大跨度宽体连续刚构桥挂篮优化设计

2015-11-28龙兵

城市道桥与防洪 2015年12期

关键词：刚构桥异形挂篮

龙兵

(珠海市规划设计研究院,广东珠海 519000)

大跨度宽体连续刚构桥挂篮优化设计

龙兵

(珠海市规划设计研究院,广东珠海 519000)

以某大跨度宽体连续刚构桥工程为实例,针对大跨度宽体连续刚构桥工程施工进行了分析,并详细阐述了大跨度宽体连续刚构桥工程悬臂施工中挂篮的优化设计。

大跨度宽体连续刚构桥;挂篮悬臂施工;优化设计

0　引言

随着交通事业的快速发展,桥梁的跨越能力越来越强,各类大跨径桥梁在我国修建,其中大跨度宽体连续刚构桥在设计中的频繁采用尤为突出。特别是在山区,由于受地理条件的限制,高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥修建得越来越多。由于高墩大跨主梁是通过挂篮悬臂浇筑的,所以挂篮的设计与施工就显得极其重要。

1　工程概况

某项工程横穿峡谷,峡谷两侧的山岭均较为陡峭,并且两侧高度相差较大。该工程的跨径为2 m+76 m+42 m,设计刚构桥横跨两侧高度相差峡谷,并且设置匝道;设计梁面横坡为3%,主桥墩高度56～104 m,桥面宽度25.25 m,桥梁底部宽度7.25 m,并且设计单箱双室钢筋;混凝土悬臂最长为4 m,最重为203.4 t。

2　悬臂施工技术难点

(1)该项工程存在3%的横坡,高度差异较大,两侧具有75.75 cm的高度差异。由于这种大横坡的现状,导致刚构桥挂篮也具有很大的高度差,因此,探究解决刚构桥挂篮高度差异的有效措施尤为重要。

(2)该大桥的桥底宽度为17.25 m,桥面宽度为25.25 m,导致横梁跨越幅度较大,因此,该项工程对自身重量、刚度提出较高的要求。

3　挂篮优化设计

3.1合理选择挂篮形式

在挂篮形式的选择过程中,最先考虑的就是菱形挂篮、三角挂篮,两者都是常见的挂篮形式,均存在优势和劣势:菱形形式的挂篮重心通常较高,具有较大的作业空间,因此干扰施工人员的因素较少;三角形式挂篮具有较低的重心,良好的稳定性,并且自身重量较轻,因此走行过程较为轻便「1]。全面考虑上述两种形式的优势和劣势,本次工程进行创新性研究,设计一种全新的挂篮形式,称之为“异形三角形式挂篮”。异形三角的特点是设计两个不等的三角形,并且将拉板式作为斜杆,发挥其受力受拉的作用。这样的设计不仅可提高建筑材料的利用率,而且可有效降低挂篮自身的重量。此种挂篮的前端采用菱形挂篮的原理,可有效缩小前主梁的仰角大小,这样可采用水平角度,上斜板呈现10。,将挂篮重心明显降低,并且扩大作业的空间,避免施工人员被干扰;后端应用三角形式的原理,可降低挂篮自身的重量,便于施工人员走行,提高施工效率。具体见图1所示。

图1　挂篮的主桁架结构

3.2挂篮主桁架优化分析

3.2.1优化挂篮主桁架方案

该大桥悬臂施工的7#号段是最困难的施工,并且位于异形挂篮主桁架的前端处,承载较大的负荷。经计算,上横梁支点的最大竖向力为51.4 t。为此,依据此竖向力进行优化主桁架的设计,具体方案图详见图2。

图2　优化主桁架的分析模型

(1)优化方案的约束条件

由主桁架的D前端点向BC竖杆作垂直线,其垂直距离始终保持5 320 mm,同时ABC的部分需要经施工现场检查,才可确定,一旦确定下来,就应当保持一样,对于此优化方案,LAB为3 600 mm, LBC为3 200 mm。

(2)优化主桁架的主要参数

该优化方案的变化参数为水平线、CD杆件间的夹角。经过调研,变化参数的范围确定为0。～31。,采用11级,由上述的分析模型图可知,当变化参数为0。,异形挂篮主桁架为菱形的桁架,当变化参数为31。,异形挂篮主桁架为三角形的桁架。

优化方案旨在保持异形挂篮的主桁架具有最大的竖向刚度,换句话说,尽管在竖向荷载的影响下,前端的D点的变形保持最小。

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3.2.2优化方案的分析结果与讨论

按照上述的优化设计方案,采用软件Midas-Civil构建有限元模型,详见图3。表1说明前吊点变形、主桁架杆件应力随夹角的变化关系。

由图4～图6、表1进行分析。

图3　有限元模型

图4　主桁架前端点竖向变形、夹角变化间的关系

图5　主桁架受压杆件应力、夹角的变化间的关系

表1　前吊点变形、主桁架杆件应力随夹角的变化关系

图6　主桁架受拉杆件应力、夹角的变化间的关系

(1)倘若控制夹角在8。～12。的范围时,则悬臂支点具有最小的竖向变形,同时只要控制夹角在此范围,竖向变形受到夹角变化的影响就很小。倘若夹角小于15。,则悬臂支点上的弹性变形将对比20 mm小,符合有关规范的要求。倘若夹角超过15。,弹性变形将对比20 mm大,与有关的标准不符。

(2)夹角变化对AB截面应力影响不大,然而对BC截面的压应力产生重大影响,可导致应力快速从74.5 MPa变化增长到124.8 MPa。同时,夹角大小和BD应力成反比,夹角变小,BD应力反而增大,逐渐接近AB截面应力。BC、BD两者的应力变化曲线在10。～12。的范围相交,然而因为BC长度明显短于BD,所以基于稳定性相同的环境下,BC应力可比BD大。可见,基于最佳杠件受力的视角,优化方案的主桁架最优夹角控制在8。～12。。的范围内。

(3)夹角变化对AC无影响,但是夹角大小和CD内的应力呈现正比,倘若夹角小于12。,则CD内的应力变化幅度将会变得很小。

经过上述分析表明,此优化方案的异形挂篮中的主桁架应当控制在8。～12。。的范围内,全面考虑净空影响施工操作空间的情况,将变化参数确定为10。,这是最佳的夹角。

3.3优化挂篮前上横梁的设计

该优化方案将垫梁、轨道、3片主桁架都设计为同样的高度,可导致相邻异形挂篮的主桁架间存在高度差异,其高度差异约为25.5 cm,这样导致前上横梁支点高度差异也为25.5 cm。倘若方案中使用通长的设计,则带来两方面的难度,一方面51 cm高度差异的问题,另一方面对前上横梁抗扭施工更加严格,通长设计对3片主桁架实现同步走行的要求较高。因此,优化方案在中间一片的主桁架处设计了阶梯式,把前上横梁设计为2跨简支梁,这样既很好地解决高度差异的问题,而且达到同步走行的目的,具体见图7所示。

图7　挂篮前上横梁阶梯处理

3.4挂篮底模下横梁优化设计

优化方案中关于下横梁设计,主要考虑两种工况:一是在异形挂篮走行的过程中,下横梁强度、刚度符合有关规范;二是最不利节段下下横梁强度、刚度符合有关设计的要求。下横梁通常用于控制挂篮走行过程中的刚度,依据过去的走形方式,后下横梁的走行主要是充分利用钢丝绳、葫芦挂在滑移梁上,也就是说,其受力跨度就是两个滑移梁间的距离,因此横梁的受力跨度约为20.4 m,尽管其承受的重量只是冲击荷载的一半,但是因为存在较大的跨度,因此还是需要较大的刚度。最佳的解决方案是有效缩小桥梁的受力跨度「2]。然而,怎样将其缩小呢?为此,在横梁的下面,安装两道支撑滑移梁,如此一来,异形挂篮在走形的过程中,跨度变为6.8 m,从而有效降低刚度要求,降低异形挂篮自身的重量,并且有效缩小下横梁的断面面积,如图8所示。

图8　挂篮增设底模滑移梁

3.5分析增设底模滑移梁效果

由于场地面积、地形等因素的制约,在工程的施工现场,大桥墩身周围的塔吊(TC5613-6)在进行施工机器、工具、材料等垂直运输过程中,6 t为最大起吊重量。倘若单根构件的重量已经重于6 t,墩身具有很大的高度,在高空进行拼装、焊接工作具有很大的施工风险,则不宜采用塔吊完成构件运输。可见,异形挂篮单根构件的重量不应该比6 t重。

下横梁可依照两种工况进行设计:一是异形挂篮在空载走行过程中,下横梁强度、刚度应当符合有关的设计要求;二是最不利节段的浇筑过程中,下横梁强度、刚度也应当符合有关的设计要求。下横梁通常取决于走行过程的刚度,依据过去传统的走行,后下横梁的走行是充分利用钢丝绳、葫芦挂在滑移梁上,也就是说,两外侧的支点间距离是20.4 m。由于最大弯矩、梁跨度、荷载间存在紧密的联系,因此在挂篮建设过程中应当全面考虑这点。为此,优化方案增设支承点数目,以达到有效缩小后下横梁构件的跨度的目的。按照此原理,在施工下横梁的过程中,安装2道纵向的滑移梁。也就是说,在异形挂篮走行时,它们可支撑下横梁,如此一来,有效减少异形挂篮在走行过程中的受力跨度大小,并且无需较大刚度,缩小下横梁横截面的面积,实现减轻自身重量的目的。为了阐述滑移梁增设的意义,进行受力分析,详见表2。

表2　受力分析情况对比

可依据等应力原则阐述滑移梁的作用。例如,倘若需要具有滑移梁同样的应力,则工程横梁最小刚度是Wx=7 500 cm3。经查阅型钢表,可知工字钢型号为56 c,并且模量Wx=2 551 cm3,应当采用3根构件,则模量为Wx=3×2 551=7 653 cm3,只有这样,才能符合设计的标准。这样,后下横梁的重量转变为56 c的3拼(6 696 kg=3×27 m×124 kg/m),不再是22 a双拼(1 782 kg=2×27 m×33 kg/m),可知两者具有较大重量差异,约为4 914 kg,明显增加异形挂篮的自身重量,并且增加加工、选型的难度。单根构件的重量为6.696 t,明显大于6 t,比最大吊装量还要重,明显不能通过塔吊进行垂直运输。

此外,经过挠度分析,认为如果利用工字钢56 c的3拼当作承重构件,最大挠度为53.85 mm,明显比容许挠度大,仍然不符合设计的标准。

经过上述分析可知,增设滑移梁可有效减小最大弯矩。当异形挂篮走形时,最大弯矩由不增设滑移梁的Mmax=40.57 t·m变为Mmax=3.51 t·m,可见,滑移梁可较大幅度降低最大弯矩。如果依据应力原则选择截面,在滑移梁增设的情况下,滑移梁、底模横梁的总重量为2×1 782 kg+4×10× 39.173 kg=5 131 kg。显然,异形挂篮自身的重量减少8 261 kg,具有十分明显的效果。较大幅度降低异形挂篮自身的重量,可较好解决下横梁的挠度过大、重量限制等问题。