彭濤 王富強

摘要：文章結(jié)合紅水河特大橋的結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)該項目施工中對掛籃的使用要求，對掛籃進行精細化設(shè)計，并建立空間計算模型，對4種工況下的掛籃受力狀況進行仿真受力驗算，驗證了該掛籃精細化設(shè)計的可靠性和科學(xué)性，為相似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：精細化;設(shè)計;仿真;荷載組合;受力驗算

0 引言

隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，高速公路的設(shè)計、施工中對線型的要求也越來越高，大型、特大型橋梁的比例也在提高。掛籃廣泛應(yīng)用于大型橋梁的施工中。雖然市場已經(jīng)有較為成熟的掛籃產(chǎn)品，但直接使用會出現(xiàn)不合理、不經(jīng)濟、不高效的問題。本文結(jié)合賀州至巴馬高速公路（都安至巴馬段）K404+509.396紅水河特大橋的結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)本項目施工中對掛籃的使用要求，對掛籃進行精細化設(shè)計，并在充分研究掛籃受力狀況后建立空間計算模型，在4種工況下進行仿真受力驗算，有效地解決上述問題。

1 工程概況

紅水河特大橋橋長511.5m。全橋采用雙幅分離式，共6跨，最大跨徑為185m，橋面全寬為29.6m。橋梁上部結(jié)構(gòu)為單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，箱梁腹板采用分段等厚規(guī)律變化，從梁端支點到跨中的厚度分別為1.2m、0.9m、0.7m和0.5m，按1.5次拋物線規(guī)律變化，均采用掛籃施工。紅水河特大橋主橋中跨箱梁一般構(gòu)造如圖1所示。

2 掛籃結(jié)構(gòu)精細化設(shè)計

本文根據(jù)紅水河特大橋上部結(jié)構(gòu)及主梁的特點，結(jié)合橋梁主體結(jié)構(gòu)、構(gòu)件尺寸及荷載的情況，對掛籃結(jié)構(gòu)進行精細化設(shè)計，提高掛籃結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的安全性能，保證施工質(zhì)量。紅水河大橋主梁截面高，節(jié)段荷重，承載力大，故選擇菱形掛籃進行施工。掛籃結(jié)構(gòu)主要由主桁架、橫梁底托、懸吊吊桿、行走及錨固、模板（底模架、內(nèi)外側(cè)模）等系統(tǒng)組成。掛籃結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

2.1 多風(fēng)條件下的主桁架系統(tǒng)精細化設(shè)計

本工程所在地屬于山區(qū)，風(fēng)速較大，每年6～9月為汛期，年平均基本風(fēng)速為24.4m/s，施工最大風(fēng)力可達6級，風(fēng)環(huán)境復(fù)雜。本工程主桁架弦桿前端的橫梁上設(shè)施工操作平臺，平臺上有1.5m高的安全護欄，確保橋梁掛籃在風(fēng)荷載作用下的抖振安全。為了提高主框架的穩(wěn)定性，豎桿之間采用中門框架連接。同時，為防止施工過程中由于風(fēng)力過大使得菱形掛籃搖晃導(dǎo)致施工質(zhì)量事故，在兩片菱形架外側(cè)設(shè)置纜風(fēng)繩，進一步提高主桁架系統(tǒng)抗風(fēng)性能。

2.2 靜止及行走狀態(tài)兼顧的行走系統(tǒng)精細化設(shè)計

工程技術(shù)人員往往注重掛籃固定靜態(tài)時的承載能力，較少注意掛籃在行走過程中的受力。

本項目掛籃行走系統(tǒng)的行走軌道按有豎向預(yù)應(yīng)力和無豎向預(yù)應(yīng)力兩種情況考慮，分別設(shè)置不同的固定方式。前者可以通過梁本身的豎向預(yù)應(yīng)力筋進行錨固;后者主要是通過在梁側(cè)腹板兩側(cè)位置預(yù)留錨固孔洞進行錨固。通過計算在梁體兩側(cè)預(yù)留2個100mm的孔洞，將后錨件穿過預(yù)留的孔洞，利用螺母配合墊片進行固定。上端通過橫梁固定在已完工梁段的末端。以上措施為掛籃行走過程中提供了安全儲備。

2.3 模板系統(tǒng)的精細化設(shè)計

模板系統(tǒng)作為掛籃結(jié)構(gòu)的重要組成部分，決定著混凝土結(jié)構(gòu)的成型尺寸和外觀質(zhì)量。直接使用市場的掛籃模板系統(tǒng)，會出現(xiàn)不合理、不經(jīng)濟、不高效的問題。該項目模板系統(tǒng)根據(jù)模板的受力過程，在外模與底模支撐系統(tǒng)之間設(shè)置限位縱梁，調(diào)整支撐連接，使側(cè)模位置準(zhǔn)確，并且使側(cè)吊架的受力通過底模和外模傳遞。外模提升梁的前端固定在前上橫梁上，后端懸掛在完工箱梁的表面，卸模時松開錨固端，隨著平臺下降和前移。內(nèi)模板為專門定制，采用竹膠合板和方木板兩種材料制成的組合板。該模板內(nèi)模的支撐結(jié)構(gòu)可調(diào)整，并用拉桿與外模連接，使內(nèi)模系統(tǒng)通過內(nèi)滑梁實現(xiàn)整體移動。端模亦采用自制10mm鋼板，實現(xiàn)側(cè)模包端模方式，箱梁伸出端面采用結(jié)構(gòu)鋼筋固定。

2.4 其他組成部分的精細化設(shè)計

本項目的主梁截面高，節(jié)段荷重，承載力大，懸吊吊桿系統(tǒng)在脫模和移模過程受到較大的沖擊和振動，并在施工過程中反復(fù)發(fā)生從而易導(dǎo)致疲勞斷裂，造成掛籃系統(tǒng)整體破壞。為了解決這一問題，本項目的吊桿系統(tǒng)采用PSB830鋼筋與鋼吊帶結(jié)合的形式。掛籃前后承重的吊帶采用鋼吊帶，外側(cè)的長吊桿為掛籃行走時的輔助結(jié)構(gòu)，采用PSB830鋼筋，由提升裝置控制底托系統(tǒng)的標(biāo)高。橫梁底支撐體系的底部縱梁與前后下橫梁焊接。在進行下一段混凝土澆筑時，將后下橫梁通過后吊桿固定在澆注好的梁底板上，同時將前吊桿連接在前下橫梁與前上梁之間。

3 掛籃的結(jié)構(gòu)仿真受力驗算

本文在上述的精細化設(shè)計后，根據(jù)設(shè)計的荷載，考慮不同施工條件下，采用MidasCivil2017版結(jié)構(gòu)仿真分析軟件對掛籃的設(shè)計進行仿真受力驗算，驗算其強度、剛度及穩(wěn)定性。計算前，模擬掛籃幾何關(guān)系基于以下假設(shè)：（1）用梁單元模擬外架的每個桿件;（2）每個桿件用中性軸的空間位置表示相應(yīng)模擬單元的幾何位置;（3）忽略相鄰桿件因搭接錯位而產(chǎn)生的微小偏移。計算過程中材料的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

3.1 荷載組合及工況

根據(jù)橋梁設(shè)計參數(shù)，使用荷載組合1和2進行掛籃結(jié)構(gòu)的強度、穩(wěn)定性和抗傾覆驗算，所有荷載按照線載荷施加。在確定的荷載組織下，按實際施工進程，分4種具有代表性的工況進行驗算分析。

（1）作用于掛籃的荷載

①新澆混凝土荷載：澆筑梁段混凝土重量;

②模板自重：1.3kN/m2;

③掛籃自重：定義斷面尺寸取值;

④護欄自重：按1kN/m計算;

⑤施工機具及人群荷載：2.5kN/m2;

⑥傾倒和振搗混凝土荷載：4kN/m2;

⑦風(fēng)荷載：按施工最大風(fēng)力6級考慮，施加于最不利位置;

⑧掛籃沖擊荷載：0.3×掛籃自重;

⑨其他荷載：兜底防護按單支最大8000kN考慮。

（2）荷載組合

荷載組合1：1.2×（①+②+③+④+⑨）+1.4×（⑤+⑥+⑦）;

荷載組合2：掛籃行走，1.2×（②+③+④+⑨+⑦+⑧）;

荷載組合3：①+②+③+④+⑨。

其中：超載分項系數(shù)1.05、永久荷載分項系數(shù)1.2、可變荷載分項系數(shù)1.4、抗傾覆安全系數(shù)2、澆筑自錨固系統(tǒng)安全系數(shù)2。

（3）工況組合

工況一：1#梁混凝土施工完工，截面高度最大，混凝土重量最大。

工況二：9#梁混凝土施工完工，截面高度、長度和混凝土重量均較大。

工況三：16#梁混凝土澆筑成型，梁長最長，混凝土重量最大。

工況四：16#梁段完成，掛籃從16#～17#梁段行走距離最長。

3.2 掛籃各部分承擔(dān)荷載分析

根據(jù)精細化設(shè)計后分析掛籃各部分承擔(dān)荷載如下：

（1）外導(dǎo)梁和外滑梁將箱梁翼緣板混凝土和側(cè)模的重量分別傳至前一節(jié)已完工的箱梁翼板和掛籃主桁的前上橫梁。

（2）內(nèi)滑梁將箱梁頂板混凝土、內(nèi)模板支架和內(nèi)模板的重量分別傳至上一節(jié)已完工的箱梁頂板和主桁處的前上橫梁。

（3）箱梁底板、腹板混凝土、底板的重量，由相應(yīng)的底籃縱梁承擔(dān)，分別傳至上一節(jié)已完工的箱梁頂板和主桁處的前上橫梁。

采用條分法對以上荷載進行計算，按條分區(qū)域及梁段長度將腹板、底板、翼板荷載轉(zhuǎn)化為線荷載，最后分塊施加到對應(yīng)縱梁及導(dǎo)梁上。條分區(qū)域如圖3所示。

3.3 掛籃仿真受力驗算

本文采用有限元分析程序MidasCivil進行仿真受力驗算。首先利用軟件對掛籃的主體構(gòu)造進行三維空間分析和建模，然后將掛籃的總體結(jié)構(gòu)定義為整體空間桁架模型，通過簡化計算，確定了界面尺寸和材料性能。各工況計算模型如圖4所示。

3.4 仿真受力驗算結(jié)果

不同工況下掛籃結(jié)構(gòu)強度驗算結(jié)果見表2。由仿真受力驗算可知，計算組合應(yīng)力最大值為荷載組合1及工況三情況下吊桿計算組合應(yīng)力值250.4MPa，同時其計算拉應(yīng)力也為最大值69.3MPa。由此可知，該情況下精細化設(shè)計的掛籃彈性變形最大，但滿足設(shè)計強度要求。計算剪切應(yīng)力最大值為荷載組合1及工況一情況下底托系統(tǒng)計算剪切應(yīng)力值為36.2MPa。通過分析掛籃施工中典型工況進行仿真受力驗算，不同工況下掛籃主桁架、吊桿、前上橫梁、底托系統(tǒng)等各部分強度均滿足設(shè)計強度要求。其中計算最大組合應(yīng)力<設(shè)計抗彎強度205MPa，計算最大剪切應(yīng)力<設(shè)計抗剪強度120MPa，計算最大拉應(yīng)力<設(shè)計抗拉強度295MPa。

4 結(jié)語

根據(jù)紅水河特大橋掛籃施工的相關(guān)技術(shù)要點，通過精細化設(shè)計，在充分研究掛籃模板的使用要求和受力狀況后，對掛籃進行了4種工況下仿真受力驗算，得出了以下結(jié)論：

（1）針對多風(fēng)條件下的主桁架系統(tǒng)、掛籃錨固靜止及行走狀態(tài)下的行走系統(tǒng)進行精細化設(shè)計，進一步提高掛籃抗風(fēng)性能，為掛籃行走過程中提供了安全儲備。

（2）針對模板系統(tǒng)的精細化設(shè)計，通過設(shè)置限位縱梁使側(cè)模定位精準(zhǔn)。內(nèi)模模板采用專門定制竹膠板和方木組合板，端模亦采用自制10mm鋼板實現(xiàn)側(cè)模包端模方式，優(yōu)化模板系統(tǒng)使其更合理、更經(jīng)濟、更高效。

（3）由仿真受力驗算可知：荷載組合1及工況三情況下吊桿計算組合應(yīng)力值最大為250.4MPa，同時其計算拉應(yīng)力最大為69.3MPa;荷載組合1及工況一情況下底托系統(tǒng)計算剪切應(yīng)力最大為36.2MPa。均滿足設(shè)計強度要求。

（4）由仿真受力驗算可知，不同工況下掛籃主桁架、吊桿、前上橫梁、底托系統(tǒng)等各部分強度均滿足設(shè)計強度要求，進一步驗證了精細化設(shè)計的可靠性和科學(xué)性，可為相似工程提供參考。

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