结构力学求解器在挂篮设计检算中的应用

郑文飞

(中铁十五局集团第一工程有限公司，陕西西安　710000)

结构力学求解器在挂篮设计检算中的应用

郑文飞

(中铁十五局集团第一工程有限公司，陕西西安710000)

摘要:以福平铁路平原特大桥工程为例，介绍了挂篮的总体设计方案，结合挂篮的主要指标及设计参数，采用结构力学求解器程序，对挂篮各主要杆件进行了计算分析，解决了挂篮设计中的检算问题，保证了挂篮的结构设计安全。

关键词:桥梁，挂篮，结构检算，结构力学求解器

0　引言

在桥梁施工中，往往会采用挂篮作为连续梁桥或连续刚构桥的施工设备，而挂篮的结构检算是安全使用挂篮的必要条件，本文通过在工程实践中，采用结构力学求解器对挂篮进行结构检算，能有效保证设备结构自身和施工的安全。

1　工程概况

福平铁路平原特大桥位于平潭县平原镇境内，全长1 010.06 m，其中跨越规划苏平路处设计采用3跨( 48 + 80 + 48) m连续梁。该梁为双线预应力混凝土单箱单室直腹板连续箱梁。墩顶0号块长度为8 m，全桥箱梁顶宽为12.6 m，箱梁底宽6.4 m、防护墙内侧净宽9.46 m。箱梁横截面为单箱单室，各控制截面梁高分别为:端支座处和跨中处为3.80 m，中支点处梁高6.40 m。其中0号块采用满堂支架现浇，1号～10号段采用挂篮悬浇施工，11号段为合龙段。各节段的具体尺寸见表1。

表1　连续梁各节段尺寸一览表

2　挂篮总体设计

挂篮作为混凝土箱梁的施工设备，由底模、侧模、内模、前悬吊、后悬吊、主构架、走行锚固等部分组成。挂篮总体布置图见图1。

图1　挂篮总体布置图

3　挂篮主要指标及计算参数

3.1挂篮主要指标

梁段最大重量:152 t;梁段最大分段长度:4 m;挂篮自重:55 t。

3.2主要计算参数

1)梁段混凝土重量: 2.6 t/m3;人群及机具荷载: 2.5 kPa;钢材弹性模量Es=2.1×105MPa。

2)材料容许应力:

3)荷载系数。

考虑箱梁混凝土浇筑时胀模等因素的超载系数: 1.05;浇筑混凝土时的动力系数: 1.2;挂篮空载行走时的冲击系数: 1.3;浇筑混凝土和挂篮行走时的抗倾覆稳定系数: 2.0;恒载分项系数: 1.2;活载分项系数: 1.4。

3.3计算组合及工况

1)荷载组合: a.混凝土重+挂篮自重+施工、人群机具+动力附加系数(强度计算) ; b.混凝土重+挂篮自重+施工、人群机具(刚度计算) ; c.挂篮自重+冲击附加系数(行走稳定性)。

2)计算工况:根据梁段长度、重量、梁高等参数，设计时按以下几种工况进行计算:

工况一: 1号梁段混凝土灌注完成工况，此工况梁段高度最大、混凝土重量最大。

工况二: 4号梁段混凝土灌注完成工况，此工况梁段较长、混凝土重量较大。

工况三: 8号梁段混凝土灌注完成工况，此工况梁段最长、混凝土重量较大。

工况四: 1号梁段混凝土灌注完成，挂篮由0号～1号梁段走行工况。

4　工况一的挂篮结构检算

4.1纵梁1的计算

纵梁1由三根40b工字钢组合而成，其截面特性为: E =2.1×105MPa，A =282.21 cm2，I =68 343 cm4，W =3 417 cm3。

混凝土荷载: q1=206.4 kN/m。

模板荷载: q2=1.28 kN/m。

纵梁1自重荷载: q3=16.92 kN/m。

人群机具等临时荷载: q4=3.73 kN/m。

总荷载: q = q1+ q2+ q3+ q4=228.33 kN/m。

首先，根据纵梁1的受力情况建立计算简图，如图2所示。

图2　纵梁1计算简图（单位：cm）

然后，根据计算简图，打开结构力学求解器软件，按如下步骤进行操作:

第一步，输入各结点坐标。

第二步，输入各杆件单元连接方式。

第三步，输入各支座约束方式，如支座类型、支座性质、支座方向等。

第四步，输入荷载条件，如荷载类型、大小等。

第五步，输入材料性质，如抗拉刚度、抗弯刚度等。

以上步骤完成后，得出如图3所示力学模型。

图3　纵梁1力学模型

第六步，求解，包括内力计算、位移计算等，经计算得出如下结果:

最大剪应力:τ= Nmax/A =15.9 MPa＜85 MPa，计算通过。

最大弯曲应力:σw=Mmax/W =128.1 MPa＜145 MPa，计算通过。

最大位移值: 2.4 mm，满足要求。

4.2纵梁2的计算

纵梁2由一根40b工字钢组合而成，其截面特性为:

混凝土荷载: q1=37.7 kN/m。

模板荷载: q2=1.36 kN/m。

纵梁2自重荷载: q3=5.64 kN/m。

人群机具等临时荷载: q4=3.97 kN/m。

总荷载: q = q1+ q2+ q3+ q4=48.67 kN/m。

依照4.1所示的步骤，经计算得:

最大剪应力:τ= Nmax/A =10.2 MPa＜85 MPa，计算通过。

最大弯曲应力:σw=Mmax/W =81.9 MPa＜145 MPa，计算通过。

最大位移值: 1.6 mm，满足要求。

同样纵梁3计算通过，且N后支点=81.7 kN，N前支点=63.5 kN。

4.3前下横梁的验算

前下横梁由两根40b工字钢组合而成，其截面特性为:

根据前面计算可知，主纵梁作用给前下横梁的荷载分别为:

前下横梁自重荷载: q =3 kN/m。

依照4.1所示的步骤，经计算得:

最大剪应力:τ= Nmax/A =9.9 MPa＜85 MPa，计算通过。

最大弯曲应力:σw=Mmax/W =43.9 MPa＜145 MPa，计算通过。

最大位移值: 0.1 mm，满足要求。

4.4后下横梁的验算

后下横梁由两根40b工字钢组合而成，其截面特性为:

根据前面计算可知，主纵梁作用给后下横梁的荷载分别为:

前下横梁自重荷载: q =2.52 kN/m。

依照4.1所示的步骤，经计算得:

最大剪应力:τ= Nmax/A =24.2 MPa＜85 MPa，计算通过。

最大弯曲应力:σw=Mmax/W =125.4 MPa＜145 MPa，计算通过。

最大位移值: 9.7 mm，满足要求。

4.5外滑梁的验算

外滑梁由两根30槽钢组焊而成，其截面特性为:

混凝土荷载: q1=38.66 kN/m。

模板及支架荷载: q2=17.82 kN/m。

外滑梁自重荷载: q3=1.23 kN/m。

计算荷载: qA= q1+ q2=56.48 kN/m，qB= q3=1.23 kN/m。

依照4.1所示的步骤，经计算得:

最大剪应力:τ= Nmax/A =6.67 MPa＜85 MPa，计算通过。

最大弯曲应力:σw=Mmax/W =87.65 MPa＜145 MPa，计算通过。

最大位移值: 6.6 mm，满足要求。

4.6内滑梁的验算

内滑梁由两根30槽钢组焊而成，其截面特性为:

混凝土荷载: q1=40.6 kN/m。

模板及支架荷载: q2=10.3 kN/m。

内滑梁自重荷载: q3=1.03 kN/m。

计算荷载: qA= q1+ q2=50.9 kN/m，qB= q3=1.03 kN/m。

依照4.1所示的步骤，经计算得:

最大剪应力:τ= Nmax/A =7.6 MPa＜85 MPa，计算通过。

最大弯曲应力:σw=Mmax/W =110.76 MPa＜145 MPa，计算通过。

最大位移值: 8.9 mm，满足要求。

4.7前上横梁的验算

前上横梁由两根40b工字钢组焊而成，其截面特性为:

其中，前上横梁上的作用荷载分别为:

依照4.1所示的步骤，经计算得:

最大剪应力: T = Nmax/A =10.1 MPa＜85 MPa，计算通过。

最大弯曲应力:σ=Mmax/W =52.87 MPa＜145 MPa，计算通过。

最大位移值: 4.2 mm，满足要求。

4.8主构架的验算

其压杆1、压杆2、压杆3截面特性为:

拉杆1、拉杆2截面特性为:

依照4.1所示的步骤，经计算得主构架各杆受力计算结果如下:

最大压应力:σ= N压杆3/A =46.1 MPa＜140 MPa，计算通过。

最大拉应力:σ= N拉杆1/A =55.94 MPa＜140 MPa，计算通过。

最大位移值: 9.1 mm，满足要求。

其中受压构件还需进行稳定性计算。

其中的受压杆件是由30槽钢组焊而成，其截面特性为:

压杆计算长度L =5.385 m，两端铰接的轴心受压构件计算长度系数μ=1.0，rmin=0.102 8 m。

长细比λmax=μL/r =52.38＜［λ］=150，则查表得φ=0.857。

轴心受压构件稳定性折减后应力是σ= Nmax/(φA) = 53.84 MPa＜140 MPa，计算通过。

4.9后锚固计算

从主构架的计算结果可知，主构架后锚力大小是274 kN。

后锚是用四根后锚扁担通过八根φ32的精扎螺纹钢跟梁体锚固在一起，而走行轨道则是通过混凝土梁的竖向预应力筋锚固在箱梁上，连接构造见图4。

1)后锚扁担计算。

后锚扁担梁承受所有后锚荷载的力，总计274 kN，共四根后锚扁担，平均每根承受68.5 kN，乘以1.3的不均匀系数得89.05 kN。

其截面特性为:

图4　挂篮后锚结构图

依照4.1所示的计算步骤，经计算得:

最大剪应力:τ= Nmax/A =6.74 MPa＜85 MPa，计算通过。

最大弯曲应力:σw=36 MPa＜140 MPa，计算通过。

最大位移值: 0.03 mm，满足要求。

2)后锚精轧螺纹钢计算。

单根Ф32精轧螺纹钢筋［F］=550 kN，后锚精轧螺纹钢承受的最大拉力为89.05/2 = 44.5 kN。倾覆稳定系数: 550/44.5 = 12.4＞2.5，计算通过。

4.10其他杆件计算

钢吊带的计算较为简单，这里不再赘述。

5　其他工况的挂篮结构检算

其他工况依照工况一的方法进行计算，经计算，各杆件部位均满足要求。

6　结论

基于前述计算，得到以下结论:

1)挂篮主桁架，前横梁构件强度、刚度、整体稳定和局部稳定都能满足规范设计要求。

2)挂篮吊杆以及锚固系统验算表明，精轧螺纹钢吊杆以及后锚吊杆都能满足规范设计要求。整个挂篮的检算结果满足设计要求。

7　结语

本文通过采用结构力学求解器对挂篮结构的设计进行检算，总结提供了挂篮设计和检算的一种方法，旨在为类似的工程提供有意义的参考。

参考文献:

［1］杨文渊.路桥施工常用数据手册［M］.第2版.北京:人民交通出版社，2001:800-802.

［2］周水兴，何兆益，邹毅松，等.路桥施工计算手册［M］.北京:人民交通出版社，2011:411-416，724-798.

［3］GB 50205—2001，钢结构工程施工质量验收规范［S］.

The application of structural mechanics solver in hanging basket design checking

Zheng Wenfei
( The First Engineering Limited Company，China Railway 15th Bureau Group，Xi’an 710000，China)

Abstract:Taking the Fuping railway Pingyuan super bridge engineering as an example，this paper introduced the overall design scheme of hanging basket，combining with the main indexes and design parameters of hanging basket，using the structural mechanics solver program，calculated and analyzed each main bar of hanging basket，solved checking problems in hanging basket design，ensured the structure design safety of hanging basket.

Key words:bridge，hanging basket，structure checking，structural mechanics solver

作者简介:郑文飞(1978-)，男，工程师

收稿日期:2015-11-20

文章编号:1009-6825( 2016) 04-0191-03

中图分类号:U442

文献标识码:A