下承式钢管拱桥主梁悬浇前支点挂篮优化设计研究
2022-05-12高明
高 明
(中铁十六局集团第三工程有限公司 浙江湖州 313000)
1 前言
钢管拱桥由于其造型优美、受力性能好，在现有桥梁建设中常常被设计者所喜爱，钢管混凝土组合结构除了具有延性好、高强度、耐冲击、耐疲劳等一系列力学方面的优点外，还具有架设轻便、节约材料、施工快速等施工方面的优点。将混凝土和钢材进行完美结合，为桥梁建设提供新的设计思路，使钢管拱桥在拱式体系桥梁中得到大量应用。目前钢管拱桥主要在大跨度跨越障碍时采用，主要有上承式、中承式和下承式三种类型[1－3]，根据现场施工条件不同，采用不同的设计方式。下承式拱桥主梁一般采用支架现浇方法，无需分节段施工[4－5]，但对于搭设支架困难地域，例如地质条件差、跨越河道等一般采用挂篮施工[6－7]。本项目主梁现浇采用挂篮施工，与常规挂篮施工最大的区别在于利用拱桥永久吊杆作为挂篮前支点，使挂篮在受力和材料使用量上明显降低，可实现全桥无支架施工，最大限度地少占用、不占用通航河道，不影响河道通船安全，为后续类似工程挂篮施工提供参考，节约施工成本。
2 工程概况
申嘉湖高速公路连接线工程被浙江省划为重点建设A类项目，其中本项目承建工程起止桩号GK4＋950～GK5＋45.034及K3＋500～K5＋350两处，合同范围内路线总长为1.945 km，线路整体设计采用双向六车道的一级公路标准进行建设，公路设计速度为80 km/h，整体式路基宽度要求大于60 m，汽车荷载等级为公路—Ⅰ级。互通区域跨航道桥为下承式钢管混凝土拱桥，桥梁单跨全长103.66 m，拱轴线按二次抛物线设计。桥梁设计净空相对较小，跨高仅为20 m。拱肋采用哑铃型钢管混凝土，吊杆为PES7-85成品拉索，在拉索外侧采用不锈钢外包保护，吊杆之间距离为510 cm，整个桥跨共设置18对吊杆。桥梁下部为长湖申运河，交通繁忙，航道部门要求不允许施工长期占用主航道，因此须采取一种对航道影响较小的施工措施，给现场施工带来较大困难。图1为拱桥模型。
图1 拱桥模型
3 挂篮计算
3.1 有限元模型构建
由于有限元模型中挂篮主要通过节点传力，因此各杆件之间的连接主要通过共节点完成，如杆件之间的焊接。挂篮与吊杆连接直接简化成杆单元和梁单元的连接；对于挂篮的行走装置、后锚装置均不在模型中具体体现，可通过施加约束的方式进行处理，以减少建模难度。主梁荷载简化成均布荷载施加于桁架上，根据建模原则，部分面荷载简化成线荷载。图2为挂篮整体有限元模型。
图2 挂篮有限元模型
3.2 计算荷载
混凝土荷载:根据《公路桥涵施工技术规范》，桥梁混凝土容重取26 kN/m3，经计算，标准节段边主梁重61 t，横隔梁重63.1 t。
模板荷载:根据设计模板自重为250 kN。
人群及施工荷载:根据《建筑结构荷载规范》，人群及施工荷载取1.5 kN/m2。
风荷载:根据《建筑结构荷载规范》，风压值w＝v2/1 600[8－10]。风荷载按下式计算:
式中:wk为风荷载标准值(kPa)；βgz为高度z处的风振系数；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数；w0为基本风压(kPa)。
通过对施工区域多年风速记录的调查，施工区域可按B类地区计算其风荷载，其中风速v＝13.6 m/s。
风荷载标准值:计算标高h＝15 m，μz＝1.13，模板部分体型系数μs＝1.0。
式中:ξ为脉动增大系数，ξ＝1.47；ν为脉动影响系数，ν＝0.5；φz为振型系数，φz＝1.0；μz为风压高度变化系数，μz＝1.13。
将数据代入上述公式得:
非工作状态风速最大可按12级风进行计算，因此基本风速v＝32.6 m/s。
根据《公路桥涵施工技术规范》相关规定可知，主梁模板的面板变形量要求f≤1.5 mm；查询《通用门式起重机》规范可知，挂篮主梁简支段挠度取值范围要求≤L/500，向外伸出的梁段悬臂端挠度取值范围要求≤L/350；《起重机设计规范》中[11－12]，对钢材许用应力做了明确要求，对于施工中出现的弯曲、压缩、拉伸，其许用应力按两种方式计算:
(1)对σs/σb＜0.7的钢材
规范中关于基本许用应力[σ]计算方法，通常用材料屈服极限应力σs除以安全系数n得出，如表1所示。
表1 钢材基本许用应力及强度安全系数n
(2)当σs/σb≥0.7时，基本许用应力[σ]按下式计算:
式中:σb为材料的抗拉强度，N/mm2；σs为材料的屈服极限，N/mm2，当材料无明显的屈服极限时，取σ0.2；n为强度安全系数。
本项目施工挂篮可按第Ⅱ类载荷组合进行计算，即按挂篮正常工作条件下承受的最大载荷进行强度验算。挂篮承载平台结构采用Q235B钢材，其他如滑块、止推座和锚固梁等结构材料为Q345B。当按第Ⅱ类载荷进行组合计算时，安全系数取1.34。销轴、张拉杆等材料为40 Cr和42 CrMo，根据《机械设计手册》，当销轴直径d＜300 mm时，σs/σb＞0.7，销轴基本许用应力为:
4 主体结构各工况计算分析
4.1 工况1计算分析
工况1:边主梁混凝土浇筑完成未凝固时遭遇13.6 m/s的大风，分析挂篮工作状态下的受力情况。
砼荷载:610 kN；
人群及施工荷载:1.5 kN/m2；
模板荷载:150 kN；
风荷载计算值:wk＝0.216 kN/m2。
计算结果如图3所示。
图3 工况1挂篮整体应力云图
由计算中可知:
σmax＝33.20 MPa＜[σ]＝175 MPa，挂篮结构强度满足要求。
4.2 工况2计算分析
工况2:横隔梁混凝土浇筑完成未凝固时遭遇13.6 m/s大风，风向垂直向下，计算该工况下后吊架系统的受力情况。
砼荷载:631 kN；
人群及施工荷载:1.5 kN/m2；
模板荷载:100 kN；
挂篮自重:模型可自动计算；
风荷载:wk＝0.216 kN/m2。
计算结果如图4所示。
图4 工况2后吊架整体应力云图
由图4可知，在工况2荷载作用下，后吊架结构最大应力值出现在跨中贝雷梁下弦杆处，σmax＝181.5 MPa＜[σ]＝257 MPa，挂篮结构的整体强度满足规范要求。
4.3 工况3计算分析
工况3:混凝土浇筑完成并达到规定强度，但此时挂篮已经脱模完成并开始行走，遭遇13.6 m/s的大风，风向垂直往下，计算该工况下挂篮的受力情况。
人群及施工荷载:1.5 kN/m2；
模板荷载:150 kN；
挂篮系统自重:可由模型自动计算得出；
风荷载:wk＝0.216 kN/m2。
计算结果如图5所示。
图5 工况3挂篮整体应力云图
提取有限元计算数据，工况3挂篮行走反滚轮单点反力为51 kN，挂腿单点支反力为235 kN。
通过有限元模拟，在工况3条件下，挂篮整体结构最大应力发生在挂腿转折交点位置，此时σmax＝153.1 MPa＜[σ]＝175 MPa，挂篮整体结构强度完全满足规范要求。
4.4 挂篮稳定性计算
(1)工况4:混凝土浇筑完成一段时间但并未完全凝固前，遭遇区域最大风速影响，预计风速为32.6 m/s，且假设方向竖直向下，检算挂篮的整体稳定性。
模板荷载:150 kN；
挂篮系统自重:400 kN；
砼荷载:610 kN；
风荷载:wk＝1.238 kN/m2。
顶升机构极限受力按单个500 kN计。顶升过程中，顶升系统产生的稳定力矩:
承载平台自重产生的稳定力矩为:
模板系统产生的倾覆力矩为:
经计算，工况4情况下模板受到的风荷载大小为Pw＝20 kN，此时风荷载产生的倾覆力矩:
砼荷载产生的倾覆力矩为:
挂篮总倾覆力矩为:
挂篮稳定力矩与倾覆力矩之比为:
可以看出，在浇筑混凝土时挂篮整体稳定性满足规范规定。
(2)工况5:挂篮位于标准节段行走，当遭遇风速32.6 m/s阵风荷载时(方向为竖直向下)，计算挂篮稳定性。
模板荷载:150 kN；
挂篮系统自重:400 kN；
风荷载:wk＝1.238 kN/m2。
由于工况5为挂篮在非工作情况下行走，其上部没有混凝土压力荷载的作用，稳定性比施工中的稳定性要差，因此必须对挂篮的整体稳定性进行验算，避免危险发生。挂篮在行走过程中主要反扣轮产生力矩保证挂篮稳定，工程中选择的反扣轮单个极限承载力为200 kN。
挂篮平台自重产生倾覆力矩为:
模板系统产生的倾覆力矩为:
风荷载产生的倾覆力矩为:
挂篮总倾覆力矩为:
倾覆力矩在顶升机构位置产生的反力:
可见，挂篮在行走过程中，其整体抗倾覆稳定性完全满足规范要求，保证了施工安全。
5 结论
(1)下承式钢管拱桥混凝土主梁采用挂篮施工，挂篮设计利用拱桥吊索作为挂篮的前支点，有效减小挂篮的受力状态并减轻挂篮自身重量，实现主梁的无支架现浇施工，同时挂篮的成功应用有效解决了施工过程对河道通航的影响。
(2)对前支点挂篮进行有限元模拟计算，通过分析不同工况下挂篮受力特点，得出最不利情况下挂篮最大应力值，确保其受力在钢材允许范围内，从而保证了现场施工安全，为施工提供了理论支撑。
