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        斜拉橋牽索式掛籃設計及空間仿真分析

        2015-10-21 19:08:14劉笑材
        建筑工程技術與設計 2015年17期
        關鍵詞:縱梁掛籃斜拉橋

        劉笑材

        【摘 要】斜拉橋主梁施工中常用的牽索式掛籃結構具有明顯的空間性,本文結合某斜拉橋前支點掛籃的結構設計,利用大型有限元分析軟件ANSYS對該前支點掛籃結構進行了空間仿真分析,在不同工況下,研究了掛籃結構的應力分布、變形情況。結果表明掛籃設計滿足施工要求,同時基于分析結果及研究結論可供其他工程的類似問題提供參考。

        【關鍵字】牽索式掛籃;斜拉橋;內(nèi)力;變形

        牽索式掛籃施工是目前大跨度混凝土斜拉橋主梁施工常用的方法。該法利用施工過程中當前梁段的斜拉索作為掛藍的前支點,從而與掛藍的中支點和后支點錨固裝置組成了掛藍的約束系統(tǒng)。在主梁每一節(jié)段混凝土澆筑過程中,通過分次張拉牽索,及時把澆筑的混凝土重量傳遞到塔柱上,從而大大降低了已澆梁段的負彎矩及其提供給掛籃的豎向反力,同時使正在施工節(jié)段前端的位移變化量控制在較小的范圍之內(nèi),保證了結構和施工的安全。同時,由于掛籃多了一個前支點約束,使得掛籃的整體剛度有所提高,從而可以使掛籃做得輕巧一些,減少用鋼量,節(jié)省造價。

        一、 掛籃設計

        本文研究斜拉橋跨徑布置為155+155m獨塔雙索面預應力混凝土斜拉橋,主梁采用雙縱肋式連續(xù)梁。標準梁段雙縱肋梁肋高2.7m,肋寬2m,肋間距26.75m,頂板厚為0.28m,頂板下設有兩道縱向加勁小縱肋,肋高1米,肋寬0.5米,梁頂面設2%的雙向橫坡,梁頂全寬32.5米。主梁除0號塊、1#塊及邊墩現(xiàn)澆段在支架上澆筑外,其余標準節(jié)段均采用牽索掛籃懸澆方法施工。懸臂澆筑節(jié)段長6m、寬32.5m,掛籃由承載平臺、牽索系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、操作平臺及預埋件系統(tǒng)等組成[1]。設計承載混凝土重量380t,掛籃、模板自重約為170t。

        二、有限元模型的建立

        1.1 模型簡介

        斜拉橋牽索掛籃的承載平臺系統(tǒng)為剛架結構,該結構為一大型空間剛架系統(tǒng)。通常采用的計算方法是將其簡化成平面體系,逐桿進行分析計算。此方法計算的數(shù)值偏大,結果相對保守。同時,掛籃整個結構的行為具有明顯的空間性,因此,建立掛籃結構空間有限元模型分析掛籃結構的力學行為十分必要。而空間梁系模型只能反映掛籃結構總的受力趨勢,要了解掛籃結構的關鍵和局部位置的具體應力分布規(guī)律,則必須建立空間實體模型進行分析研究[2]。

        在模型建立過程中,箱式梁的腹板、上下翼緣板、橫隔板、加強板、縱筋角鋼、連接板、分配梁的工字鋼等均采用板單元(Shell63),橫隔板的包邊板采用桿單元(Link8),主縱梁前端開叉處的連接鋼管采用管單元(Pipe16)。掛籃整體幾何模型圖,如圖1所示。

        1.2 荷載工況

        2.2.1 施工載荷

        掛籃主體結構計算主要包含的載荷有:(1)混凝土荷載:按節(jié)段重量380t計算;(2)掛籃結構自重:由計算模型自動計入;(3)風載荷:工作基本風速不大于13.6m/s,非工作基本風速不大于32.6 m/s;(4)施工載荷:根據(jù)公路橋涵施工技術規(guī)范,施工人員、機具等載荷按1.5kN/m考慮;(5)張拉機構索力。其中(2)、(3)項為在任何工況均有的載荷,而(1)、(4)、(5)則根據(jù)不同的工況進行選取。

        2.2.2 計算工況

        根據(jù)斜拉橋設計要求,斜拉索在施工時不能一次預拉到位,而是在施工過程中不斷調(diào)整索力,進行施工控制[3]。因此,根據(jù)施工設計,計算工況分為7種:

        工況(1):掛籃定位并錨固好,初張拉設定單索索力1300kN,考慮垂直方向風(基本風速13.6m/s)。

        工況(2):初張拉設定單索索力1300kN,混凝土澆注一半,未凝固,考慮垂直方向風(基本風基本風速13.6m/s)。

        工況(3):混凝土澆注一半,未凝固,斜拉索二張完成,二張索力2480kN,考慮垂直方向風(基本風基本風速13.6m/s)。

        工況(4):斜拉索二張完成,二張索力2480kN,混凝土澆注完成,未凝固,考慮垂直方向風(基本風基本風速13.6m/s)。

        工況(5):混凝土澆注完畢,掛籃承載平臺下放時受力計算。

        工況(6):掛籃行走時的受力與變形。

        三、有限元計算結果分析

        a) 應力結果

        對掛籃結構進行承載能力極限狀態(tài)下的分析計算后可以看出,如表3-1,掛籃主縱梁、前橫梁、中后橫梁及拱架頂縱梁均在工況(4)達到最大應力狀態(tài)。主縱梁最大應力95.9MPa,拱架頂縱梁最大應力124.7MPa。拱架拱圈在工況(3)應力最大達到74.2MPa。掛籃每工況各部位應力均比理論允許值([RW1.2]=252MPa)小,掛籃的使用性能滿足施工要求。

        b) 位移結果

        如表3-2,掛籃在工況(6)即掛籃行走狀態(tài)下由于豎向主要承受結構自重荷載位移最大,主縱梁向下位移為27.2mm,拱架頂縱梁位移最大達29.6mm。掛籃在工況(3)即受二張索力工況下主縱梁和前橫梁產(chǎn)生上撓,主縱梁向上位移16.1mm,前橫梁向上位移9.3mm。

        四、結論

        (1)從掛籃有限元模型分析計算結果可知:掛籃各項變形值和應力值均在理論控制值范圍內(nèi),說明該掛籃主梁抗彎能力等均滿足設計要求,具有足夠的應力和變形儲備。

        (2)掛籃應力分析可檢驗掛籃的質量及安全性,有效地控制掛籃的非彈性變形,為掛籃施工和線性控制提供依據(jù)。此外,應對施工過程中的掛籃實際變形進行測試,保證施工質量。

        【參考文獻】

        [1]卜驕.牽索掛籃在斜拉橋主梁懸澆施工中的應用[J].公路交通科技:應用技術版,2012, 1(85):122.

        [2]李照眾,王立彬,許國祥等.斜拉橋牽索掛籃有限元分析[J].南京林業(yè)大學學報:自然科學版,2009,33(3):121-124.

        [3]王世紅,侯俊明,白青俠等.牽索式掛籃內(nèi)力分析方法[J].中南公路工程,2000,25(3): 41-42.

        [4]殷濤,胡成, 曹愛虎.斜拉橋牽索掛籃施工模擬計算與分析研究[J].安徽建筑工業(yè)學院學報:自然科學版. 2013.12,21( 6):10-13.

        [5]蘇成,陳太聰,韓大建等.崖門大橋主梁牽索掛籃施工模擬計算[J].橋梁建設,2003,1:12-15.

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