胡漢鋼

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西　南寧　530011)

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古龍?zhí)卮髽蜻B續(xù)剛構(gòu)懸臂施工掛籃仿真分析

胡漢鋼

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西南寧530011)

文章結(jié)合古龍?zhí)卮髽蛉切螔旎@懸臂澆注施工實(shí)例，采用Midas/Civil計(jì)算軟件對(duì)該掛籃進(jìn)行空間仿真分析，驗(yàn)算了不同工況下掛籃結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布、變形情況，保證了掛籃設(shè)計(jì)及施工中的結(jié)構(gòu)安全，為今后同類型掛籃設(shè)計(jì)與施工提供計(jì)算分析依據(jù)。

大跨度；掛籃；Midas/Civil計(jì)算軟件；仿真分析

0　引言

懸臂掛籃澆筑法施工是目前修建大中型跨度橋梁的一種比較有效的施工手段，其施工方法是將梁劃分成長(zhǎng)度合理的節(jié)段，并用掛籃進(jìn)行懸臂對(duì)稱澆筑施工。掛籃是一個(gè)能夠相對(duì)獨(dú)立的可以自由行走移動(dòng)的承重結(jié)構(gòu)，掛籃懸掛在已經(jīng)張拉施工完畢的前端梁段上，在掛籃上進(jìn)行下一梁段的模板安裝、鋼筋綁扎、混凝土澆筑、預(yù)應(yīng)力張拉、壓漿等作業(yè)。當(dāng)完成本節(jié)梁段施工后，解除掛籃的約束，掛籃對(duì)稱向前移動(dòng)至下一個(gè)梁段，進(jìn)行下個(gè)梁段施工，如此循環(huán)施工，直到完成全部懸臂梁段施工。懸臂掛籃施工方法不受交通、通航、流水、深谷等影響，是大跨度橋梁跨越河流、山谷、交通繁忙線路的最佳方法。

本文主要針對(duì)古龍?zhí)卮髽驋旎@懸臂施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1　工程概況

古龍?zhí)卮髽驗(yàn)榇蠡涟婉R二級(jí)公路線內(nèi)跨紅水河的特大橋，橋跨組合為：(85+160+85)m+(4×30)m，橋長(zhǎng)459.08 m，主橋上部結(jié)構(gòu)為(85+160+85)m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)箱梁。梁高3.5～9.5 m；箱體頂板寬10.5 m，厚0.28 m；底板寬6.0 m，厚0.32～0.95 m；腹板厚0.5～0.8 m。箱梁底板上、下緣順橋向均為1.8次拋物線。全橋設(shè)置縱向、豎向預(yù)應(yīng)力體系，按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計(jì)。

主橋箱梁縱橋向劃分為22個(gè)節(jié)段，0#～1#段采用支架(托架)澆注，2#～19#節(jié)段采用掛籃懸臂澆注施工，20#節(jié)段為合龍段采用吊架施工，21#節(jié)段為現(xiàn)澆段采用支架施工。2#～19#節(jié)段長(zhǎng)度為3～4.5 m不等，懸臂澆注梁段最大控制重量1 670 kN。全橋2個(gè)主墩，采用2套掛籃施工。

2　結(jié)構(gòu)驗(yàn)算說(shuō)明

2.1主要技術(shù)參數(shù)

(1)混凝土自重G=26 kN/m3；

(2)鋼材彈性模量：ES=2.0×105MPa；

(3)主桁架、底欄、模板系統(tǒng)為A3鋼材，主桁架斜拉帶為16 Mn鋼材。

2.2掛籃構(gòu)造

本橋梁擬采用2套掛籃進(jìn)行連續(xù)箱梁的施工，一套掛籃自重約110 t，掛籃由主桁梁系統(tǒng)、吊掛系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、后錨及錨固系統(tǒng)幾個(gè)部分組成。

掛籃為三角掛籃，一根主桁梁由2根Ⅰ56#b類工字鋼組成。前下、后下橫梁由2根Ⅰ40#b類槽鋼相隔20 cm背對(duì)背并排組成。底板縱梁安裝采用][32#b雙槽鋼背對(duì)背并排組成。吊桿采用φ32mm精軋螺紋鋼，前下橫梁4對(duì)，后下橫梁4對(duì)。內(nèi)外滑梁為2根[30#b類槽鋼組成，走行軌道材料為兩根Ⅰ40b類工字鋼組成。掛籃結(jié)構(gòu)如圖1～3所示。

2.3有限元建模

2.3.1計(jì)算假定和說(shuō)明

根據(jù)本項(xiàng)目掛籃的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)計(jì)算中采用以下假定和說(shuō)明。

圖1　掛籃縱斷面圖

圖2　掛籃A-A橫斷面圖

圖3　掛籃B-B橫斷面

(1)由于掛籃的主桁系統(tǒng)和內(nèi)模架、外模架、底欄通過(guò)吊桿相連，計(jì)算可考慮先對(duì)內(nèi)模架、外模架、底欄進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，得出各吊點(diǎn)的支撐反力，然后把此支撐反力作為外力對(duì)主桁體系進(jìn)行驗(yàn)算。

(2)底欄的縱梁和橫梁組成的平面格梁體系進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)計(jì)算，單元?jiǎng)澐譃榭臻g梁?jiǎn)卧?，所受荷載為均布荷載。

(3)主桁體系按空間結(jié)構(gòu)計(jì)算，主梁按梁?jiǎn)卧?jì)算，立柱和鋼拉帶按桿單元計(jì)算。

(4)本驗(yàn)算未考慮風(fēng)荷載和地震荷載作用。

2.3.2荷載取值

混凝土荷載取值：26.0kN/m；

底模及人行機(jī)具荷載重：q3=2.0 kN/m2；

振搗荷載：q4=2.0 kN/m2。

3　驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，分別對(duì)底欄系統(tǒng)、主桁系統(tǒng)、模架進(jìn)行建模計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行四種工況下強(qiáng)度驗(yàn)算，四種工況分別為工況一：掛籃前移；工況二：2#塊澆筑(最高段，長(zhǎng)3 m)；工況三：4#塊澆筑(最重段，長(zhǎng)3.5 m)；工況四：11#塊澆筑(最長(zhǎng)段，長(zhǎng)4.5 m)。計(jì)算采用MIDAS/Civil有限元分析軟件進(jìn)行。見(jiàn)圖4～7。

圖4　主桁系統(tǒng)模型圖

圖5　底欄模型圖

圖6　外模架模型圖

圖7　內(nèi)模架模型圖

3.1驗(yàn)算分析

荷載分布分析：內(nèi)模架承受箱梁頂板混凝土及模板傳遞的均布荷載，內(nèi)滑梁承受上部的集中荷載；外模架承受箱梁翼板混凝土及模板傳遞的均布荷載，外滑梁承受上部的集中荷載；底欄共13根縱梁，2根橫梁，其中1#～4#、10#～13#縱梁承受箱梁腹板混凝土及模板傳遞的均布荷載，5#～9#縱梁承受箱梁底板混凝土及模板傳遞的均布荷載；主桁架承受內(nèi)外模架、底欄各吊點(diǎn)的反力。

驗(yàn)算分兩步進(jìn)行，首先對(duì)四種工況的內(nèi)外模架、底欄進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，驗(yàn)算合格后將各子結(jié)構(gòu)吊點(diǎn)的反力作為外力加載在主桁體系上進(jìn)行驗(yàn)算。

3.2強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)不同工況下各子結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，將結(jié)果匯總見(jiàn)表1。

表1　各子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果表

工況一：主桁系統(tǒng)中，最大應(yīng)力為130 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在后上橫梁端頭掛點(diǎn)處。應(yīng)力圖如圖8所示。

圖8　主桁系統(tǒng)應(yīng)力圖

工況二：底欄系統(tǒng)中，最大應(yīng)力為129 MPa，最大應(yīng)力在后下橫梁與吊桿連接處。主桁系統(tǒng)中，最大應(yīng)力為51.8 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在主桁梁上。主桁斜拉帶，最大應(yīng)力為79.5 MPa。應(yīng)力圖如圖9～11所示。

圖9　底欄系統(tǒng)應(yīng)力圖

圖10　主桁系統(tǒng)應(yīng)力圖

圖11　主桁系統(tǒng)應(yīng)力圖

工況三：底欄系統(tǒng)中，最大應(yīng)力為135.4 MPa，最大應(yīng)力在后下橫梁與吊桿連接處。主桁系統(tǒng)中，最大應(yīng)力為60.5 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在主桁梁上。主桁斜拉帶，最大應(yīng)力為91.8 MPa。應(yīng)力圖如圖12～14所示。

圖12　底欄系統(tǒng)應(yīng)力圖

圖13　主桁系統(tǒng)應(yīng)力圖

圖14　主桁斜拉帶應(yīng)力圖

工況四：底欄系統(tǒng)中，最大應(yīng)力為90.9 MPa，最大應(yīng)力在后下橫梁與吊桿連接處。主桁系統(tǒng)中，最大應(yīng)力為60.9 MPa，最大應(yīng)力發(fā)生在主桁梁上。主桁斜拉帶，最大應(yīng)力為92.6 MPa。應(yīng)力圖如圖15～17所示。

圖15　底欄系統(tǒng)應(yīng)力圖

圖16　主桁系統(tǒng)應(yīng)力圖

圖17　主桁斜拉帶應(yīng)力圖

3.3變形驗(yàn)算結(jié)果

變形計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　變形計(jì)算結(jié)果表

工況一：底欄系統(tǒng)中最大位移在縱梁中部位置；為0.6 mm；主桁系統(tǒng)中最大位移在后下橫梁端部掛點(diǎn)處，為23.6 mm。如圖18～19所示。

圖18　底欄系統(tǒng)位移圖

圖19　主桁系統(tǒng)位移圖

工況二：底欄系統(tǒng)中最大位移在腹板底部縱梁位置，為8.5 mm；主桁系統(tǒng)中最大位移在主桁梁前點(diǎn)位置，為12.1 mm。如圖20～21所示。

圖20　底欄系統(tǒng)位移圖

圖21　主桁系統(tǒng)位移圖

工況三：底欄系統(tǒng)中最大位移在腹板底部縱梁位置，為9.1 mm；主桁系統(tǒng)中最大位移在主桁梁前點(diǎn)位置，為14.7 mm。如圖22～23所示。

圖22　底欄系統(tǒng)位移圖

圖23　主桁系統(tǒng)位移圖

工況四：底欄系統(tǒng)中最大位移在腹板底部縱梁位置，為6.1 mm；主桁系統(tǒng)中最大位移在主桁梁前點(diǎn)位置，為14.9 mm。如圖24～25所示。

圖24　底欄系統(tǒng)位移圖

圖25　主桁系統(tǒng)位移圖

3.4斜拉帶驗(yàn)算

當(dāng)采用Midas對(duì)三角桁架進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，Midas無(wú)法對(duì)斜拉帶螺栓孔處細(xì)部進(jìn)行計(jì)算，因此需要對(duì)斜拉帶螺栓孔處進(jìn)行軸應(yīng)力和剪應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，具體如下：

根據(jù)對(duì)三角主桁驗(yàn)算可知，三角主桁正常段的軸力為Fmax=784.5 kN，螺栓孔處的面積A1=48×(200-70)=6 240 mm2。軸應(yīng)力計(jì)算為：

σmax=(Fmax/4)/A1=31.43 MPa<200 MPa=[σ]，滿足要求。

根據(jù)計(jì)算模型可知，斜拉帶螺栓孔頂部為雙面剪切，每個(gè)剪切面的最大剪力為Q=784.5 kN/4=196 125 N，剪切面的鋼板面積為：A1=85×32=2 720 m2。

τmax=Fmax/A1=196 125÷2 720=72.10<120 MPa=[τ]，滿足要求。

3.5后錨校核

每榀主梁有3組后錨筋，2組2根、1組1根共5根螺紋鋼，后錨支反力最大為500.9kN，后錨筋應(yīng)力計(jì)算：

2.5.5吊桿受力計(jì)算

吊桿采用φ32的精扎螺紋鋼，通過(guò)對(duì)底欄進(jìn)行計(jì)算，得出吊桿承受最大的軸向力為359kN，應(yīng)力計(jì)算為：

4　結(jié)語(yǔ)

(1)根據(jù)有限元模型計(jì)算，掛籃的各子結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

(2)掛籃主桁架最大變形為23.6mm，底欄最大變形為9.1mm，滿足結(jié)構(gòu)變形要求。施工前必須對(duì)掛籃進(jìn)行預(yù)壓，消除非彈性形變，利于施工過(guò)程中的箱梁線型控制。

[1]周水興，何兆益.路橋施工計(jì)算手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]JTGD64-2015，公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]JTG/TF50-2011，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]陳云輝，超寬連續(xù)剛構(gòu)懸臂施工掛籃仿真分析[J].西部交通科技，2012(9)：35-38.

Simulation Analysis of Continuous Rigid Frame Cantilever Construction Cradle in Gulong Super-large Bridge

HU Han-gang

(Guangxi Road and Bridge Engineering Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530011)

Combined with the triangular cradle cantilever casting construction practices of Gulong Super-large Bridge，and by using the Midas/Civil calculation software，this article conducted the spatial simulation analysis on this cradle，calculated the stress distribution and deformation situation of cradle structure under different work conditions，and ensured the structural safety during cradle design and construction，thereby providing the calculation and analysis basis for future design and construction of same type of cradle.

Large-span；Cradle；Midas/Civil calculation software；Simulation analysis

U448.21+4

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.07.020

1673-4874(2016)07-0078-06

2016-06-10

胡漢鋼(1982—)，工程師，研究方向：公路與橋梁施工技術(shù)。