连续刚构箱梁悬臂浇筑施工菱形挂篮受力分析

2016-10-28刘书祥

公路与汽运 2016年1期

关键词：刚构菱形挂篮

刘书祥

（河北交通投资集团公司，河北　石家庄　050091）

连续刚构箱梁悬臂浇筑施工菱形挂篮受力分析

刘书祥

（河北交通投资集团公司，河北石家庄050091）

挂篮作为悬臂浇筑施工的关键设备，其受力性能对保证施工安全具有决定性意义。文中依托山西省神河（神池—河曲）高速公路高峁梁2号大桥连续刚构箱梁施工项目，建立菱形挂篮有限元模型，在最不利工况下，分挂篮浇筑砼阶段和挂篮空置走行阶段计算挂篮各受力部件的最大应力和最大变形，并验算其强度稳定性。结果表明菱形挂篮各部件最大应力均小于容许应力140 MPa，最大变形均小于容许变形20 mm，满足设计及规范的要求，能保证荷载的传递流畅、明确，挂篮的各承力部件具有足够的强度、刚度和稳定性。

桥梁；菱形挂篮；有限元模型；悬臂浇筑；受力分析

预应力砼连续刚构是一种新型桥梁结构，具有跨越能力大、施工方便、适用能力强、无需大型支座的优点，其发展前景十分广阔。悬臂浇筑法适用于高墩、大跨径连续梁和连续刚构，孔下不受通航、通行的限制，其特点是无须建立落地支架，无须大型起重及运输机具，主要施工设备就是挂篮。挂篮作为主梁悬臂浇筑施工的主要设备，其受力安全至关重要。该文以山西省神河（神池—河曲）高速公路高峁梁2号大桥为依托，研究连续刚构箱梁悬臂浇筑施工过程中菱形挂篮不同部件在浇筑砼阶段和空置走行阶段的受力情况，为挂篮施工和设计提供参考。

1　工程概况

高峁梁2号大桥中心里程为K70+285.5，全长434.32 m，前右角90°。主桥采用（66.66+120+ 66.66）m预应力砼连续刚构。

2　挂篮结构受力分析

图1　挂篮结构总体布置（单位：mm）

图2　挂篮结构计算模型

挂篮结构总体布置见图1。挂篮结构受力分析采用有限元软件MIDAS/Civil2010，采用整体模型，吊杆采用杆单元、其他采用梁单元模拟，主桁架各节点的连接释放销轴的自由度。计算模型见图2。

2.1计算工况

节段施工一般分为以下步骤：1）挂篮空载走行就位；2）立模；3）绑扎钢筋并浇筑砼；4）砼养生达到设计强度后，按设计顺序张拉预应力钢筋或钢束，拆模。其中步骤1和2为施工最不利工况。

根据设计要求及挂篮施工工序，挂篮计算共分为以下3种工况：工况1为施工2号节段，梁长L= 3 m，砼重139.6 k N；工况2为施工5号节段，梁长L=3.5 m，砼重131.6 k N；工况3为挂篮空置走行，挂篮只承受模板及施工荷载。

2.2计算参数

（1）砼容重Gc=26.5 k N/m3；钢材容重Gs= 78.5 k N/m3。

（2）钢材弹性模量Es=2.1×105MPa。

（3）材料容许应力：Q235钢，弯曲应力［σw]= 145 MPa，抗拉、抗压轴向力［σ]=140 MPa，剪应力［τ]=85 MPa；Q345钢，［σw]=210 MPa，［σ]=200 MPa，［τ]=120 MPa；45#钢，［σw]=220 MPa，［σ］=210 MPa，［τ]=125 MPa；ϕ32精轧螺纹钢筋，［F]=550 k N。

2.3挂篮计算设计荷载及组合

（1）荷载系数。超载系数取1.05；动力系数取1.2；冲击系数取1.3；抗倾覆稳定系数取2.0。

（2）其他荷载。施工机械、作业人群等施工荷载取2.0 k N/m2，内模、底模及重量取1.5 k N/m2，外模、排架取4.0 k N/m2。风荷载按8级风（18 m/s）计算。挂篮外侧增设的暖棚取0.5 k N/m2。

（3）荷载组合。按照规范要求，荷载组合Ⅰ、Ⅱ用于主桁承重系统强度和稳定性计算；荷载组合Ⅲ用于挂篮系统行走计算；荷载Ⅳ用于刚度（稳定变形）计算。采用容许应力法，只计算实际发生的荷载，不再选择荷载系数。

（4）风荷载。挂篮浇筑砼状态按最大6级风计算，挂篮空置状态按最大8级风计算。6级风力时，风速约13.8 m/s；8级风力时，风速约18 m/s。1）挂篮工作状态时侧向风荷载。挂篮上部结构侧向受风面积按8.5 m2计算（取主桁架实际受风面积），下部结构侧向受风面积按34 m2计算（取侧模的面积）。上部结构P上=8.5×0.2=1.7 k N，下部结构P下=34×0.2=6.8 k N。2）挂篮工作状态时竖向风荷载。挂篮受风面积按27.3 m2计算（取底模的面积），P上=27.3×0.2=5.46 k N。风荷载按每种工况的荷载组合加载。

2.4挂篮浇筑砼阶段结果分析

在浇筑砼阶段，挂篮结构的组合应力分布见图3，变形见图4。从中可知最大组合应力发生在侧模吊带上，最大变形位于底模纵梁上。挂篮结构主要部件受力计算结果见表1，从中可见，各杆件强度及刚度均满足规范要求。

（1）底模纵梁采用I40工字钢，共11根，两端简支在前后横梁上；底模前后横梁则为连续梁，其支座为悬吊点的位置；对于底模板，由于挂篮图纸上采用的是钢模板，结构为纵横格体系，板为双向板，这种模式在多个挂篮上已成功应用，不必进行验算。其组合应力和变形见图5。

图3　挂篮结构组合应力分布（单位：MPa）

图4　挂篮结构变形（单位：mm）

表1　挂篮结构受力计算结果

图5　底模纵梁组合应力（单位：MPa）和变形分布（单位：mm）

（2）前下横梁、后下横梁和前上横梁采用2I40工字钢组拼而成，其组合应力和变形见图6～8。

图6　前下横梁组合应力（单位：MPa）和变形分布（单位：mm）

图7　后下横梁组合应力（单位：MPa）和变形分布（单位：mm）

图8　前上横梁组合应力（单位：MPa）和变形分布（单位：mm）

（3）主构架是挂篮的主要承重部分，处于挂篮结构的核心位置，其可靠性直接决定挂篮施工的安全性，必须具有足够的强度、刚度和稳定性。其组合应力见图9。从图9可以看出：杆件的最大拉应力为109 MPa，最大压应力为103 MPa，受压构件还需进行稳定承载能力计算。受压杆件截面见图10。受压杆件毛横截面积A=9 504.8 mm2，构件计算长度l0=4 940 mm，构件截面对主轴x和y的回转半径ix=112.8 mm、iy=112.7 mm，整个构件对实轴x轴和虚轴y轴的长细比为λx=λy=43.8，均小于允许值［λ]=150；相邻两缀板间的中心距l1= 493 mm，分肢绕其平行于虚轴方向形心轴的回转半径i1=22.76 mm，分肢对最小刚度轴的长细比即λ1=l01/i1=21.7。格构式轴心受压构件的换算长细比为查表得φ=0.861，轴心受压稳定折减后应力为103/0.861 =119.6 MPa，强度满足要求。其变形见图11。

图9　主构架组合应力分布（单位：MPa）

（4）内模滑梁采用2［30槽钢，其组合应力和变形见图12。

图10　受压杆件截面示意图（单位：mm）

图11　主构架变形分布（单位：mm）

图12　内模滑梁组合应力（单位：MPa）和变形分布（单位：mm）

（5）外模滑梁采用2［30a槽钢，并在其上下粘贴10 mm厚钢板，其组合应力和变形见图13。

图13　外模滑梁组合应力（单位：MPa）和变形分布（单位：mm）

图14　后锚设计示意图

（6）后锚是挂篮在整个施工过程中至关重要的受力环节，直接决定挂篮施工的安全性，需具有足够的安全系数，一般大于2.5。后锚设计见图14。从主构架的计算结果可知，主构架后锚力为460 k N。后锚是用4根后锚扁担通过8根ϕ32精轧螺纹钢与梁体锚固在一起，走行轨道则是通过砼梁的竖向预应力筋锚固在箱梁上，其连接构造见图15。后锚荷载共计460 k N，考虑不均匀系数1.3，得平均每根后锚扁担承受149.5 k N。后锚扁担模型见图16，应力分布见图17。最大应力为31 MPa<140 MPa，满足要求。单根ϕ32精轧螺纹钢筋F［]=550 k N，后锚精轧螺纹钢承受的最大拉力为75 k N，计算得倾覆稳定系数为7>2.5，满足要求。

图15　后锚的连接构造

图16　后锚扁担计算模型

图17　后锚扁担应力分布

（7）吊杆（带）尺寸见图18。由计算可知，前后外模吊带最大拉力出现在底模后吊点处，为387 k N，吊带净面积A0=2 450 mm2，单位应力σ= Nmax/A0=158 MPa<200 MPa，满足设计要求。同时，提升装置吊杆最大拉力为100 k N，吊杆面积An=490.87 mm2，单位应力σ=Nmax/An=203.7 MPa<650 MPa，满足要求。在节段砼浇筑阶段，提升装置的吊带和吊杆都能满足要求。

图18　吊杆尺寸（单位：mm）

2.5挂篮走行阶段结果分析

由于挂篮走行时不承担砼的重量，可不对菱形架、前支点和底模平台各杆件进行强度、刚度等验算。但因滑梁及内模纵梁承担所有挂篮内外模荷载等，除需对挂篮行走时的稳定性进行验算外，还应验算滑梁及内模支撑纵梁的应力。计算模型见图19。

图19　挂篮行走阶段计算模型

（1）外模滑梁。在挂篮走行阶段，外模滑梁计算跨度最大，需计算其强度是否满足规范要求。其组合应力见图20。从中可见，最大应力为129 MPa <140 MPa，满足要求。

图20　外模滑梁组合应力分布（单位：MPa）

（2）内模滑梁。在挂篮走行阶段，内模滑梁计算跨度最大，需计算其强度是否满足规范要求。其组合应力见图21。从中可见，最大应力为67.4 MPa<140 MPa，满足要求。

图21　内模滑梁组合应力分布（单位：MPa）

（3）后支点反挂轮计算。挂篮后支点支反力R后=112 533 N，走行时，后支点采用反挂轮方式（见图22）。后支腿每个挂轮耳板承受的偏心荷载N1=112 533/4=-28 133 N，取挂轮到耳板中心的距离为98 mm，则耳板受到的力矩M=N1×98= -2 757 059 N·mm。耳板厚度为25 mm，贴板厚16 mm，对拉处宽度为290 mm，贴板总宽100 mm，查截面形状特征值I=856 941.8 mm4，形心到上顶面的距离y=24.5 mm，A=7 642.7 mm2，则对拉处弯曲正应力σM=M×y/I=78.8 MPa，轴向力引起的正应力σN=N1/A=3.7 MPa，σ=σM+σN= 82.5 MPa<［σ]=210 MPa，安全系数为210/82.5 =2.5。

图22　后支点反挂轮示意图（单位：mm）

（4）走行轨道计算。后支点传递荷载P1= 11.3 t；弯矩M=P1×1.6=18.1 t·m；抗弯模量Wx=2 380 cm3；抗弯应力σ=M/W=76 MPa<［σ］=140 MPa。当纵行轨道后锚点距离后支点不大于1.6 m时，抗弯强度满足要求。

（5）主构架间横联计算。在挂篮空置及走行阶段，可能承受较大的横向风力。该阶段计算荷载为内外模的重量、提升装置重量、施工机具荷载、风荷载、走行冲击荷载。计算模型见图23。其组合应力见图24。从中可见，最大组合应力为44 MPa<140 MPa，满足要求。

图23　挂篮空置走行阶段计算模型

3　结论

挂篮结构受力安全是保证悬臂施工的关键。依托高峁梁2号大桥连续刚构箱梁悬臂浇筑施工项目，采用有限元软件MIDAS/Civil2010对菱形挂篮结构建立有限元模型，分挂篮浇筑砼阶段和挂篮空置走行阶段进行符合结构实际受力状态的有限元分析，计算菱形挂篮各部件的最大应力和最大变形，并对强度稳定性进行验算，得出高峁梁2号大桥连续刚构箱梁悬臂浇筑施工菱形挂篮结构满足承载力要求，荷载传递流畅、明确，挂篮的各承力部件具有足够的强度、刚度和稳定性，能保证挂篮在整个施工过程中的安全。