乌江特大桥为双塔双索面预应力混凝土斜拉桥, 桥梁总体示意及主梁节段划分如图1所示。

主梁标准断面采用双边箱结构, 如图2a所示;索塔附近及密索区采用单箱5室结构, 如图2b所示。斜拉索为钢绞线的平行索, 挂篮悬浇的最大节段长度为6m。

该桥主梁主要有以下特点: (1) 箱梁截面多变:中跨由单箱5室断面过渡至双边箱断面;边跨更复杂, 大部分截面变化规律与中跨相同, 但密索区节段又回归至单箱5室断面。 (2) 箱梁顶板宽37.6m, 属同类桥梁中特宽断面。 (3) 单节主梁最大质量为750t, 为同类桥梁最重。

分析乌江特大桥主梁特点发现, 挂篮设计将存在以下难点: (1) 桥主梁宽度达37.6m, 最大浇筑混凝土质量达750t, 对承载平台结构设计尤其是刚度有较高要求; (2) 挂篮主纵梁的横向间距达34.4m, 挂篮提升、下放操作对左右两侧机构的同步性、机构之间的配合精度更敏感; (3) 挂篮自重将达300t, 传统的千斤顶牵引挂腿的行走方式由于行走阻力大而费时费力; (4) 主梁断面多变, 承载平台结构尺寸大且构造复杂, 超大型结构的抗风颤振等稳定性问题显得尤为重要。

为解决上述难题, 挂篮设计将着重对以下几个方面进行研究: (1) 承载平台结构, 尤其是前横梁的刚度控制; (2) 超宽挂篮提升、下放时各机构动作的同步控制; (3) 挂篮行走新的驱动方式研究; (4) 大型承载平台的稳定性研究。

挂篮承载平台通常采用箱形结构的纵梁、横梁组成框架结构。为控制承载平台, 尤其是前横梁的变形, 提高其刚度, 通常有以下几种做法: (1) 增大主纵梁、前横梁等关键部件的梁高, 提高截面抗弯能力; (2) 前横梁下翼板增设桁架结构, 辅助提高前横梁刚度, 如图3所示; (3) 根据结构受力变形计算结果, 对前横梁设置反拱 (加工时预设或者体外预应力反拱) 。

上述3种提高刚度的方法各自优缺点简单对比如表1所示。

综合考虑乌江特大桥自身特点及现场施工工艺的需求, 最终确定的承载平台结构形式如图4所示。

本设计的主要特点有: (1) 尽量提高前横梁刚度:截面设置为2 200mm×1 600mm×40mm×20mm, 通过梁高及翼缘板板厚, 提高截面抗弯模量; (2) 设置通长次纵梁, 并将次纵梁锚固于已浇筑箱梁, 变相减小前横梁跨度; (3) 后横梁及联系梁等部件采用工字形截面, 尽可能减小整个承载平台的自重。

通过以上措施, 承载平台整体变形可控制在4cm以内, 既能满足结构刚度要求, 也能满足承载平台拼装的空间要求, 同时结构质量也较好地得到了控制。

挂篮浇筑时模板尾部贴紧已浇筑节段混凝土, 挂篮处于高位;浇筑完成后, 需下放挂篮使之处于低位, 完成行走前的准备;待挂篮行走到位后, 再提升挂篮, 使之处于高位。传统前支点挂篮的提升、下放多采用挂篮的前锚杆组配合千斤顶来实现。如图5所示。

由于传统挂篮的提升、下放采用千斤顶间歇式作业, 同时需顶升机构配合完成, 传统方式将存在机构间配合协调性、左右两侧机构动作同步性等问题, 有较大的安全隐患。

为解决上述问题, 通过大量的调研及方案研究, 最终确定将成熟的液压同步控制技术引入挂篮设计中, 设计1套液压升降机构, 如图6所示。

此液压升降机构由安装于挂腿处主支点机构与改进后的顶升机构 (传统顶升机构旁, 增设高压油缸作为动力源的新机构) 来执行提升、下放作业, 如图7所示。

该液压升降机构的具体实施方式如下: (1) 主支点机构是由安装在挂腿内的高压油缸及安装在滑靴上的导向支座组成。安装在挂腿内的高压油缸采用法兰与挂腿连接固定, 油缸活塞杆端部采用销轴与导向支座连接;导向支座为设有机械限位的三角结构, 分别与油缸和行走滑靴销轴连接; (2) 顶升机构是由安装在挂篮主纵梁后部的高压油缸及顶升支座所组成。顶升机构的高压油缸采用法兰与主纵梁连接;油缸活塞杆端支撑于顶升支座 (支座与桥底板固结) ;同时杆头采用球头, 与有内凹球面的顶升支座配合, 可防止活塞杆偏心受力; (3) 高压油缸上均安装有高精度位移传感器和压力传感器反馈控制量, 使用PID控制算法同步控制并实现挂篮关键受力点的监控。

将PLC控制及液压技术引入挂篮设计中, 能够较好地解决传统提升方式作业不连续、左右不同步、机构配合不协调等问题, 大大提升挂篮工作的安全性及效率。

行走系统实现挂篮空载前移功能, 传统的前支点挂篮通常采用挂腿配合行走反滚轮行走。行走驱动多采用在已浇筑节段梁端设置反力架, 由千斤顶提供动力, 牵引挂腿在铺设于桥面上的钢板上前移, 完成挂篮的行走作业, 如图8所示。

传统的挂篮行走, 由于千斤顶间歇式作业, 且行程有限 (多为20cm) , 导致中间转换工序繁多 (单次行走需转换约30~50次) 。同时左右两侧挂腿位移的同步性难以保证, 挂篮极易走偏 (纠偏工作难度较大, 严重影响挂篮施工效率) 。

为解决上述问题, 乌江特大桥挂篮的行走机构设计为:由铺设在桥面上的行走轨道、行走滑靴、安置在轨道上的行走高压油缸及行走反力座组成。行走轨道锚固于桥主梁上;行走高压油缸两端均采用销轴与行走滑靴、行走反力座连接。如图9所示。

此行走系统具有以下特点: (1) 采用底板设置有四氟滑板的滑靴在行走轨道 (顶板上铺设有不锈钢板) 上滑动, 摩擦阻力系数远小于传统钢对钢的摩擦系数; (2) 采用较大行程 (1.2m) , 推力600k N的高压油缸作为动力源, 减少了中间转换工序 (单次行走仅需倒换5次) , 提高挂篮施工效率; (3) 将左右两边的行走油缸接入液压控制系统中, 可有效改善两边行走的同步性问题, 防止挂篮走偏。

ANSYS进行结构线弹性失稳求解有以下步骤: (1) 进行结构几何建模, 划分网格; (2) 施加单位力, 进行静力求解; (3) 进行特征值求解; (4) 扩展模态; (5) 提取计算结果。

采用大型有限元软件ANSYS对挂篮承载平台进行整体有限元建模计算, 主要采用单元beam188。选取标准节段施工时的挂篮承载平台, 并对结构进行行相相应应的的简简化化处处理理, , 计计算算模模型型如如图图1100所所示示。。

在ANSYS中进行模态分析, 计算承载平台的前10阶振型。承载平台前10阶动力特性及频率统计如表2所示。

从表2可知:承载平台结构扭弯频率比值2>1, 表明颤振形态矢量不断向扭转自由度轴偏移, 竖向自由度的参与程度不断降低, 颤振的发生过程中扭转和竖向自由度的耦合程度也不断减弱。因此, 承载平台不易发生颤振失稳现象。同时, 施工中还应注意避开结构的自振频率, 防止共振发生。

本文通过研究大量的传统前支点挂篮各部分设计的优缺点, 对超宽重载前支点挂篮设计的关键技术进行深入研究, 将成熟的液压及PLC控制技术应用于挂篮设计中, 有针对性地解决该项目中的难点。并对大型承载平台结构的稳定性进行了研究。