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摘要：本文结合工程实例对挂篮的构造作了详细介绍，并用有限元软件对菱形挂篮建立空间模型，对挂篮各主要受力构件进行检算，计算结果表明各主要受力构件的强度、刚度及变形均满足规范要求；为进一步验证挂篮的安全可靠性，通过模拟悬臂浇筑梁段最大重量对挂篮进行了试验，分五种工况对单片菱形架进行加载，试验结果表明，挂篮菱形架的设计有足够可靠的刚度储备，能够安全使用。
关键词：菱形挂篮；悬臂浇筑；构造与设计；挂篮试验
Abstract: combining with engineering examples in the structure of the hanging basket in detail, and the finite element software to build space model diamond hanging basket, the main force of hanging basket by calculating cots, the calculation results show that the main stress components of the strength, stiffness and deformation will meet the standard requirement; To further test the safety and reliability of the hanging basket, through the simulation of the cantilever beam section maximum weight hanging basket to the test, points to five conditions of single piece of diamond frame for loading, the test results show that the diamond frame hanging basket to design of the stiffness of the reliable enough reserves, safe to use.
Keywords: diamond hanging basket; The cantilever; Structure and design; Hanging basket test
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
1 工程概况
小榄水道特大桥为广珠城际快速轨道交通的正线双线特大桥，全长7686.57m，共217个墩台，孔桩1792根，其中主桥为（100+155+100）m刚构连续梁，梁形式为单箱单室变截面预应力混凝土连续箱梁。箱梁根部梁高为10.5m，顶宽11.6m，底宽8.0m，主墩采用V形墩，基础采用钻孔灌注桩基础。采用悬臂浇筑法施工，梁段长度为3～4.5m，最大梁段重为249.4t。
2 菱形挂篮构造与设计
在悬臂浇筑过程中，挂篮是最重要的施工设备，其刚度、强度和稳定性对桥梁施工安全和质量关系重大。挂篮的种类很多，综合考虑桁架式、斜拉式、钢板式等多种挂篮结构的特点，本工程选用受力好、安全可靠的菱形桁架结构作为挂篮承重主桁。该菱形挂篮主要材料以型钢为主，拼装而成，对荷载的敏感性较低，稳定性较好。其特点是外形美观、结构简单、杆件受力明确、挂篮前端及中部工作面开阔，组装方便，可反复利用。
2.1 挂篮技术性能指标
根据挂篮设计任务及特点，同时能够满足顺桥向在6.5m以内，横断面在11.6m范围内的悬浇块段的施工，本挂篮的主要技术性能指标如下：适应最大梁段重量:3000KN（不含挂篮自重）；挂篮自重:1300KN（包括模板、小型施工用具）；挂篮主桁前端臂长5.5m，挂篮主桁后端臂长5.3m，挂篮主桁高度4.0m；适应最大梁段长度:4.45m；最大梁顶宽度:11.6m，底板宽度为8m；走行方式:无平衡重走行，行走倾覆安全系数大于2.1。
2.2 挂篮方案比选
2.3 挂篮总体构造设计
挂篮有主桁承重系统、悬吊系统、走行系统、锚固系统以及模板系统等部分组成，挂篮总体长度为10.8m，悬臂段长5.5m，简支段长5.3m。挂篮主要受力构件由两片菱形框架组成，而每片桁架由5根特制杆件组拼而成。两片主桁的间距为7.76m；前上、下横梁长为11.0m，由2根工字钢焊接而成。菱形挂篮布置如图1所示。
图1菱形挂篮示意图
主桁承重系統由两片外型呈菱形的桁片通过横向联接系组成一空间桁架，主桁杆件采用2[36b组焊而成，杆件之间采用节点板销轴连接；每个菱形桁片由2个拉杆和3个压杆组成。
悬吊系统由前上横梁及吊带组成，其中吊带包括底篮前吊、底篮后吊、滑梁前吊、滑梁后吊、滑梁架底模下吊带组成，吊带均为Q345钢带用销轴联接而成。每件均由1个双孔吊带（L=4.0m）和1个多孔吊带（L=4.0m）用销轴联接而成；滑梁后吊安装在箱梁底板上，共4件，每件均由1个L=4.0m的多孔吊带组成；滑梁架底模下吊带共6件，其中4件用于滑梁架，安装在箱梁顶面板上，2件用于底模平台吊带，安装于箱梁内室两侧，每件吊带长度L=2.6m。
走行系统由轨道、钢枕、前后支腿、手拉葫芦等组成。轨道由H型钢和δ=29mm钢板组焊而成，并由竖向精轧螺纹钢锚固。前后支腿各2个，前支腿支承在轨道顶面，下垫φ20圆钢。后支腿通过反扣轮沿轨道顶板翼缘下沿滚动，无需加设平衡重。
锚固系统利用8根φ32精轧螺纹钢锚固在已成梁段上，轨道锚固在已成梁段的竖向预应力筋上，锚固时，利用千斤顶将后支腿反扣轮脱离轨道，然后锚固。
模板系统包括侧模、底模和内模。侧模支承在外模走行梁上，走行梁前端通过吊杆悬吊在前上横梁上，后端通过吊架悬吊在已浇筑好的箱梁外侧顶板上，侧模面板采用8mm钢板，法兰采用14mm钢板；底模由前、后下横梁组成；内模由纵带、托架、内模竖带、销轴和组合钢模板组成。
3 挂篮内力及变形检算
挂篮计算采用MIDAS Civil用梁单元建立空间模型，本模型共划分309个节点，341个单元，计算模型见图2。
3.1 挂篮设计参数
为使挂篮构造设计达到经济和合理，首先要确定合理的设计参数，根据规范和标准，确定挂篮设计参数为：挠度容许值:；箱梁荷载:最大施工荷载1号块，重249.4t；挂篮强度安全系数k=1.2；施工人员及施工机具荷载:；Q235钢：。
图2挂篮有限元模型
3.2 挂篮主要受力构件检算
取对箱梁1＃块进行施工时的工况进行计算，箱梁1＃块长度为3米，计算在该工况下挂篮主要受力构件的强度和刚度，计算结果见表1。
3.3 挂篮检算结论
（1）挂篮总体设计方案可行，结构计算方法基本正确，从表1可以看出：挂篮各主要受力构件强度安全系数＞1.2，各受力构件强度、刚度满足规范要求；
（2）箱梁1＃块在浇筑工况下，各受力构件挠度小于，挂篮前端位移≤20mm，满足挂篮变形控制要求。
4 挂篮试验
为进一步验证该挂篮设计的安全可靠性，对挂篮进行试验，挂篮试验总体方案为：在台架上利用滑轮组对菱形架施加竖向荷载，测量菱形架的变形，验证其安全性。
4.1 试验设备、方法及原理
试验台架主要由2根台架主梁、2组上下滑轮组、钢丝绳、手拉葫芦、支承扁担、锚固用精轧螺纹钢和荷载显示装置等组成。将台架主梁平放在竖固的工作场地上，将台架主梁定位，安装菱形架和横联，挂上滑轮组，缠绕钢丝绳，安装10t手拉葫芦，安装测力荷载显示装置，拉动手拉葫芦，手拉葫芦通过滑轮倍率加载到菱形架上，实现挂篮试压，测量菱形架的变形并扣除台架主梁的变形值，得出菱形架的变形值。手拉葫芦通过滑轮倍率加载到挂篮菱形架上，测量装置型旁压试测力传感装置，在荷载显示器上直接读出荷载值。
4.2 试验测点布置及加载工况
变形（下挠度）测点布置在菱形架前端，为了消除主梁支点变形的影响，在菱形架中间、后端各布置变形测点，菱形架前端实际下挠量应消除这部分的影响，在相应部位布置测点，采用高精度水准仪进行测量。菱形架变形测点布置如图3所示。
图3 菱形架变形测点布置示意图
荷载试验采用分级加载方法，模拟悬臂浇筑梁段最大控制重量，单片主桁架加载分五种工况：前四种为1.1倍动荷载与1.05倍偏荷载及1.05倍混凝土超载组合，单片桁架共加载90t，主要测定挂篮的弹性变形及非弹性变形；第五种工况（超载试验）为1.25倍静荷载与1.05倍偏荷载及1.05倍混凝土超载组合，单片桁架共加载102t，主要测试挂篮的安全性。
4.3 试验测试结果
通过对五种工况的加载试验，利用计算公式，下挠值，菱形架 变形测试结果如表2所示。
4.4 试验结论
从表2可以看出，菱形架在额定最大荷载90t时的下挠最大值，左片为6.88mm，右片为8.97mm，均小于在额定静载工况时的控制值13mm；在超载荷载102t时的下挠最大值，左片为8.89mm，右片为10.93mm，均小于控制值20mm。挂篮菱形架在超载情况下变形仍然比较小，说明菱形架的设计有足够可靠的刚度储备，能够安全使用。
5 结语
菱形挂篮受力明确、刚度大、外形美观、组装方便等很多优点，虽然其存在上横梁高度偏高，前吊带较长等不足之处，但仍然是目前国内较先进且应用广泛的挂篮之一。通过对挂篮主要受力构件的内力和变形计算，验证了挂篮强度、刚度和变形均满足规范要求；挂篮试验的结果进一步验证了该菱形挂篮具有足够的刚度储备。本挂篮实用性强，稍加改造即可适用于同等类型的斜拉桥、连续刚构桥。挂篮设计将向轻型高效方向房展，以满足大跨度桥梁悬臂施工的要求。
参考文献：
[1] 孙训方，方孝淑，关来泰．材料力学（第四版）[M]．高等教育出版社．2002．
[2] GB50017-2003，钢结构设计规范[S]．
[3] TB10002.3-2005，铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S]．
[4] TB10415-2003，铁路桥涵工程施工质量验收标准[S]．
[5] 谢云理．菱形桁架式挂篮设计及测试[J]．桥梁结构，2006（3）：27-28．
注：文章內所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：菱形挂篮；悬臂浇筑；构造与设计；挂篮试验
Abstract: combining with engineering examples in the structure of the hanging basket in detail, and the finite element software to build space model diamond hanging basket, the main force of hanging basket by calculating cots, the calculation results show that the main stress components of the strength, stiffness and deformation will meet the standard requirement; To further test the safety and reliability of the hanging basket, through the simulation of the cantilever beam section maximum weight hanging basket to the test, points to five conditions of single piece of diamond frame for loading, the test results show that the diamond frame hanging basket to design of the stiffness of the reliable enough reserves, safe to use.
Keywords: diamond hanging basket; The cantilever; Structure and design; Hanging basket test
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
1 工程概况
小榄水道特大桥为广珠城际快速轨道交通的正线双线特大桥，全长7686.57m，共217个墩台，孔桩1792根，其中主桥为（100+155+100）m刚构连续梁，梁形式为单箱单室变截面预应力混凝土连续箱梁。箱梁根部梁高为10.5m，顶宽11.6m，底宽8.0m，主墩采用V形墩，基础采用钻孔灌注桩基础。采用悬臂浇筑法施工，梁段长度为3～4.5m，最大梁段重为249.4t。
2 菱形挂篮构造与设计
在悬臂浇筑过程中，挂篮是最重要的施工设备，其刚度、强度和稳定性对桥梁施工安全和质量关系重大。挂篮的种类很多，综合考虑桁架式、斜拉式、钢板式等多种挂篮结构的特点，本工程选用受力好、安全可靠的菱形桁架结构作为挂篮承重主桁。该菱形挂篮主要材料以型钢为主，拼装而成，对荷载的敏感性较低，稳定性较好。其特点是外形美观、结构简单、杆件受力明确、挂篮前端及中部工作面开阔，组装方便，可反复利用。
2.1 挂篮技术性能指标
根据挂篮设计任务及特点，同时能够满足顺桥向在6.5m以内，横断面在11.6m范围内的悬浇块段的施工，本挂篮的主要技术性能指标如下：适应最大梁段重量:3000KN（不含挂篮自重）；挂篮自重:1300KN（包括模板、小型施工用具）；挂篮主桁前端臂长5.5m，挂篮主桁后端臂长5.3m，挂篮主桁高度4.0m；适应最大梁段长度:4.45m；最大梁顶宽度:11.6m，底板宽度为8m；走行方式:无平衡重走行，行走倾覆安全系数大于2.1。
2.2 挂篮方案比选
2.3 挂篮总体构造设计
挂篮有主桁承重系统、悬吊系统、走行系统、锚固系统以及模板系统等部分组成，挂篮总体长度为10.8m，悬臂段长5.5m，简支段长5.3m。挂篮主要受力构件由两片菱形框架组成，而每片桁架由5根特制杆件组拼而成。两片主桁的间距为7.76m；前上、下横梁长为11.0m，由2根工字钢焊接而成。菱形挂篮布置如图1所示。
图1菱形挂篮示意图
主桁承重系統由两片外型呈菱形的桁片通过横向联接系组成一空间桁架，主桁杆件采用2[36b组焊而成，杆件之间采用节点板销轴连接；每个菱形桁片由2个拉杆和3个压杆组成。
悬吊系统由前上横梁及吊带组成，其中吊带包括底篮前吊、底篮后吊、滑梁前吊、滑梁后吊、滑梁架底模下吊带组成，吊带均为Q345钢带用销轴联接而成。每件均由1个双孔吊带（L=4.0m）和1个多孔吊带（L=4.0m）用销轴联接而成；滑梁后吊安装在箱梁底板上，共4件，每件均由1个L=4.0m的多孔吊带组成；滑梁架底模下吊带共6件，其中4件用于滑梁架，安装在箱梁顶面板上，2件用于底模平台吊带，安装于箱梁内室两侧，每件吊带长度L=2.6m。
走行系统由轨道、钢枕、前后支腿、手拉葫芦等组成。轨道由H型钢和δ=29mm钢板组焊而成，并由竖向精轧螺纹钢锚固。前后支腿各2个，前支腿支承在轨道顶面，下垫φ20圆钢。后支腿通过反扣轮沿轨道顶板翼缘下沿滚动，无需加设平衡重。
锚固系统利用8根φ32精轧螺纹钢锚固在已成梁段上，轨道锚固在已成梁段的竖向预应力筋上，锚固时，利用千斤顶将后支腿反扣轮脱离轨道，然后锚固。
模板系统包括侧模、底模和内模。侧模支承在外模走行梁上，走行梁前端通过吊杆悬吊在前上横梁上，后端通过吊架悬吊在已浇筑好的箱梁外侧顶板上，侧模面板采用8mm钢板，法兰采用14mm钢板；底模由前、后下横梁组成；内模由纵带、托架、内模竖带、销轴和组合钢模板组成。
3 挂篮内力及变形检算
挂篮计算采用MIDAS Civil用梁单元建立空间模型，本模型共划分309个节点，341个单元，计算模型见图2。
3.1 挂篮设计参数
为使挂篮构造设计达到经济和合理，首先要确定合理的设计参数，根据规范和标准，确定挂篮设计参数为：挠度容许值:；箱梁荷载:最大施工荷载1号块，重249.4t；挂篮强度安全系数k=1.2；施工人员及施工机具荷载:；Q235钢：。
图2挂篮有限元模型
3.2 挂篮主要受力构件检算
取对箱梁1＃块进行施工时的工况进行计算，箱梁1＃块长度为3米，计算在该工况下挂篮主要受力构件的强度和刚度，计算结果见表1。
3.3 挂篮检算结论
（1）挂篮总体设计方案可行，结构计算方法基本正确，从表1可以看出：挂篮各主要受力构件强度安全系数＞1.2，各受力构件强度、刚度满足规范要求；
（2）箱梁1＃块在浇筑工况下，各受力构件挠度小于，挂篮前端位移≤20mm，满足挂篮变形控制要求。
4 挂篮试验
为进一步验证该挂篮设计的安全可靠性，对挂篮进行试验，挂篮试验总体方案为：在台架上利用滑轮组对菱形架施加竖向荷载，测量菱形架的变形，验证其安全性。
4.1 试验设备、方法及原理
试验台架主要由2根台架主梁、2组上下滑轮组、钢丝绳、手拉葫芦、支承扁担、锚固用精轧螺纹钢和荷载显示装置等组成。将台架主梁平放在竖固的工作场地上，将台架主梁定位，安装菱形架和横联，挂上滑轮组，缠绕钢丝绳，安装10t手拉葫芦，安装测力荷载显示装置，拉动手拉葫芦，手拉葫芦通过滑轮倍率加载到菱形架上，实现挂篮试压，测量菱形架的变形并扣除台架主梁的变形值，得出菱形架的变形值。手拉葫芦通过滑轮倍率加载到挂篮菱形架上，测量装置型旁压试测力传感装置，在荷载显示器上直接读出荷载值。
4.2 试验测点布置及加载工况
变形（下挠度）测点布置在菱形架前端，为了消除主梁支点变形的影响，在菱形架中间、后端各布置变形测点，菱形架前端实际下挠量应消除这部分的影响，在相应部位布置测点，采用高精度水准仪进行测量。菱形架变形测点布置如图3所示。
图3 菱形架变形测点布置示意图
荷载试验采用分级加载方法，模拟悬臂浇筑梁段最大控制重量，单片主桁架加载分五种工况：前四种为1.1倍动荷载与1.05倍偏荷载及1.05倍混凝土超载组合，单片桁架共加载90t，主要测定挂篮的弹性变形及非弹性变形；第五种工况（超载试验）为1.25倍静荷载与1.05倍偏荷载及1.05倍混凝土超载组合，单片桁架共加载102t，主要测试挂篮的安全性。
4.3 试验测试结果
通过对五种工况的加载试验，利用计算公式，下挠值，菱形架 变形测试结果如表2所示。
4.4 试验结论
从表2可以看出，菱形架在额定最大荷载90t时的下挠最大值，左片为6.88mm，右片为8.97mm，均小于在额定静载工况时的控制值13mm；在超载荷载102t时的下挠最大值，左片为8.89mm，右片为10.93mm，均小于控制值20mm。挂篮菱形架在超载情况下变形仍然比较小，说明菱形架的设计有足够可靠的刚度储备，能够安全使用。
5 结语
菱形挂篮受力明确、刚度大、外形美观、组装方便等很多优点，虽然其存在上横梁高度偏高，前吊带较长等不足之处，但仍然是目前国内较先进且应用广泛的挂篮之一。通过对挂篮主要受力构件的内力和变形计算，验证了挂篮强度、刚度和变形均满足规范要求；挂篮试验的结果进一步验证了该菱形挂篮具有足够的刚度储备。本挂篮实用性强，稍加改造即可适用于同等类型的斜拉桥、连续刚构桥。挂篮设计将向轻型高效方向房展，以满足大跨度桥梁悬臂施工的要求。
参考文献：
[1] 孙训方，方孝淑，关来泰．材料力学（第四版）[M]．高等教育出版社．2002．
[2] GB50017-2003，钢结构设计规范[S]．
[3] TB10002.3-2005，铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S]．
[4] TB10415-2003，铁路桥涵工程施工质量验收标准[S]．
[5] 谢云理．菱形桁架式挂篮设计及测试[J]．桥梁结构，2006（3）：27-28．
注：文章內所有公式及图表请以PDF形式查看。