宽幅矮塔斜拉桥菱形挂篮的有限元分析

吴婷　王林

摘 要：文章结合某宽幅矮塔斜拉桥菱形挂篮系统的结构特点，运用有限元分析软件midas/civil建立菱形挂篮系统空间模型，对其受力和位移变形进行分析，分析结果发现，挂篮的强度、刚度均满足施工要求。

关键词：宽幅；矮塔斜拉桥；挂篮；有限元分析

1 工程概况

某桥主桥为矮塔斜拉桥，主梁采用预应力混凝土结构，混凝土标号强度为C55。主梁半幅桥采用单箱三室小悬臂斜腹板断面。中支点6m范围内箱梁顶板宽度为22.05m，其他区域箱梁顶板宽为24.25m。端支点及跨中位置梁高3.5m，中支点位置梁高8.0m，其余主梁梁高采用1.8次抛物线变化。桥塔为三柱式桥塔，每个主塔由一根中塔柱、2根边塔柱、上横梁组成框架结构。根据本桥的实际特点，采用菱形挂篮系统结构。因该主桥的桥面宽度比较大，体积也比较大，为保证施工质量好，安全度高，需要对菱形挂篮的设计进行空间有限元分析。

2 挂篮的构造

挂篮系统主要包括主桁架系统，提吊系统，锚固系统，底托系统，行走系统等。

2.1 承重系统

承重系统主要由4片菱形主桁架，前横梁，导梁，滑梁等组成。主桁架的各杆件均采用箱型截面，在主桁架的立杆左右两边分别连接着一根杆件，以此来增加其所能承受的强度和空间稳定性。为便于安装和运输，主桁架构件要布置合理、受力均匀。

2.2 提吊系统

提吊系统主要由吊带，吊杆，提吊杆，提吊扁担梁，平台提吊梁等组成。前上横梁上有12个吊点，4个提吊扁担梁，其余吊底托系统。前下横梁上有8根吊带，采用的是Q345B钢材，连接着整个底篮，组成了底篮悬挂体系，吊带分结处采用销轴来连接，在方便建模，销轴处建模时直接用节点来代替。

2.3 行走及锚固系统

此系统包括后锚扁担梁，轨道提升装置，推进装置，后小车以及前小车。挂篮每施工完一段，就会往前移一段距离进行下一段施工，挂篮的一部分就通过箱梁预留孔锚固在刚施工完的箱梁上。

2.4 底托系统

底托系统由前托梁，后托梁，纵梁，平台立杆，平台横杆等几部分组成，平台横杆需要现场定位焊接。底篮前下横梁设置8个吊点，与提吊扁担梁相连接着，后下横梁设置2个，与门架连接着。

3 有限元模型

文章采用midas/civil对挂篮系统进行有限元分析，有效地减少了手算的时间。全桥块件总方量28262m3，其中最重块件为7#块，浇筑方量182.0m3，重量达到450t左右。因此，7#为施工控制块段，只要对最重的7#块进行验算，其他的都能满足设计要求。挂篮自重为100t。用midas/civil软件对挂篮结构进行空间有限元建模，菱形挂篮系统所使用的材料主要为普通碳素钢Q235和Q345，吊带采用16Mn，锚固吊杆采用32精轧螺纹钢，挂篮的杆件采用工厂预制后运送到现场拼装焊接。通过建模共建立节点数442个，单元数698个，主要采用梁单元和桁架单元两种单元形式。

4 不同荷载组合下的有限元分析

4.1 挂篮设计基本参数

（1）挂篮自重：根据建模时输入钢材的性能，进而根据自重荷载来确定；（2）梁段混凝土重量：挂篮浇筑时，梁段混凝土的重量是重要荷载，取值为26kN/m3；（3）人群及机具荷载取2.5KPa，加载荷载的方式与加载梁段混凝土重量的方式一致；（4）超载系数：根据条文规范取值为1.05；（5）新浇砼动力系数：根据条文规范取1.2。

荷载组合一挂篮自重+箱梁重量（检验刚度）

荷载组合二：挂篮自重+箱梁重量+人群机具+动力附加系数（检验强度）

验算时，按照两种荷载工况进行，分别对其进行模拟分析，进行对比。

4.2 应力分析

从图2、图3可以看出，桁架单元采用Q345B钢结构材料，其最大应力值为161.71Mpa，小于钢材的许用应力值200Mpa。在梁单元的应力分析中，在工况一下最大组合应力值为-38.89Mpa，同时工况二下的最大组合应力值为101.25Mpa，无论采用Q235B还是Q345B钢材，也都小于他们的许用应力值200Mpa。因此，结构的应力值都小于规范所要求的应力值，达到了桥梁施工时的要求。

4.3 变形位移分析

变形位移分析是菱形挂篮结构刚度的重要指标之一，决定着工程质量的好坏。由下图可知最大位移在工况一、二下的值分别为6.48mm和15.24mm。

通过图6、图7可以看出，底托系统和的变形位移为最大，主桁架系统变形也比较大，都是施工监控的重点。其中底托系统在工况一、二下的最大变形位移为6.48mm、15.24mm。其中最大的位移变形为15.24mm，小于本工程菱形挂篮系统的变形位移，满足规定的要求。

4.4 节点反力计算

挂篮在施工中主要把节点反力作用在桥体本身，为了保证桥体安全，不因挂篮节点反力过大，造成桥本身破坏，故计算出在工况一、二下的节点反力值最大值，如表1所示。（单位：kN）

由表得出，两种工况下的节点反力大小能够满足桥梁施工要求。

本项目挂篮验算采用Midas civil建模分析，主要分析结构在两种不同的工况下，得出不同的内力、应力、变形位移值，以及受力最大的部位和变形最大的位置。挂篮结构中应力组合最大值为161.71Mpa，小于材料容许应力200Mpa，最大位移变形为15.24mm，没有发生大变形，满足挂篮设计要求，节点反力也不大，同样能满足挂篮的要求。因此，菱形挂篮要有足够的强度、刚度，防止发生大变形影响施工的质量和人员的安全。

5 结语

文章结合某矮塔斜拉桥宽幅大体积梁段悬灌施工，对菱形挂篮系统进行分析验算，以便在以后悬臂浇筑宽幅梁段施工中设计和改进出更好的挂篮，优化施工工艺，提高施工的效率比及施工的质量。使用菱形挂篮的方法进行悬臂现浇箱梁的施工，尽管是一个比较成熟的办法，但是由于桥梁的不同的特点，所以在施工的时候必须要调整，保证施工桥梁的质量和安全。

参考文献

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作者简介：吴婷（1990.11- ），女，硕士，江苏科技大学，研究方向：钢结构；王林（1963.04- ），男，博士，江苏科技大学，教授，研究方向：钢结构。