大跨度连续梁桥菱形挂篮优化设计

2023-02-12师新虎,李树鼎，黄亚磊

四川建筑 2023年5期

师新虎, 李树鼎，黄亚磊

[摘要]菱形挂篮是桥梁悬臂施工过程中的常见辅助结构，但其变形通常较大，容易超出规范限值。以某典型连续梁桥的菱形挂篮为例，基于Midas/civil有限元分析软件，从菱形挂篮吊杆的布置方式、主桁架的截面尺寸以及菱形挂篮吊带的材料等3个方面对菱形挂篮进行了优化设计，进一步研究3种改进方案对菱形挂篮施工安全及整体受力性能的影响。结果表明：适当增大挂篮主桁架箱形截面腹板尺寸可以有效地提升挂篮主桁架的强度安全系数并降低挂篮的竖向挠度；网状吊杆布置可以有效地减小吊杆的组合应力峰值、主构件的剪应力峰值以及前上横梁的剪应力峰值，但同时也会增大其组合应力峰值；从强度方面来看增大挂篮主桁架箱形截面腹板尺寸优于其他2种改进方案。

[关键词]连续梁桥；菱形挂篮；网状吊杆；组合应力；优化设计

[中国分类号]U445.463 [文献标志码]A

0引言

随着社会的发展，菱形挂篮在连续梁桥中应用也越来越多，相比三角挂篮，它具有受力小，承载能力大，浇筑梁块大，结构整体稳定好等优点，但其构件较多，重量较大［1］。基于菱形挂篮受力的合理性，菱形挂篮在桥梁施工中仍有较广泛的应用［2］。菱形挂篮的主受力桁架为菱形结构，可认为是在平行桁架式挂篮的基础上简化而来。菱形主桁架结构较简单，受力明确，各构件均是拉压杆件，节点受力，不存在受弯现象，具有较大的承载能力，工作系数一般在0.3～0.6之间［3］。挂篮结构的静力性能分析是确保桥梁施工安全的最基本的内容。在施工阶段，为了保证桥梁安全施工，必须分析整个挂篮结构在不同受力条件下其内力及变形。尤其对于挂篮的后锚系统及主桁架而言对其进行强度、刚度、稳定性计算十分重要［4］。确保整个挂篮体系安全可靠也是桥梁安全施工的重要部分，鉴于此，国内不少学者对施工挂篮进行了优化设计来尽可能改善挂篮整体的受力性能。靳晓燕等［5］对王家河大桥的菱形挂篮进行了改进设计以及对其施工关键技术进行了专门的研究。结果表明改进后的菱形挂篮具有足够的承载能力且变形较小，可以满足施工要求。肖向荣［7］为改善前支点挂篮的局部受力及提高主梁施工进度，对前支点挂篮的张拉机构、止推器、反顶轮、顶升机构等结构进行了优化设计，结果表明：改进后的前支点挂篮整体受力满足要求。安德权［6］对菱形挂篮进行了优化设计与检算，提高了菱形挂篮的经济价值和施工安全质量。

以上学者在一定程度上虽然丰富了挂篮的优化设计，但对大跨度连续梁桥［8-9］的菱形挂篮的吊杆布置方式、主桁架的截面形式以及吊杆的材料等方面并未作详细地改良。因此，本文以改善挂篮整体受力性能（强度、刚度、稳定性）为出发点，对大跨度菱形挂篮的主桁架、吊杆等关键构件进行优化设计，提高菱形挂篮的经济价值和施工安全质量，从而为实际工程提供参考。

1工程概况

某预应力混凝土连续梁桥主跨为（42+66+42） m，桥位场区类型为Ⅱ类场地，最大墩高为16 m，其1#块主梁采用箱形混凝土截面，材料采用C60混凝土。箱梁典型横断面如图1所示，其采用挂篮的总体结构如图2所示。

本文以上述桥梁为研究背景，以其在桥梁施工过程中的菱形挂篮为研究对象对该挂篮进行分析，分别计算恒载、活载对结构受力性能的影响。

2有限元模型建立

基于 Midas/Civil 2019软件平台建立菱形挂篮有限元模型，挂篮杆件均采用空间梁单元模拟。模型中充分考虑了各部件的实际空间位置，新浇注梁重、人员机具荷载、混凝土浇注冲击荷载通过建立板单元以面荷载形式加载。挂篮有限元模型如图3所示。

2.1荷载及材料参数

混凝土容重：26.5 kN/m3；人员及机具荷载：1.5 kN/m2；混凝土振捣：2.0 kN/m2；混凝土倾倒：2.0 kN/m2；模板及支架荷载：按混凝土容重的25%计算，具体荷载参数如表1所示。菱形挂篮的主桁架、底板纵梁、横梁主要构件材料均采用Q235钢，其具体参数见表2。

2.2菱形挂篮系统优化

原挂篮设计主桁架竖向变形最大值为11 mm，挂篮侧模吊梁竖向变形最大值为17.12 mm，而挂篮底模纵梁的竖向变形值最大为20.68 mm，超出容许的20 mm，因此，在施工前挂篮需加载预压，准确确定挂篮的弹性变形量，在主梁立模时应考虑此变形。

原菱形挂篮设计满足强度、稳定性要求，此节不再赘述，因原挂篮底模纵梁的竖向挠度超规范限值，故对菱形挂篮进行优化设计以满足施工安全及整体受力性能要求。本文主要通过3种方式对挂篮受力性能进行优化：①改变主桁架的截面尺寸；②改变吊带的布置方式；③改变吊带材料。表3给出了菱形挂篮具体的优化设计方案。

3优化方案效果对比

3.1优化方案各主构件强度对比

表4给出了基本荷载组合下（1.2× （ Q1+Q2+Q5） +1.4×（Q3+Q4））的组合應力峰值与最大剪应力强度验算对比分析。图4（a）给出了挂篮主构件在组合应力情况下的强度安全系数对比，图4（b）给出了挂篮主构件在剪应力情况下的强度安全系数对比。

从表4可以看出：方案一、方案三挂篮主构件的强度验算都满足要求，因方案二中吊杆采用Q235钢，其吊杆的峰值应力为216.33 MPa，Q235钢的屈服应力为235 MPa，因此强度验算中方案二的吊杆不满足强度要求。对比分析3种挂篮的改造方案，网状吊杆布置可以有效地减小吊杆的组合应力峰值、主构件的剪应力峰值以及前上横梁的剪应力峰值，其中前上横梁的剪应力峰值减小了10.8%；改变吊杆带的材料可以减小前上横梁的剪应力，但同时也会增大其组合应力峰值，除此之外，其吊杆的峰值应力虽然明显降低，但超过强度容许值215 MPa；改变主桁架的箱形截面的腹板厚度即适当增大腹板的厚度可以显著降低挂篮主桁架的峰值组合应力与剪应力，依次分别减小1.5%与21.3%，前上横梁的剪应力峰值减小约10.87。从强度方面来看方案三优于前2种改造方案。

从图4（a）与图4（b）可以看出方案三在组合应力情况下其强度安全系数最低在3.0以上，在剪应力情况下其强度安全系数最高达到13.8。

3.2优化方案各主构件刚度对比

经优化后，3种优化方案挂篮底模纵梁的竖向变形均控制在20 mm以内，其中方案三挂篮底模纵梁的竖向变形值为19.29 mm，方案三优化效果较方案一、方案二更加明显，通过优化设计，挂篮刚度满足了规范要求，确保了桥梁施工安全的可行性。

3.3优化方案主桁杆件稳定性能对比

3种优化方案下挂篮主框架的最大轴力均发生在主框架前节点斜杆上，相较方案一与方案二，方案三主框架前斜杆轴力值达到最大，约为410.88 kN，方案二轴力值最小，约为406.09 kN，根据式（1）、式（2）可计算结构稳定系数。

λ＝μ×h/i（1）

N≤φ·A·f（2）

式中：λ为为构件长细比；i为构件回转半径；h为构件长；φ 为稳定系数；μ取值1.2。

根据构件截面特性及相关参数计算得到2种优化方案挂篮的稳定性均满足规范要求，其中方案二得到挂篮主框架的稳定性能要高于方案一与方案三。

4结论

基于Midas/Civil软件平台对优化后的菱形挂篮进行了静力性能分析与对比，从结构强度、刚度、稳定性3方面分析得出结论：

（1）对于菱形挂篮而言，在所有关键构件的应力峰值中，吊杆带的组合应力最大，挂篮底模纵梁的剪应力最大。对于本算例而言，挂篮主桁架前方斜立柱处于受压状态其稳定性安全系数可达到5.76，較为安全。