基于MIDAS的连续梁挂篮仿真模拟分析

李云峰张帅苏会锋马建栋

摘要：以某新建铁路工程特大桥连续梁使用的挂篮为例，利用有限元软件MIDAS建立挂篮的整体模型，计算挂篮在最重梁段浇注混凝土的工况下挂篮结构的强度和稳定性，并对挂篮在行走过程的抗倾覆性进行验算，保证挂篮结构本身以及施工过程中全桥的安全性。结果表明：挂篮结构受力安全是保证悬臂施工的关键；该菱形挂篮在2种工况下均具有较好的稳定性，满足施工安全要求。

关键词：连续梁；挂篮；主桁架；抗倾覆

中图分类号：U445.446文献标志码：B

Simulation Analysis of Continuous Beam Hangingbasket Based on MIDAS

LI Yunfeng1， ZHANG Shuai1， SU Huifeng2， MA Jiandong1

（1. Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation of Shandong Province，

Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， Shandong， China； 2. School of

Transportation， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， Shandong， China）

Abstract： Taking the application of hanging basket for continuous beam in a railway bridge that is under construction as an example， an integral model of the hanging basket was established with MIDAS， a software for finite element analysis. In order to guarantee the safety of hanging basket and the bridge， the structural strength and stability of the hanging basket under the working condition of pouring the heaviest beam was calculated， and the overturn resistance of hanging basket during its movement was checked. The results show that it is critical to keep the safety of hanging basket during the construction of cantilever； the diamondshaped hanging basket maintains stability under two working conditions.

Key words： continuous beam； hanging basket； main truss； overturn resistance

0引言

挂篮是悬臂浇筑施工中的重要设备，有型钢式、斜拉式、桁架式以及混合式4种结构形式[1]。菱形桁架式挂篮的主要受力构件均为二力杆，能够使材料特性得到充分利用，具有结构可靠、传力路径清晰明确以及拆装锚固方便等优点，在桥梁悬臂浇注施工中广泛应用。倾覆倒塌是挂篮施工过程中最大的安全隐患，因此校核挂篮不仅需要对各种工况下可能发生的荷载最不利组合进行各构件的强度及稳定性计算，还需重点对挂篮在浇注混凝土和行走过程这2种不同工况下的抗倾覆稳定性进行验算，保证挂篮在施工过程中的安全性[2]。

1工程概况

某新建铁路工程特大桥主桥采用40 m+72 m+40 m的单箱式连续梁，箱梁顶宽1210 m，翼缘板长285 m，支点处梁高589 m，跨中梁高329 m，梁高及底板厚度按二次抛物线变化，如图1所示。0号块梁段长度为12 m，合龙段长度为2 m，边跨直线段长度为360 m，挂篮悬臂浇筑箱梁最重为3号块段，其重量为14376 t，长度为350 m。该特大桥箱梁采用的施工方案为平衡悬臂现浇施工，根据箱梁的结构特点和设计要求，采用菱形挂篮。菱形挂篮主要由主桁架系统、横梁系统、吊杆系统、行走系统、张拉操作平台及模版系统组成[3]。

2有限元分析

2.1荷载参数选取

根据本工程的实际情况，选取与工程实际相近的技术参数：混凝土质量为2 600 kg·m-3；施工机具及人群荷载为25 kN·m-2；箱梁混凝土浇注时胀模等超载系数为105；挂篮空载行走时的冲击系数为13；浇注混凝土时的动力系数为12；浇注混凝土和挂篮行走时的抗倾覆稳定系数为20；挂篮浇注混凝土时的承载力计算为挂篮自重、混凝土自重、施工机具及人群荷载与动力荷载之和；挂篮行走时抗倾覆验算为挂篮自重与冲击荷载（挂篮自重的03倍）。

2.2建立有限元模型

依据挂篮的设计图纸，利用有限元软件MIDAS建立整体模型[4]，如图2所示。除吊杆采用桁架单元模拟外，其他部件均采用梁单元模拟，主桁架各节点连接释放销轴[56]。在建立模型时未建立混凝土梁、模板等构件，为分析方便，对模型添加荷载时做出如下简化[79]。

（1）翼板及侧模自重，由其下方对应的滑梁承担；顶板混凝土自重及内模各构件质量，由内滑梁承担；腹板混凝土及对应底模自重，由其下方对应的纵梁承担；底板混凝土及对应底模自重由底模下的纵梁承担。

（2）挂篮载荷划分为主结构、模板与侧模支撑桁架及前端悬吊机构等部分。在添加荷载时主结构部分荷载由软件按自重荷载添加，模板与侧模按分块荷载施加，前端悬吊机构按集中荷载施加于前横梁。

（3）浇注混凝土产生的动力荷载、施工机具及人群荷载按梁宽及梁节长度计算，并施加到对应纵梁上。

2.3挂篮浇注工况下结果分析

2.3.1挂篮结构的强度分析

通过对挂篮浇注混凝土过程的模拟，选取最不利的情况，对挂篮主结构各部分进行应力分析，结果如图3～5所示。

通过整体分析可知，挂篮在浇注混凝土的施工过程中，主桁架最大应力发生于主桁架的竖杆和斜杆位置，大小为131.7 MPa。内横梁最大弯曲应力为114.3 MPa，外滑梁最大弯曲应力为138.5 MPa，均小于Q235B钢材的弯曲容许应力值145 MPa。

吊杆的作用是连接主桁架和底模，主要承受拉应力，由于它几乎全部承担底模和浇注混凝土的质量，故应力值较大，需重点控制[10]。最大拉应力出现在底模后锚吊杆处，大小为199.6 MPa，如图6所示。吊杆是直径为32 mm的精轧螺纹钢筋，其抗拉强度设计值为930 MPa，安全系数k=466，故k>2。因此，挂篮在浇注混凝土的过程中，承载能力满足要求。

2.3.2挂篮稳定性分析

挂篮的失稳属于分支点失稳，针对临界荷载和对应的屈曲模态进行分析，其中屈曲特征方程为

[K-λ（G（r））]φ=0（1）

式中：K为刚度矩阵；λ为特征值对角矩阵；G（r）为荷载向量r作用下的几何刚度；φ为对应的特征向量矩阵。

通过计算求解得到结构的特征值和特征向量，特征值可以视为结构的安全系数，特征向量则对应临界荷载的屈曲模态。如果结构的特征值大于1，那么给定的荷载继续增加才会引起屈曲；如果小于1，则给定的荷载必须减小，防止结构的屈曲；若特征值为负数，说明荷载反向时才会屈曲。

对图2的模型进行稳定性分析，选取前四阶屈曲模态计算，对应的特征值分别为：λ1=4615，λ2=6317，λ3=10.764，λ4=11.964。其中一阶屈曲失稳属于整体侧向扭转失稳，特征值大于5，挂篮整体稳定性满足要求。

2.4挂篮行走结果分析

2.4.1挂篮行走过程

挂篮底部设有轨道，使挂篮能够沿桥梁纵向移动，轨道由竖向预应力钢筋锚固在已浇注梁段。挂篮静止时，后端由竖向预应力钢筋锚固在已浇注梁段；移动时解除后锚系统通过液压千斤顶，使挂篮在轨道上行走。完成一个梁段的施工后，对称移动挂篮至下一个梁段，直到循环完成所有悬臂梁段的施工。行走阶段滑梁后吊点不动，但滑梁伸长，跨度增大至10 m。

2.4.2行走主桁架抗倾覆分析

根据本工程挂篮的设计，在行走过程中每套挂篮设置4个反扣轮，保证行走过程中的安全。将挂篮的一榀桁架作为计算单元进行抗倾覆验算，受力如图7所示。

图7行走主桁架支点受力

由图7可以看出，最大竖向反力出现在主桁架后反扣轮处，为246 kN。

通过计算得出挂篮在行走过程中的安全系数k=276，故k>2，满足规范要求。

3结语

（1）挂篮结构受力安全是保证悬臂施工的关键。本文通过建立合理的有限元模型，对挂篮在施工和行走过程中各构件的传力机理进行分析计算，得到各构件应力、稳定性及抗倾覆等方面的结果，得知该菱形挂篮在2种工况下均具有较好的稳定性，满足施工安全要求。

（2）对本挂篮进行模拟分析时，有些地方考虑不够全面，如未考虑风荷载的作用，只是对挂篮主要受力构件进行了分析而未对挂篮体系做可靠性深入研究。计算是基于钢材的线弹性理论而未对钢材的塑性发展过程进行有限元分析。

（3）将有限元软件MIDAS应用于挂篮的设计，通过建立挂篮的有限元模型，对结构杆件进行受力分析及抗倾覆验算，保证挂篮在施工过程中的安全性能，可为同类挂篮系统有限元软件设计计算和悬臂浇注施工提供指导。

参考文献：

[1]彭磊.关于桥梁施工中悬臂挂篮技术的探索[J].交通世界，2015（11）：9091.

[2]周禁洪，肖伟，钟伟.挂篮加载仿真分析与应用[J].交通科技与经济，2011（4）：47.

[3]徐郁峰，梁立农，宋神友.高赞大桥挂篮有限元仿真分析[J].筑路机械与施工机械化，2008，25（2）：6770，73.

[4]叶斌，朱玉宝，石维铃，等.连续刚构箱梁悬臂施工菱形挂篮受力分析[J].交通科技，2016（1）：1720.

[5]张建超，许宏伟，郭文武.基于MIDAS的连续梁挂篮抗倾覆分析[J].筑路机械与施工机械化，2012，29（11）：7679.

[6]张艳芝.三种桁架式挂篮受力性能研究[D].重庆：重庆交通大学，2009.

[7]刘成钢.某变截面桥梁复合牵索三角挂篮悬臂施工及仿真计算[D].武汉：武汉科技大学，2014.

[8]周可夫.PC斜拉桥施工仿真计算与控制[D].西安：长安大学，2005.

[9]黄金，刘强.永蓝东路桥挂篮仿真分析[J].水利与建筑工程学报，2011，9（6）：14649.

[10]张争鹏.复合式牵索挂篮设计与应用技术研究[D].西安：长安大学，2010.

[责任编辑：杜敏浩]