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        超寬變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁掛籃受力與變形分析

        2021-09-10 20:13:37王楊兵
        交通科技與管理 2021年17期

        王楊兵

        摘 要:本文基于臨泉泉河大橋超寬變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁懸臂澆筑實(shí)例,采用Nastran計(jì)算軟件對(duì)該掛籃進(jìn)行空間仿真分析,驗(yàn)算了澆筑狀態(tài)以及行走狀態(tài)下掛籃的應(yīng)力、變形情況,保證了掛籃結(jié)構(gòu)的可靠性與穩(wěn)定性,保證了施工過程中的安全,計(jì)算結(jié)果可為類似結(jié)構(gòu)類型橋梁的施工與分析提供參考。

        關(guān)鍵詞:超寬掛籃;Nastran計(jì)算軟件;仿真分析

        0 前言

        臨泉泉河大橋全長857 m。全橋共5聯(lián):第3聯(lián)主橋采用(95+170+95)m預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋。梁體結(jié)構(gòu)采用混凝土連續(xù)箱梁形式,箱梁斷面為5箱5室斜腹板斷面,箱梁頂寬33.5 m,底寬22.5 m,翼緣板寬3.5 m,根部梁高6.6 m,腹板厚130 cm~50 cm,底板厚度為90 cm~30 cm。橋梁采用掛籃懸臂澆筑施工,0號(hào)塊在墩頂托架上澆筑,各單“T”用掛籃懸臂對(duì)稱、平衡澆筑施工直至各單“T”最大懸臂,然后澆筑邊跨合攏段,待邊跨合攏段完成后進(jìn)行中跨合攏。

        本工程橋面寬度大,因此需要針對(duì)掛籃結(jié)構(gòu)以及懸臂澆筑過程進(jìn)行更加精確的控制[1-2],具體包含掛籃靜態(tài)和行走狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、撓度、穩(wěn)定性等[3-4]。本文采用通用有限元軟件Nastran建立掛籃整體有限元模型,結(jié)合工程施工方法,分析了掛籃在施工過程中最重節(jié)段的澆筑和掛籃行走兩個(gè)工況的掛籃結(jié)構(gòu)受力。本文考慮多種工況[5],模擬計(jì)算掛籃在施工過程中的受力情況,確保了掛籃結(jié)構(gòu)的可靠性與穩(wěn)定性,計(jì)算結(jié)果可為類似結(jié)構(gòu)類型橋梁的施工與分析提供參考。

        1 掛籃簡(jiǎn)介

        掛籃材料:鋼材彈性模量:E=2.06e5 MPa;密度:γ=7 850 kg/m;泊松比:ν=0.3;線膨脹系數(shù):α=0.000 012;鋼材按容許應(yīng)力取值,臨時(shí)結(jié)構(gòu)提高30%。

        掛籃主要技術(shù)參數(shù):懸臂澆注箱梁梁段最大重量(1#)塊:468 t,懸臂澆注箱梁梁段1#塊分段長度:3 m,掛籃允許懸臂澆注梁段最大長度:4.5 m。

        掛籃設(shè)計(jì)基本參數(shù):梁段混凝土重量:26 kN/m,新澆砼動(dòng)力系數(shù)取1.2,施工人員、料具、堆放荷載g1=1.5 kN/m2,振搗混凝土產(chǎn)生的荷載g2=2.0 kN/m2,傾倒混凝土產(chǎn)生的荷載g3=2.0 kN/m2,沖擊附加系數(shù)系數(shù)取1.4。

        掛籃構(gòu)造如圖1所示:

        2 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

        2.1 對(duì)外滑梁的計(jì)算

        箱梁翼緣板砼及箱梁側(cè)模重量通過外導(dǎo)梁、外滑梁分別傳至前一節(jié)段已施工完的箱梁翼板和掛籃主桁的前上橫梁承擔(dān)。

        箱梁翼板部分混凝土一側(cè)面積值為1.5 m2塊長3 m,合計(jì)方量4.5 m2。由此計(jì)算箱梁翼板混凝土載荷:4.5 m3×26 kN/m=124.67 kN,另外箱梁側(cè)模載荷90 kN??紤]荷載組合,1.2×(混凝土荷載+滑梁自重荷載+模板荷載)+1.4×施工荷載(g2+g3)+1.4×人群和機(jī)具荷載(g1)(滑梁自重荷載在模型中考慮),計(jì)算得荷載值305 kN,此部分荷載組合2支外模滑梁線載荷為305 kN/2/3 m=51 kN/m。

        外滑梁結(jié)構(gòu)為雙36b槽鋼組焊,材質(zhì)為Q235b。根據(jù)滑梁的支承情況建立Nastran有限元模型。其中外滑梁最大組合應(yīng)力σmax=107 MPa <215 MPa,滿足要求。外滑梁豎向位移δmax=4.9 mm<5 000/400=12.5 mm,滿足要求(由于滑梁尾部不參與實(shí)際工作,固上撓12.4 mm忽略不計(jì))。

        2.2 對(duì)內(nèi)滑梁的計(jì)算

        箱梁頂板砼及箱梁內(nèi)模、骨架重量通過內(nèi)滑梁分別傳至前一節(jié)段已施工完的箱梁頂板和掛籃主桁的前上橫梁承擔(dān)。

        箱梁頂板部分混凝土面積平均值為2.6 m2塊長3 m,合計(jì)方量為7.8 m3,計(jì)算得到箱梁頂板混凝土載荷202.8 kN,另外考慮箱梁內(nèi)模及骨架載荷31.5 kN??紤]荷載組合計(jì)算得298.29 kN,此部分荷載組合內(nèi)模滑梁線載荷為50 kN /m。

        內(nèi)滑梁結(jié)構(gòu)為雙36b槽鋼組焊,材質(zhì)為Q235b。根據(jù)滑梁的支承情況建立Nastran有限元模型。

        其中內(nèi)滑梁最大組合應(yīng)力σmax=81 MPa<215 MPa,滿足要求。內(nèi)滑梁豎向位移δmax=4.7 mm<5 000/400=12.5 mm,滿足要求(由于滑梁尾部不參與實(shí)際工作,固上撓15.2 mm忽略不計(jì))。

        2.3 對(duì)砼底板下部縱梁的計(jì)算

        箱梁底板砼重量及底模板通過底縱梁分別傳至前一節(jié)段已施工完的箱梁底板和掛籃主桁的前上橫梁承擔(dān)。

        箱梁底板部分混凝土面積平均值為4.3 m2塊長3 m,合計(jì)方量12.9 m3,計(jì)算得到箱梁底板混凝土載荷335.4 kN,均分到單位面積上為23.9 kN/m2,箱梁底模載荷2.5 kN/m2??紤]荷載組合計(jì)算得底板處縱梁上的均布荷載為(底板下縱梁橫向布置間距約為0.515 m)q=60×0.55=33 kN/m。

        底板縱梁結(jié)構(gòu)為工25b工字鋼,材質(zhì)為Q235b。根據(jù)底板縱梁的支承情況建立有限元Nastran模型。

        其中底板縱梁最大組合應(yīng)力σmax=132 MPa<215 MPa,滿足要求。底板縱梁豎向位移δmax=10.1 mm<5 000/400=12.5 mm,滿足要求。

        2.4 前后吊掛系統(tǒng)計(jì)算

        前后吊桿均采用Φ32精軋螺紋鋼筋,后吊桿均采用Φ32精軋螺紋鋼筋,PSB830精軋螺紋鋼設(shè)計(jì)要求應(yīng)力取750 MPa。

        計(jì)算得吊桿最大組合應(yīng)力σmax=402 MPa<750 MPa,滿足要求。

        2.5 主桁菱形架系統(tǒng)計(jì)算

        菱形桁架桿件均為40#b雙槽鋼組焊,材質(zhì)為Q235b。根據(jù)桁菱形架支承情況建立有限元Nastran 模型。

        計(jì)算得主桁架桿件最大組合應(yīng)力σmax=121 MPa<215 MPa,滿足要求。主桁前上支點(diǎn)豎向位移δmax=12.3 mm<20 mm,滿足要求。

        3 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

        3.1 掛籃施工狀態(tài)下抗傾覆安全系數(shù)驗(yàn)算

        由Nastran分析模型可知后支座反力為1 151 kN。

        錨精軋螺紋鋼設(shè)計(jì)數(shù)量為4,則每根精軋螺紋鋼受力為1 151/4=287 kN。Φ32精軋螺紋鋼筋所受最大應(yīng)力為:

        τmax=F/Sd

        其中Sd為精軋螺紋鋼筋斷面面積為:

        3.14×16=804 mm2

        可得:τmax=287 000 N/804 mm2=356 N/ mm2=356 MPa

        PSB830精軋螺紋鋼筋,設(shè)計(jì)抗拉應(yīng)力值fpd=750 MPa,而fpd/τmax=750 MPa/356 MPa =2.2≥2,綜上所示,施工狀態(tài)下抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

        3.2 行走狀態(tài)下抗傾覆驗(yàn)算

        菱形架行走狀態(tài)下受力包含以下幾部分:懸掛部分結(jié)構(gòu)自重320 kN,模板及施工設(shè)備人員重量180 kN;單片菱形架受力為(320+180 kN)/2=250 kN×1.2=300 kN,后錨反力為366 kN;單片菱形架有4個(gè)后錨反扣輪,受力為:366 kN/4=91.5 kN。反扣輪軸直徑為66 mm,材質(zhì)為45#鋼調(diào)質(zhì),受力模型為短懸臂梁。分析支架最大剪力:

        τmax=91 500 N/3.14×30×30 mm=91 500 N/2 826 mm=32.38 MPa

        45#鋼最大剪應(yīng)力取100 MPa的掛籃行走狀態(tài)下抗傾覆穩(wěn)定性為:100/32.38=3.09≥2。綜上所示,行走狀態(tài)下抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

        4 結(jié)論

        目前國內(nèi)的超寬變截面矮塔斜拉橋項(xiàng)目比較少[6],隨著今后城市交通的發(fā)展,交通量日益增大,橋面寬度增大是橋梁發(fā)展的必然趨勢(shì)[7],隨之帶來的是超寬橋梁掛籃結(jié)構(gòu)的一系列設(shè)計(jì)與施工問題。本文通過Nastran有限元軟件對(duì)臨泉泉河大橋超寬掛籃進(jìn)行了建模仿真分析,確保了掛籃結(jié)構(gòu)的可靠性與穩(wěn)定性,對(duì)橋梁設(shè)計(jì)與施工起到了指導(dǎo)價(jià)值,可供同類型的超寬掛籃參考借鑒。

        參考文獻(xiàn):

        [1]王進(jìn),宋毅榮.大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁掛籃施工技術(shù)[J].交通世界,2018(18):104-105.

        [2]李海東.山區(qū)高墩橋懸澆法掛籃施工風(fēng)致響應(yīng)研究[D]. 河北工程大學(xué),2019.

        [3]吳婷.矮塔斜拉橋菱形掛籃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)及其施工關(guān)鍵技術(shù)研究[D].江蘇科技大學(xué),2016.

        [4]田超.橋梁工程中的掛籃施工技術(shù)研究[J].四川水泥,2021(4):224-225.

        [5]胡會(huì)軒.懸臂掛籃技術(shù)在橋梁施工中的應(yīng)用探索[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu),2013,27(4):230-233.

        [6]馬曉旭.超寬橋面懸澆連續(xù)梁掛籃設(shè)計(jì)及施工安全探討[J].浙江建筑,2017,34(2):43-48.

        [7]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):35-39.

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