挂篮整体建模与单独杆件计算结果的对比分析
2018-12-23杨宝辉
杨宝辉
（中铁三局集团桥隧工程有限公司，四川 成都 610000）
挂篮整体建模与单独杆件计算结果的对比分析
杨宝辉
（中铁三局集团桥隧工程有限公司，四川 成都 610000）
结合杭长客专长沙绕城高速立交特大桥连续梁（60 m＋4×100 m＋60 m）挂篮的施工实践，介绍了本桥轻型挂篮的结构设计。着重从挂篮的整体建模分析结果与手算结果的对比得出挂篮杆件简化计算的力学模型，为同类桥梁挂篮受力分析提供一定的借鉴。
挂篮；整体建模；手算；力学模型
1 工程总体概述
杭长客运专线HCHNII标长沙绕城高速立交特大桥位于长沙市雨花区，全桥布置为6－32 m简支箱梁＋2－24 m简支箱梁＋1－32 m简支箱梁＋（60＋4×100＋60）m连续连＋1－32 m简支箱梁＋1－24 m简支箱梁，主桥跨越市政道路和绕城高速李家塘互通，其中，跨绕城高速连续梁跨度为60 m＋4×100 m＋60 m。
2 挂篮设计介绍
本挂篮是为杭长客专长沙绕城高速立交特大桥连续梁（60＋4×100＋60）而设计，挂篮形式为菱式。挂篮走行为整体移动，一次性到位。主吊带、滑梁吊带为16Mn钢板制作，底主锚为φ70 mm丝杠，后锚为φ25 mm精轧螺纹，其余悬吊锚固杆均为φ32 mm精轧螺纹钢。为节省成本及操作轻便，挂篮设计自重为49 t，为轻型组合式挂篮。为提高桥梁悬灌质量，挂篮组合位移控制在20 mm以内。挂篮总图见图1.
2.1 挂篮设计控制指标：利用系数
挂篮设计的主要控制指标为：挂篮的总用钢量与最大块之比值K1、主桁架用钢量与最大块件质量之比值K2。K1值越低，表示整个挂篮设计越合理；K2值越低，表示挂篮承重构件的受力越合理，即使用材料越节省。国内外对挂篮所用材料数量常用一个系数，即挂篮利用系数来表示：挂篮利用系数＝浇筑最大梁段混凝土重/挂篮总重.
本挂篮的利用系数如下：
浇筑最大梁段混凝土质量：159.625 t（4#段）；
挂篮总重：49 t；
利用系数：159.625/49＝3.26.
2.2 挂篮构造
本挂篮由主桁系、底模系、外模系、内模系、前吊系、底锚系、走行系和施工平台组成。
图1 绕城高速立交特大桥连续梁菱形挂篮总图（单位：mm）
2.2.1 主桁系
两主桁位于桥面竖向预应力筋位置（L＝6 100 mm）。主桁系是挂篮主要受力构件，在悬灌施工中主要承受底模系传来的竖向拉力。主桁系由4根杆件铰接构成，外型呈菱形。各杆由型钢和板焊成，2×[32a槽钢及10mm厚缀板，各杆件通过销子铰接在各节点块上。两片主桁通过前横梁和主桁横联构成整体。主桁片通过活动滑座座在滑轨上，后端通过反扣装置扣在滑轨后端，灌注时用竖向预应力筋和锚梁把主平杆后结点锚固在桥面上，以平衡前部底模的竖向拉力。
2.2.2 底模系
底模系位于悬灌箱梁底部，是挂篮主要受力构件，承受箱梁悬灌施工荷载。底模系由前后托梁及各纵梁、工作梁及上模板组成，与砼接触处辅制上模板。上模板为8 mm面板。底模系前吊带悬挂在前横梁上，后托梁由2个底锚锚固在已成梁段上。后托梁两端由2根吊杆悬挂在已成梁段翼板上，另有2根吊杆吊在外滑梁，承吊底模以便走行。
2.2.3 外模系
外模系主要承受腹板砼产生的侧压力及翼板砼荷载。外侧模为一整体。外模系主要靠滑梁承吊。侧模开有对拉筋孔，以连接2片侧模和内模，可抵抗腹板砼的侧压力，又可保证侧模与已成梁段的很好密合。侧模为桁架式，以提高刚度。
2.2.4 内模系
内模系主要承受顶板砼荷载，通过2根内滑梁悬吊在前横梁和已成梁段上。内模分2块，可随腹板厚度进行调节。
2.2.5 前吊系
前吊系为16Mn钢制板带，承受底模前部拉力。吊带分单吊带和双吊带，用销子连接。上部承吊在前横梁上，下部铰接在前托梁上，随梁高变化用千斤顶提升底模变换孔距，以调整底模高度。高度调整主要靠吊带上的销孔，微调可用千斤顶调节。
2.2.6 底锚系
底锚系位于底模后托梁和已成梁段底板上，主要承受底模系后部拉力。底锚杆通过预留孔把后托梁锚固在已成梁段上。中锚采用Φ32精轧螺纹钢锚固，其主要作用是保险和密封底模、已成梁段。
2.2.7 走行系
走行系桥面部分主要由滑轨、活动滑座、反扣装置、悬吊平斜杆和千斤顶顶座构成。走行时活动滑座坐在滑轨上，后部由反扣轮挂在滑轨上，整体稳定。在滑轨上固定液压顶顶座，通过液压顶顶推活动滑座使整个挂篮顺滑轨前行。
走行系桥面以下部分为4根滑梁和滑梁后吊轮。后吊轮悬挂在已成梁段和滑梁上。挂篮走行时内模、外模、底模和主桁同步前行，滑梁通过后吊轮向前滑动。
2.2.8 施工平台
施工平台分前施工平台、底施工平台和侧模工作平台。前施工平台主要方便施工人员涨拉、调整底模高度用。底施工平台主要用于底锚的拆装及箱梁底面的砼表面处理。侧工作平台主要用于处理侧面砼和滑梁吊轮的拆卸。本挂篮只设计底工作台、底模侧工作台，底模前工作台和主桁上工作台可现场采用螺纹钢或其他型钢件临时焊接。
3 挂篮整体建模分析与手算分析结果对比
3.1 挂篮计算参数
挂篮计算参数如下：
混凝土容重：26.5 kN/m3；
混凝土超灌系数：1.05；
动载系数：1.2；
模板自重：外模系取12 t，内模系取4 t；
施工人员及施工机具荷载：2.5 kN/m2。
3.2 荷载计算
箱梁荷载的施工方式：以4#段为例，沿桥纵向截1 m计算其线荷载。两侧翼缘荷载由外滑梁分担，两侧腹板荷载由边纵梁分担，顶板荷载由内滑梁分担，底板荷载由中纵梁分担。
模板荷载：外模荷载以均布荷载施加于外滑梁，内模荷载以均布荷载施加于内滑梁。
图2 计算模型图
3.3 有限元模型
用有限元软件MIDAS/CIVIL2010对挂篮进行三维仿真分析，吊杆用桁架单元模拟，其余杆件用梁单元模拟。主桁架与已施工梁段锚固处分别施加固定和竖向约束，其他节点为铰结。空间结构计算模型如图2所示。
图3 前托梁支反力计算图（单位：mm）
3.4 手算力学模型
纵梁、内外滑、前横梁按简支梁计算，托梁按连续梁计算，主桁按桁架的计算模型计算。下面就前托梁计算过程为例介绍手算的方法。前托梁受力计算图如图3所示。轮流单独地放松各节点、逐次进行弯矩分配和传递，过程详见表1.根据力平衡条件求得：VA＝VD＝109.8 kN，VB＝VC＝382.4 kN。
表1 弯矩分配法
表2 计算结果（灌筑混凝土工况）
图4 前托梁弯矩图（单位：kN·m）
根据弯矩分配法得知最大弯矩：M＝123.2 kN·m。
前托梁弯矩图如图4所示。
叠加梁的自重：G＝13.065 kN。
得出支反力：RA＝RD＝113.1 kN，RB＝RC＝385.7 kN。
截面变化处的弯矩为：M＝85.84 kN·m。
强度校核：
4 2种方法分析结果对比
2种方法分析结果对比情况如表2所示。
5 结束语
通过采用2种计算模型对长沙绕城高速立交特大桥连续梁（60＋4×100＋60）m菱形挂篮进行计算分析，并对比结果得到如下结论：①纵梁、滑梁、前横梁简化为简支梁的力学计算模型是合理的；②前后托梁简化为连续梁时，与三维仿真模拟有较大差别；③主桁简化为桁架结构计算。
［1］路桥集团第一公路工程局，湖南省公路桥梁建设总公司，四川路桥建设集团有限公司.JTJ 041—2000公路桥涵施工技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2000.
［2］陈伟，李明.桥梁施工临时结构设计［M］.北京：中国铁道出版社，2002.
［3］北京钢铁设计研究总院，重庆大学，西安建筑科技大学，等.GB 50017—2003钢结构设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2003.
U445.4
A
10.15913/j.cnki.kjycx.2018.01.009
2095－6835（2018）01－0009－03
杨宝辉（1983—），男，本科，研究方向为现场技术管理创新。
〔编辑：刘晓芳〕
