斜拉桥牵索式挂篮设计及空间仿真分析

刘笑材

【摘 要】斜拉桥主梁施工中常用的牵索式挂篮结构具有明显的空间性，本文结合某斜拉桥前支点挂篮的结构设计，利用大型有限元分析软件ANSYS对该前支点挂篮结构进行了空间仿真分析，在不同工况下，研究了挂篮结构的应力分布、变形情况。结果表明挂篮设计满足施工要求，同时基于分析结果及研究结论可供其他工程的类似问题提供参考。

【关键字】牵索式挂篮；斜拉桥；内力；变形

牵索式挂篮施工是目前大跨度混凝土斜拉桥主梁施工常用的方法。该法利用施工过程中当前梁段的斜拉索作为挂蓝的前支点，从而与挂蓝的中支点和后支点锚固装置组成了挂蓝的约束系统。在主梁每一节段混凝土浇筑过程中，通过分次张拉牵索，及时把浇筑的混凝土重量传递到塔柱上，从而大大降低了已浇梁段的负弯矩及其提供给挂篮的竖向反力，同时使正在施工节段前端的位移变化量控制在较小的范围之内，保证了结构和施工的安全。同时，由于挂篮多了一个前支点约束，使得挂篮的整体刚度有所提高，从而可以使挂篮做得轻巧一些，减少用钢量，节省造价。

一、 挂篮设计

本文研究斜拉桥跨径布置为155+155m独塔双索面预应力混凝土斜拉桥，主梁采用双纵肋式连续梁。标准梁段双纵肋梁肋高2.7m，肋宽2m，肋间距26.75m，顶板厚为0.28m，顶板下设有两道纵向加劲小纵肋，肋高1米，肋宽0.5米，梁顶面设2%的双向横坡，梁顶全宽32.5米。主梁除0号块、1#块及边墩现浇段在支架上浇筑外，其余标准节段均采用牵索挂篮悬浇方法施工。悬臂浇筑节段长6m、宽32.5m，挂篮由承载平台、牵索系统、行走系统、定位系统、锚固系统、模板系统、操作平台及预埋件系统等组成[1]。设计承载混凝土重量380t，挂篮、模板自重约为170t。

二、有限元模型的建立

1.1 模型简介

斜拉桥牵索挂篮的承载平台系统为刚架结构，该结构为一大型空间刚架系统。通常采用的计算方法是将其简化成平面体系，逐杆进行分析计算。此方法计算的数值偏大，结果相对保守。同时，挂篮整个结构的行为具有明显的空间性，因此，建立挂篮结构空间有限元模型分析挂篮结构的力学行为十分必要。而空间梁系模型只能反映挂篮结构总的受力趋势，要了解挂篮结构的关键和局部位置的具体应力分布规律，则必须建立空间实体模型进行分析研究[2]。

在模型建立过程中，箱式梁的腹板、上下翼缘板、横隔板、加强板、纵筋角钢、连接板、分配梁的工字钢等均采用板单元（Shell63），横隔板的包边板采用杆单元（Link8），主纵梁前端开叉处的连接钢管采用管单元（Pipe16）。挂篮整体几何模型图，如图1所示。

1.2 荷载工况

2.2.1 施工载荷

挂篮主体结构计算主要包含的载荷有：（1）混凝土荷载：按节段重量380t计算；（2）挂篮结构自重：由计算模型自动计入；（3）风载荷：工作基本风速不大于13.6m/s，非工作基本风速不大于32.6 m/s；（4）施工载荷：根据公路桥涵施工技术规范，施工人员、机具等载荷按1.5kN/m考虑；（5）张拉机构索力。其中（2）、（3）项为在任何工况均有的载荷，而（1）、（4）、（5）则根据不同的工况进行选取。

2.2.2 计算工况

根据斜拉桥设计要求，斜拉索在施工时不能一次预拉到位，而是在施工过程中不断调整索力，进行施工控制[3]。因此，根据施工设计，计算工况分为7种：

工况（1）：挂篮定位并锚固好，初张拉设定单索索力1300kN，考虑垂直方向风（基本风速13.6m/s）。

工况（2）：初张拉设定单索索力1300kN，混凝土浇注一半，未凝固，考虑垂直方向风（基本风基本风速13.6m/s）。

工况（3）：混凝土浇注一半，未凝固，斜拉索二张完成，二张索力2480kN，考虑垂直方向风（基本风基本风速13.6m/s）。

工况（4）：斜拉索二张完成，二张索力2480kN，混凝土浇注完成，未凝固，考虑垂直方向风（基本风基本风速13.6m/s）。

工况（5）：混凝土浇注完毕，挂篮承载平台下放时受力计算。

工况（6）：挂篮行走时的受力与变形。

三、有限元计算结果分析

a） 应力结果

对挂篮结构进行承载能力极限状态下的分析计算后可以看出，如表3-1，挂篮主纵梁、前横梁、中后横梁及拱架顶纵梁均在工况（4）达到最大应力状态。主纵梁最大应力95.9MPa，拱架顶纵梁最大应力124.7MPa。拱架拱圈在工况（3）应力最大达到74.2MPa。挂篮每工況各部位应力均比理论允许值（[RW1.2]=252MPa）小，挂篮的使用性能满足施工要求。

b） 位移结果

如表3-2，挂篮在工况（6）即挂篮行走状态下由于竖向主要承受结构自重荷载位移最大，主纵梁向下位移为27.2mm，拱架顶纵梁位移最大达29.6mm。挂篮在工况（3）即受二张索力工况下主纵梁和前横梁产生上挠，主纵梁向上位移16.1mm，前横梁向上位移9.3mm。

四、结论

（1）从挂篮有限元模型分析计算结果可知：挂篮各项变形值和应力值均在理论控制值范围内，说明该挂篮主梁抗弯能力等均满足设计要求，具有足够的应力和变形储备。

（2）挂篮应力分析可检验挂篮的质量及安全性，有效地控制挂篮的非弹性变形，为挂篮施工和线性控制提供依据。此外，应对施工过程中的挂篮实际变形进行测试，保证施工质量。

【参考文献】

[1]卜骄.牵索挂篮在斜拉桥主梁悬浇施工中的应用[J].公路交通科技：应用技术版，2012， 1（85）：122.

[2]李照众，王立彬，许国祥等.斜拉桥牵索挂篮有限元分析[J].南京林业大学学报：自然科学版，2009，33（3）：121-124.

[3]王世红，侯俊明，白青侠等.牵索式挂篮内力分析方法[J].中南公路工程，2000，25（3）： 41-42.

[4]殷涛，胡成， 曹爱虎.斜拉桥牵索挂篮施工模拟计算与分析研究[J].安徽建筑工业学院学报：自然科学版. 2013.12，21（ 6）：10-13.

[5]苏成，陈太聪，韩大建等.崖门大桥主梁牵索挂篮施工模拟计算[J].桥梁建设，2003，1：12-15.