单索面混凝土斜拉桥前后支点组合式挂篮性能研究
2014-10-21金善长
金善长
摘要：为探明单索面混凝土斜拉桥前后支点组合式挂篮性能，本文首先对前后支点组合式挂篮的构成及优势进行了分析，在此基础上，通过工程实力对前后支点组合式挂篮的性能进行了研究，力求对该挂篮施工进行全面的掌握。
关键词：单索面;混凝土斜拉桥;前后支点组合式挂篮;性能
混凝土斜拉桥结构包括塔、梁主和斜拉索，其中斜拉索是桥梁跨的中间支撑，具有弹性，能够降低主梁截面弯矩，减轻主梁自重，提高跨越能力，同时斜拉索还能够增强主梁的承载力与抗裂能力。由于斜拉桥具有较理想的结构状态，因此比悬索桥更加抗风和抗震，稳定性更好。混凝土斜拉桥主梁的施工主要采用悬臂浇筑的挂篮施工。由于挂篮施工时，结构较为复杂，具有较多次数的超静定，并且斜拉索的位置与各部分尺寸要求精确，因此在施工中需要对各阶段的结构进行力学性能分析。
一、前支点挂篮与后支点挂篮
国内斜拉桥主梁施工的挂篮施工根据受力形式分为前支点、后支点两种，两种方式具有各自的优势与不足之处。
（一）前支点挂篮
前支点挂篮是利用待浇筑节段的斜拉索为前支点的，它与已浇筑完成节段上的锚固点构成了简支体系，挂篮平台和主要承重结构位于桥梁下面。前支点提供了前端的斜拉索作用，有利于减少已浇筑节段的施工应力，并调整混凝土节段无应力标高，便于施工控制。但是前支点挂篮的主桁布置受斜拉索位置的限制，尤其是单索面较宽的主梁斜拉桥，由于前支点斜拉索位于主梁中间，因此结构传力复杂，横向稳定性难设计，而横向高差的调整也比较困难，挂篮行走系统复杂。
（二）后支点挂篮
后支点挂篮则不需要前端斜拉索，只是依靠挂篮主体结构的刚度形成悬臂体系，挂篮底平台，混凝土浇筑在底平台上进行。后支点挂篮的结构较简单，行走方便，受力明确，因此在斜拉桥上广泛使用。但是后支点挂篮的自重与待浇筑混凝土的荷载对已浇筑完成的前一节段梁会产生较大的施工应力，并且在梁重量较重、悬臂较大的节段后支点挂篮设计不够经济。
二、前后支点组合式挂篮
前后支点组合式挂篮由重庆桥梁公司研究设计，并用于重庆双牌嘉陵江大桥施工。前后支点组合式挂篮具有一套前支点挂篮和两套后支点挂篮，前支点位于主梁中间，与单索面斜拉索的位置相对应，用于承担主梁中间与斜腹板的部分荷载，后支点挂篮位于主梁两侧，用于承担斜腹板和翼板的部分荷载。前、后支点的组合由后支点挂篮平台、前支点挂篮平台、后支点挂篮平台（挂篮底平台横向划分）三部分铰接连接而成。前后支点组合式挂篮与前支点挂篮、后支点挂篮相比其优点表现在以下几个方面。
首先，前支点挂篮两侧增设两套后支点挂篮，挂篮底平台拥有三个支撑点，横向稳定性增强;其次，两套后支点挂篮的前吊标高均可进行调整，避免了横向的标高差异与不平衡;再次，前支点与后支点挂篮之间受力相互协同，挂篮结构得到了优化，增强了长节段、宽主梁、大吨位和单索面的适应性，并且挂篮的自重得到了控制;最后，前支点与后支点挂篮平台采用铰接连接，翼板受力明确，不会因温度的变化受到影响，并且挂篮的装卸比较方便。但是这种组合式挂篮也存在一定的缺点，尽管采用铰接连接减轻了挂篮自重，但组合体系的横向刚度和横向整体性变差。
三、前后支点组合式挂篮性能研究——以重庆双牌嘉陵江大桥为例
重庆双牌嘉陵江大桥主桥标准节段长度7m，重量为461t，桥面宽32.5m，横向悬臂长约12m，由于节段较长、重量较大、宽桥面，因此桥型设计较为困难。为解决前、后支点施工中的不利因素，减少自重和材料浪费，避免锚点反力超过上限，重庆桥梁公司设计研究了前后支点组合式挂篮，并在重庆双牌嘉陵江大桥施工中应用。为了探明前后支点组合式挂篮的可行性，需要对其各项性能指标参数进行研究。本研究通过理论上的分析与试验掌握挂篮的性能能够更好的对该组合式挂篮进行掌握。这里对组合式挂篮进行空间应力的分析，采用的方法为有限元分析软件Midas Civil，通过挂篮三维模型的构建，进行理想约束与模拟施工，对挂篮在各个工况下的受力与变形情况进行分析。
（一）研究分析步骤：
第一步，参数设置。主梁混凝土强度为C50，预应力钢筋为φs15.24 的钢绞线，精轧螺纹钢筋为JL32的粗钢筋。
第二步，构件模型。采用有限元法求解需要从实际结构出发，在满足准确性的基础上，对结构进行合理的简化。简化的模型需要符合双牌嘉陵江大桥的实际结构受力，同时也要对重点部位进行突出。
第三步，划分悬臂浇筑挂篮施工工况。在理论计算中对浇筑调索工况划分依次为：空载、节段荷载施加25%、节段荷载施加50%、节段荷载施加50%并进行所里的调整、节段荷载施加75%、节段荷载施加100%;浇筑不调索工况依次为：空载、节段荷载施加25%、节段荷载施加50%、节段荷载施加75%、节段荷载施加100%。
第四步，对模型进行简化处理。主要包括单元处理、坐标系假定、边界约束、载荷简化、横向预拉架预拉力模拟。
（二）前后支点组合式挂篮刚度分析
对前后支点组合式挂篮刚度分析是通过对各工况下挂篮的位移变化来进行的，本研究中挂篮验算荷载取标准节段（节段数量最多）為挂篮计算的载荷取值，并进行标准节段载荷的划分并模拟，进而掌握挂篮的性能。调索在混凝土浇筑一半时进行，只调索一次，并与不调索进行对比。挂篮变形观测点共计9个点，均为变形最大截面。调索与不调索下各工况挂篮控制部位位移值见表1、表2。根据表1 和表2 的结果显示，在混凝土浇筑一半时调索，使前支点挂篮前端中间标高抬高了6mm，其余部位也相应抬高约6mm，由于混凝土索力的调整，重量朝上下游转移，后支点挂篮的最大挠量为3mm。当荷载增大到100%，前支点变形量最大为18mm，后支点为30mm。总体上来看，各点的位移变换量较小，无突变点，这有利于主梁线性控制。不进行调索前支点最大位移24mm、后支点最大位移32mm，当荷载为100%时，位移量与调索时一致;但是在荷载25%时存在后支点结合处的位移突变，位移量变化很大（4、5、6点），这主要是空载时挂篮下拉所所里较小造成的。
表1 调索下挂篮位移
工况
荷载施加
理论情况下的位移mm
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
空载
-24
-7
5
18
19
18
5
-7
-24
2
25%
-19
-11
-3
8
11
8
-3
-11
-19
3
50%
-24
-22
-17
1
5
1
-17
-19
-24
4
50%调索
-27
-22
-13
7
11
7
-13
-22
-27
5
75%
-21
-23
-18
-4
2
-4
-18
-23
-21
6
100%
-41
-32
-25
-5
1
-5
-25
-32
-41
表2 不調索下挂篮位移
工况
荷载施加
理论情况下的位移mm
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
空载
-27
-7
7
24
25
24
7
-7
-27
2
25%
-22
-11
1
-14
17
-14
1
-11
-22
3
50%
-27
-22
-15
7
11
7
-15
-19
-27
4
75%
-21
-23
-16
-4
2
-4
-16
-23
-21
5
100%
-40
-32
-25
-5
1
-5
-25
-32
-40
（三）前后支点组合式挂篮强度、反力分析
研究分析发现，调索与不调索两种情况下吊杆反力值基本相同，尽管初始情况下，弧形梁由于斜拉索的作用产生负值，这是预抬的作用效果。在荷载100%时，调索与不调索工况下中吊杆力值相同，这表明，在初始索力一致、荷载数相同的情况下，调索与不调索的吊杆受力情况相同，并且均在极限值之内，达到了设计的要求。而施加荷载100%时，挂篮的受力最大，对此时荷载的应力值进行计算，结果发现调索与不调索下挂篮主要构件的应力值相同，最大应力在后支点三角桁架主纵梁处，最大应力值为140MPa<345MPa，符合应力要求;最大应力在后支点三角桁架主纵梁外行走主梁吊杆处，最大应力值为127MPa<345MPa，符合应力要求.
（四）前后支点组合式挂篮的稳定性分析
结构稳定包括了分支点失稳与极值点失稳，实际工程中场出现极值点
失稳情况，由于分支点失稳计算方便，并且计算临界值与极值点失稳接近，因此常根据分支点失稳进行结构安全系数的求解。Midas Civil有限元求解，一定变形状态下结构静力平衡方程为：
