不受力。

底模、外模走行系统：

底模、外模同步走行。

脱模前用导链将底模架吊在外模走行梁上，解除后吊带,脱模后，随桁架一起向前走行。

不需另配牵引动力。

内模走行系统：

内模脱模后,内模架落在内模走行梁上,用人工推动既可将内模架移至下一个梁段。

5.3挂篮受力主桁架的受力和变形分析

5.３.1挂篮受力主桁架的平面分析

根据本挂篮的受力特点，在计算分析中将其简化为平面结构，采用平面杆件的有限元模式进行分析。

桁架同浇筑模板连接的地方,采用铰接的方式。

5.3.2挂篮主桁架平面计算简图

节点取为铰接点基于以下考虑：

实际结构是非常复杂的,完全按照结构的实际情况进行力学分析是不可能的，也是不必要的，因此在计算过程中必须对实际结构进行简化，略去不太重要的细节，显示其基本特点，对于结构的连接,通常情况下有两种理想情况:

铰接点和刚结点。

本工程中，节点实际状态处于刚结点与铰接点之间,铰接程度稍大一些。

但是杆件的位移是本次挂篮施工的控制性要素,位移大小，关系到悬臂施工过程控制的成败,同时也关系到挂篮工作的安全与否，所以计算过程中，偏于安全考虑，节点形式取为铰接节点。

图4-6挂篮主桁架平面计算简图

5.3.3挂篮受力主桁架的荷载取值

计算中,考虑主桁架的前支点承受荷载，为了安全考虑结构的变形，荷载的取值采用以下原则:

单片主桁架的前吊点在正常工况下承担浇灌段梁重量的１／４，最不利工况（考虑混凝土浇筑时发生偏心）下承担浇灌梁重的1/3。

根据挂篮所浇筑梁段的重量，满载的时候为270．7t，超载时候为３00t。

5.3.4计算中的参数

由于主桁架的各个杆件通过节点板,用销钉连接起来。

所以在计算中采用了杆件单元。

弹性模量：

；

泊松比：

线膨胀系数：

5.4挂篮分析的三维有限元模型

5.4.1计算假定

挂篮施工时整个结构由挂篮、待浇筑的混凝土和已浇筑的混凝土组成,整个结构的行为具有明显的空间性。

目前看来,现有的分析,集中在对受力主桁架的平面桁架分析上，对挂篮各个构件的分析都是将其分离,然后对荷载进行估计，进而得出挂篮各个部分的受力与变形，用来指导设计和检验。

挂篮的受力和变形，不仅对于挂篮自身的刚度和强度比较重要，而且,在刚构桥的施工控制中,对于预拱度的设置也起非常重要的作用。

所以对挂篮施工时候的结构，进行三维的整体性分析，非常必要和重要。

对结构进行三维有限元分析的关键是对结构作出符合实际的模型简化。

以往的挂篮分析中,往往是将混凝土截面分块，分别施加在挂篮上。

同时对施工人群荷载简单地作用在节点上,没有完全符合实际施工中的情况,对于具有明显空间和整体效应的挂篮施工时的结构就难以体现实际情况了。

另外,结构的各个部分的有限单元的类型、性质及相互之间的连接等的简化对分析结果也将产生很大影响。

根据对挂篮设计和施工蓝图的认真研究,其三维有限元分析模型建立如下:

①浇筑梁段为后张拉三向预应力混凝土,所受内力以压为主，质量占整个结构的绝大部分。

分析中采用８节点的三维块体单元。

②模板在结构中起着将混凝土的重量传递给挂篮的作用，质量较小,厚度不大,分析中采用板壳单元。

③挂篮的前端下横梁，后端下横梁以及前端上横梁，设计中采用型钢组合截面，主要为平面变形和受力,分析中，采用二维梁单元。

④挂篮的后端主桁架和承重吊带,截面变化不大，主要承担轴向荷载,两端采用销结的固定方式,计算中采用三维杆件单元模拟。

⑤考虑到结构和荷载自身具有对称性,可仅建立结构的一半模型分析,但为了整体分析挂篮结构的受力和变形,仍采用全模型进行计算。

有限元模型共有9449个节点，180４9个单元。

5.4.2荷载及荷载工况

结构上的荷载考虑有混凝土的自重（取重量最大的1号段进行分析）　、施工的挂篮荷载以及施工中的人群荷载。

控制荷载工况有:

荷载组合一:

混凝土重量+挂篮自重＋人群和施工机具重；

荷载组合二:

混凝土重量+挂篮自重+混凝土偏载＋人群和施工机具重;

荷载组合三:

混凝土重量＋动力附加荷载+挂篮自重+人群和施工机具重量；

浇筑的混凝土梁段位于挂篮前端和后端、梁段后端进行固结约束。

５.4．3分析内容和方法

分析中对结构进行了静力分析,采用AＮSYＳ有限元软件进行分析。

分析用的力学模型及网格划分见挂篮有限元分析三维模型及网格划分。

图４－7挂篮有限元分析三维模型及网格划分

根据《钢结构设计规范》中的吊梁的允许挠度，取桁架挠度允许值为1/60０，即前吊点处的下挠度值不大于１６.7mm。

在控制荷载工况下挂篮受力主桁架挠度计算值

　　　　　　　　　　表４-4

载荷分类

Ｎ1（t）

N2（t）

Ｎ3（t）

N４（t）

N5（t）

挂篮下挠量（mm）

竖杆前移量（ｍｍ）

１/4荷载

（t）

6８

97.8

-100.2

-１00.４

115.1

-6.6

-1.５

7５.

108.28

-110.8

－111.０

127.4

０

-７.3

-1.6

1/３荷载

（ｔ）

8８

12９．3４

-13２.5

-1３2.0

-１52.3

－8．8

-2

10.

14４.

-14７.2

-146.8

169.5

-9．7

-2.２

根据以上计算结果，可以得出挂篮受力主桁架挠度符合规范要求。

根据各个杆件的受力，对各个杆件进行了强度校核，拉杆的强度、压杆的稳定性检核通过。

5.4.4挂篮三维有限元计算结果分析

５.4.4．1挂篮主桁架下挠分析

为了在有限元分析中，比较客观地模拟混凝土浇筑时的力学状态，在分析中对混凝土的弹性模量分别采取了:

1０-6E,1

10-5Ｅ，1

10－4E,5

10-4E,1

1０－3E,　1

１０-2Ｅ,1

1０－1E,E。

挂篮主桁架下挠度值可见图《挂篮主桁架前吊点下挠值与弹性模量的关系图》。

弹性模量只有原来的１

10-6E时,可以认为所计算的混凝土段处在的浇筑过程中，此时挂篮主桁架下挠为5.1ｍｍ＜[δ]=１6.7ｍm。

在弹性模量在取0.１E时,计算出的变形值（3.０4mm）同取E时的变形值（3.0０mm）接近了。

图４-8挂篮主桁架前吊点下挠值与弹性模量的关系图

混凝土梁段位于挂篮前端和后端时的前吊点下挠计算分别为５．７mm和5.9ｍm,满足刚度要求,考虑人群荷载全部集中在模板的前端以及挂篮的大部分重量集中在前吊点上时的最不利情况，下挠值为5．０28mm＜［δ]=１6.7mm。

5.4.4.2挂篮各个杆件的强度分析

根据各个杆件的受力状况,对各个杆件进行了强度校核，拉杆的强度、压杆的稳定检算以及节点板的验算,均通过。

混凝土段端部约束对计算结果的影响

有限元分析中，由于对主梁的端部采用的是３个方向上铰接,与实际的约束情况没有完全相符,因此分析了铰接，固接以及从0号段延长真实约束。

对比前吊点的位移值发现,结果相差不大（结果见表4-4）。

计算中采用铰接约束是可行的。

前吊点在不同约束情况下的位移值

　　　　　　　　　　　　表4-５

约束形式

铰接

固接

真实约束

位移值（ｍm）

3.1

３.0

3.0

5.4.4．3结论

通过对挂篮的平面和三维分析，可以得出以下结论：

a.菱形挂篮的主桁架设计合理,各个杆件之间受力比较均匀，有利于节约材料。

ｂ.平面和三维分析的各项结果表明,挂篮结构的各项指标均满足相关要求。

c．挂篮主桁架的前吊点的下挠是整个挂篮结构刚度的控制因素,是主梁悬臂浇筑的线性控制中重要的参数。

d.平面计算模型的计算结果精度上是可靠的,相对三维的分析结果，相应数值较大,结果相对保守。

在挂篮的平面计算中,必须正确估计主梁重量对挂篮主桁架的贡献。

e.三维有限元分析较为真实地反应了挂篮施工时的受力和变形状况。

克服了平面桁架分析的不足，在重要工程的挂篮分析中,有必要对挂篮结构进行三维有限元分析。

6挂篮的现场试验验证

为确保悬臂灌注施工安全，检验挂篮受力状况，必须测定挂篮弹性及非弹性变形。

在挂篮使用之前进行荷载试验,挂篮荷载试验分为检验菱形架受力状况的菱形架预拉试验和检验