趙煜 劉勇 孫楠楠
(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院,西安 710064)
掛籃是橋梁懸臂施工中的重要設(shè)備之一,按照其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以分成平行桁架式掛籃、平弦無(wú)平衡重掛籃、弓弦式掛籃、菱形掛籃、預(yù)應(yīng)力斜拉式掛籃、滑動(dòng)斜拉式掛籃、三角形組合梁掛籃、自承式掛籃等。懸臂掛籃施工不需要使用大型吊車和架設(shè)支架,該工法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕巧、受力合理明確、安裝拆卸便捷、使用可靠安全等優(yōu)點(diǎn)。
20世紀(jì)60年代,前聯(lián)邦德國(guó)首先使用了掛籃懸臂澆筑施工技術(shù),發(fā)展至今已成為修建大、中跨徑橋梁的一種有效施工技術(shù)。我國(guó)于20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始使用這項(xiàng)技術(shù)并取得了巨大成就[1-2]。李延強(qiáng)等[3]以石家莊市倉(cāng)安路斜拉橋的長(zhǎng)平臺(tái)牽索掛籃為例,采用ANSYS 建立空間有限元模型分析不同施工工況下掛籃主要構(gòu)件的受力情況,對(duì)掛籃的受力狀態(tài)和性能進(jìn)行了判定。孫小猛等[4]采用ANSYS 建立牽索掛籃有限元模型,計(jì)算掛籃在各試驗(yàn)工況下的應(yīng)力和變形,研究掛籃對(duì)已澆筑箱梁的影響、牽索掛籃應(yīng)力和變形的變化曲線。黃金等[5]通過(guò)有限元軟件MIDAS/Civil對(duì)永藍(lán)東路橋施工中所使用的掛籃進(jìn)行仿真分析,計(jì)算了在最重節(jié)段澆筑、掛籃行走2種工況作用下,掛籃結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及總體變形。陳云輝[6]結(jié)合竹洲大橋三角形掛籃懸臂澆筑的工程實(shí)例,采用MIDAS/Civil對(duì)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)力分布和變形。譚瀟熊等[7]以蔭營(yíng)河大橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^(guò)MIDAS/Civil 對(duì)掛籃進(jìn)行分析,找出模擬方法中掛籃構(gòu)件之間的連接方式。徐郁峰等[8]以高贊大橋牽索掛籃施工為背景,介紹了將掛籃與主橋結(jié)構(gòu)耦合在一起進(jìn)行有限元分析的方法,并將分析結(jié)果與掛籃單獨(dú)分析結(jié)果對(duì)比。杜曉波[9]以珠江大橋掛籃懸臂施工為工程實(shí)例,對(duì)掛籃方案進(jìn)行了比選和定型,計(jì)算了掛籃的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性,闡述了掛籃的施工工藝。胡宗浩等[10]針對(duì)黃墩大橋單索面、寬主梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)探討掛籃形式,分析了掛籃結(jié)構(gòu)和主梁節(jié)段的受力特性和安全性。王明慧等[11]以渝萬(wàn)鐵路客運(yùn)專線上斑竹林雙線特大橋?yàn)楸尘?,為降低施工?duì)公路行車安全的風(fēng)險(xiǎn),改進(jìn)了掛籃設(shè)計(jì)、掛籃預(yù)壓工藝,并對(duì)其進(jìn)行受力檢算和變形監(jiān)測(cè)。張洪斌等[12]依托一鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋,對(duì)3 榀菱形掛籃在混凝土梁段澆筑過(guò)程中各桿件的受力特性進(jìn)行了理論與試驗(yàn)測(cè)試研究。劉龍等[13]以小綏芬河特大橋連續(xù)梁橋?yàn)楸尘?,?duì)掛籃的主要構(gòu)件進(jìn)行了計(jì)算分析,采用傳統(tǒng)力學(xué)方法與有限元方法解決了掛籃相關(guān)構(gòu)件的計(jì)算問(wèn)題。
由于橋梁結(jié)構(gòu)形式、尺寸、施工方法不同,導(dǎo)致橋梁施工時(shí)掛籃結(jié)構(gòu)、尺寸、受力不盡相同,因此每座橋梁都需要對(duì)掛籃進(jìn)行專項(xiàng)計(jì)算。本文采用ANSYS 對(duì)某橋施工中所使用的掛籃進(jìn)行仿真分析,分別計(jì)算在4 種懸臂節(jié)段澆筑工況下掛籃底??v梁的支反力,并分析其承重分配系數(shù)規(guī)律。
本文以7 孔大跨徑寬幅梁拱組合橋梁為研究背景,主橋上部采用(75+2×125+160+2×125+75)m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。箱梁斷面為雙箱單室直腹板斷面。箱梁懸臂澆筑采用菱形掛籃(圖1)進(jìn)行施工,并采用無(wú)配重自行式掛籃,由塔吊提升模板,掛籃質(zhì)量72.5 t。該掛籃適用于澆筑最大節(jié)段質(zhì)量205 t、最大節(jié)段長(zhǎng)度4.5 m 的混凝土節(jié)段。根據(jù)節(jié)段長(zhǎng)度、質(zhì)量、高度等參數(shù),設(shè)計(jì)4種混凝土澆筑完成工況(表1)計(jì)算掛籃底模受力狀況。
圖1 掛籃結(jié)構(gòu)(單位:cm)
表1 混凝土澆筑完成計(jì)算工況
大橋采用菱形掛籃,混凝土節(jié)段的重量主要由掛籃底??v梁承受并分配至底模下前后橫梁。為合理簡(jiǎn)化底模縱梁的受力分配模式,得出最優(yōu)簡(jiǎn)化計(jì)算模式,提出3 種方法進(jìn)行計(jì)算對(duì)比。下前后橫梁計(jì)算模式見(jiàn)圖2。方法1:將底模14 根縱梁承受的外荷載以均布荷載分配至下前后橫梁。方法2:將底模腹板下8根縱梁承受的外荷載以均布荷載分配至下前后橫梁,底板下6根縱梁承受的外荷載以集中荷載分配至下前后橫梁。方法3:將底模14 根縱梁承受的外荷載以集中荷載分配至下前后橫梁。
以工況3 為例,根據(jù)3 種方法得到底模系統(tǒng)的下前后橫梁撓度,根據(jù)撓度曲線的連續(xù)性及平滑程度來(lái)評(píng)判3 種方法的優(yōu)劣性。將掛籃底模下橫梁分為20個(gè)單元,得到工況3 澆筑完成后下橫梁撓度曲線,如圖3所示。
圖2 下前后橫梁計(jì)算模式(單位:mm)
圖3 工況3下橫梁撓度曲線
由圖3可知:①3種方法計(jì)算的下橫梁撓度曲線趨勢(shì)大體相似,方法1 與方法2、方法3 撓度曲線的趨勢(shì)和最大峰值差異較大。②方法2 和方法3 撓度曲線較為圓滑,且曲線比較接近,均為較優(yōu)簡(jiǎn)化計(jì)算模式。由于方法3將所有的縱梁反力作為集中荷載分配至下前后橫梁,而方法2是集中荷載與均布荷載的組合,顯然方法3更加簡(jiǎn)單。
鑒于各懸澆節(jié)段重量、截面高度、節(jié)段長(zhǎng)度不同,按方法3 進(jìn)行簡(jiǎn)化分析時(shí),不同節(jié)段對(duì)應(yīng)集中荷載的分配系數(shù)不同。因此,根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙采用有限元軟件ANSYS 對(duì)底??v梁和梁體節(jié)段進(jìn)行空間建模分析(圖4),分別得到了4種工況下節(jié)段混凝土在底模各縱梁上的承重分配系數(shù),從而得到14根縱梁施加在底模下前后橫梁的集中荷載。4 種工況下底模縱梁支反力分配比例系數(shù)見(jiàn)圖5。
圖4 梁體節(jié)段計(jì)算模型
圖5 底??v梁支反力分配比例系數(shù)
由圖5可知,4個(gè)工況下掛籃底模前后側(cè)縱梁受力趨勢(shì)大致相同,且1#~5#,10#~14#兩側(cè)10 根縱梁受力明顯大于6#~9#這4根中縱梁。
由第3節(jié)可知,對(duì)于不同尺寸的懸臂澆筑節(jié)段,其底模縱梁支反力不同,但受力趨勢(shì)及支反力分配比例系數(shù)基本一致。該橋共有4 種尺寸的節(jié)段,若逐一計(jì)算各節(jié)段底??v梁的支反力太繁瑣。因此,近似取靠近節(jié)段腹板處的1#~5#,10#~14#共計(jì)10 根縱梁,分別承擔(dān)8.4%的梁體質(zhì)量,節(jié)段底板處的6#~9#共計(jì)4 根縱梁,分別承擔(dān)4.0%的梁體質(zhì)量。為驗(yàn)證該方法的可行性,將掛籃底模下橫梁分為20 個(gè)單元,采用不同方法計(jì)算并對(duì)比節(jié)段前后橫梁撓度曲線,如圖6所示。
圖6 不同節(jié)段前后橫梁撓度曲線
由圖6 可知,方法3 與簡(jiǎn)化計(jì)算方法得到的下前橫梁撓度曲線吻合較好,采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法可減少掛籃模板安全驗(yàn)算的計(jì)算量。
綜上所述,在本橋掛籃驗(yàn)算中可采用方法3 將底模14 根縱梁承受的外荷載以集中荷載分配至下前后橫梁,且在計(jì)算中近似取靠近節(jié)段腹板的10根縱梁各承擔(dān)8.4%的梁體質(zhì)量,節(jié)段底板處的4根縱梁各承擔(dān)4.0%的梁體質(zhì)量。
1)在掛籃底??v梁承重計(jì)算中,將底模縱梁承受的外荷載簡(jiǎn)化為集中荷載,并分配至在橫下前后橫梁,該方法易于計(jì)算。
2)在應(yīng)用簡(jiǎn)化計(jì)算模式時(shí),可考慮掛籃底模構(gòu)造的實(shí)際情況,將底模承受的外荷載進(jìn)行比例分配,計(jì)算出底??v梁承重分配系數(shù),得出較優(yōu)簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果,該結(jié)果可應(yīng)用于同一橋梁不同尺寸的節(jié)段。