■丁 亮

（安徽省交控建設(shè)管理有限公司，合肥 230088）

橋梁作為各種交通道路和水利工程的重要建筑結(jié)構(gòu)， 在我國交通系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的作用，橋梁建設(shè)的工期和施工難度，對整個施工過程的影響巨大[1-2]。 預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)剛度大、整體性能好、抗震性能好且變形小、受力均勻，現(xiàn)已成為當(dāng)今最受歡迎的橋型[3]。 隨著特大型橋梁在我國橋梁建設(shè)中占比越來越大，應(yīng)用于其工程建設(shè)中的掛籃結(jié)構(gòu)要求也越來越高，因此特大橋掛籃的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性就顯得尤為重要。 懸臂施工法不僅能夠加快施工進(jìn)度、節(jié)省各種材料和費(fèi)用，還具有不受地形限制、不影響橋下交通等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為當(dāng)前連續(xù)梁大橋的重要施工方式[4]。 掛籃作為懸臂澆筑施工中的關(guān)鍵設(shè)備，其穩(wěn)定性對懸澆段施工影響顯著，因此需要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性的分析和評價。

國內(nèi)外學(xué)者對于掛籃結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了大量的研究，分析與評價的主要方法包括理論分析計算和有限元分析。 常躍雷等[5]以某雙線大橋施工工程為研究背景，對掛籃結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、主桁系統(tǒng)進(jìn)行有限元模擬，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，通過實(shí)驗(yàn)得出可行性的規(guī)律；蒯行成等[6]對掛籃結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意的問題進(jìn)行了研究，通過掛籃結(jié)構(gòu)的受力特性， 得到了確定預(yù)壓荷載的辦法；韓洋[7]以混凝土箱拱懸澆施工掛籃為研究重點(diǎn)，對施工過程中倒掛式三角斜爬掛籃的設(shè)計計算、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了分析；張學(xué)會[8]采用有限元軟件對掛籃的主要構(gòu)件進(jìn)行了強(qiáng)度計算，保證掛籃在施工過程中的安全性；劉占中[9]以ANSYS 軟件為計算平臺，創(chuàng)設(shè)了新型的空間模型——三角掛籃，對掛籃結(jié)構(gòu)在受到不同荷載組合作用下出現(xiàn)的情況進(jìn)行了分類探究；陶友海[10]以黑木溝大橋施工為背景來探究掛籃結(jié)構(gòu)的合理性，分別利用ABAQUS 和MIDAS/Civil對工程中的掛籃進(jìn)行數(shù)值模擬，并對其二者的適用性進(jìn)行對比分析；Zhang 等[11]和Kim 等[12]對橋梁的安全性和承載能力展開了研究，并對其鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析。 綜上所述，國內(nèi)外對于跨度大、施工復(fù)雜的特大型橋梁掛籃的結(jié)構(gòu)受力和穩(wěn)定性研究較少，且對其不利荷載的組合情況分析也較少。 因此，本文基于有限元軟件，結(jié)合青弋江特大橋懸澆段掛籃施工以及JTG/T 3650-2020 《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[13]，對青弋江特大橋橋梁掛籃的結(jié)構(gòu)受力和穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 工程概況

1.1 工程簡介

青弋江特大橋左幅橋梁起訖里程為ZK046+187.545～K048+853.000，全長2664 m，右幅橋梁起訖里程為K046+196～K048+853，全長2657 m。 橋梁跨越青弋江及徽水河處上部結(jié)構(gòu)采取 （38.5+68+38.5）m 預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆連續(xù)梁。 連續(xù)梁0# 塊長4 m，1# 塊長3.5 m，0# 塊與1# 塊共11 m， 采用支架現(xiàn)澆，其余懸澆段采用掛籃澆注，懸澆段最重為3# 塊重116.504 t，長度4 m；箱梁頂寬12.25 m，梁底寬6.5 m。

1.2 掛籃結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 掛籃構(gòu)造

掛籃結(jié)構(gòu)構(gòu)造為菱形掛籃，采用雙32# 熱軋槽鋼拼接焊接技術(shù)作為菱形架前后斜桿和豎向直桿，采用雙I40 工字鋼組焊前上橫梁，托梁全部利用雙I40 工字鋼組合焊接，底部縱向橫梁采取I32# 工字鋼，內(nèi)導(dǎo)梁由雙40# 熱軋槽鋼進(jìn)行組合焊接，外導(dǎo)梁利用雙40# 普通熱軋槽鋼，吊桿采用PSB830φ32精軋螺紋鋼，腹板兩側(cè)及箱室內(nèi)懸吊采用25×180 cm吊帶，具體結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。

圖1 掛籃設(shè)計圖

1.2.2 掛籃各項物理參數(shù)

根據(jù)規(guī)范TZ 324-2010 《鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁（剛構(gòu)）懸臂澆筑施工技術(shù)指南》[14]，掛籃結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計應(yīng)該考慮下列各項荷載，如表1 所示；該菱形掛籃涉及到的主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表1 荷載系數(shù)

表2 主要技術(shù)參數(shù)

2 有限元模型建立

2.1 建模單元選擇

MIDAS 軟件通過創(chuàng)建桿件元件并分別對其賦予材料屬性及統(tǒng)一單元坐標(biāo)值，創(chuàng)建主構(gòu)架、橫梁、導(dǎo)梁、底托架、吊桿、后錨等元件，根據(jù)主構(gòu)架各節(jié)點(diǎn)的連接釋放銷軸的自由度，采用彈性連接在前上橫梁、平聯(lián)與主構(gòu)架間及內(nèi)模支架與導(dǎo)梁間，主桁架下部支點(diǎn)及后錨桿采用支座類約束等實(shí)際情況設(shè)置邊界條件，將各元件連接組裝。 按掛籃桿件的實(shí)際位置創(chuàng)建梁單元并對其進(jìn)行相應(yīng)賦值。

掛籃的結(jié)構(gòu)主要是由型材和桿件構(gòu)成，對主要結(jié)構(gòu)采用beam168 單元模塊以及l(fā)ink8 單元； 構(gòu)件之間的連接部分采用mass19 單元和rigid 單元。 此外，在建模過程中需要進(jìn)行一定的簡化，主要針對小尖角、方形角等對掛籃結(jié)構(gòu)影響微小的結(jié)構(gòu)。 菱形掛籃結(jié)構(gòu)有限元計算模型如圖2 所示。

圖2 掛籃整體計算模型

2.2 荷載組合

掛籃結(jié)構(gòu)在實(shí)際施工過程中，會承受不同組合形式的荷載，需對掛籃結(jié)構(gòu)在承受不同荷載的情況下進(jìn)行組合建模，荷載組合如下。 （1）荷載組合1：（混凝土+施工機(jī)具及人群+傾倒和振搗混凝土+護(hù)欄）荷載+（掛籃+模板）自重。 該荷載組合主要用來計算掛籃的主桁承重系統(tǒng)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。 （2）荷載組合2： 混凝土偏載+（施工機(jī)具及人群+傾倒和振搗混凝土+護(hù)欄）荷載+（掛籃+模板）自重。該荷載組合適用于混凝土澆筑過程中結(jié)構(gòu)荷載的計算。 （3）荷載組合3：（混凝土+護(hù)欄+風(fēng)）荷載+（掛籃+模板）自重。 該荷載組合適用于掛籃混凝土澆筑完畢后，結(jié)構(gòu)在受到大風(fēng)影響下的荷載計算。 （4）荷載組合4：（混凝土+施工機(jī)具及人群+護(hù)欄） 荷載+（掛籃+模板）自重。該荷載組合主要用來計算掛籃結(jié)構(gòu)的剛度。

2.3 約束

菱形掛籃模型施加的約束為后下縱梁上吊桿鎖緊在已澆筑的混凝土上，需要在吊桿上施加3 個旋轉(zhuǎn)約束和3 個位移約束；主桁架后端通過后錨桿鎖緊在已澆筑的混凝土上，主桁架后端需要施加3個旋轉(zhuǎn)約束和3 個位移約束； 主桁架下橫梁利用滑輪反扣在滑軌上，需要對其施加豎向位移。

3 有限元分析計算

3.1 主構(gòu)架應(yīng)力分析計算

掛籃結(jié)構(gòu)的主構(gòu)架，作為掛籃整體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性是保證掛籃結(jié)構(gòu)能否順利施工的關(guān)鍵。 因此，對掛籃主構(gòu)架結(jié)構(gòu)在3 種不同荷載組合下應(yīng)力進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖3 所示。

圖3 掛籃主構(gòu)架結(jié)構(gòu)

由圖3 可知，在荷載組合1 情況下，主構(gòu)架最大應(yīng)力為130.8 MPa；在荷載組合2 情況下，主構(gòu)架最大應(yīng)力為123.9 MPa；在荷載組合3 情況下，主構(gòu)架最大應(yīng)力為126.7 MPa，其結(jié)果小于Q235 鋼材的許用應(yīng)力，符合施工要求。

3.2 掛籃結(jié)構(gòu)剛度分析計算

采用荷載組合4 來計算掛籃系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)剛度。掛籃整體結(jié)構(gòu)有限元計算分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 掛籃結(jié)構(gòu)變形等值線圖

該荷載組合下，最大豎向變形值為16.9 mm，并對結(jié)構(gòu)的各部分進(jìn)行劃分分析，主構(gòu)架結(jié)構(gòu)前橫梁支點(diǎn)處是結(jié)構(gòu)變形最大的部位，變形量為11.2 mm；前橫梁部分最大位移位于端部位置，變形量為13.2 mm，相對變形值為：△δ=13.2－11.2=2 mm；撓跨比為：η=2＜L/400。

4 結(jié)論

以青弋江特大橋懸臂施工中的掛籃結(jié)構(gòu)為例，采用MIDAS 有限元軟件對其強(qiáng)度、 剛度進(jìn)行模擬分析，得到以下結(jié)論。 （1）掛籃的設(shè)計計算是關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 采用有限元仿真分析的方法對掛籃的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度進(jìn)行計算，亦可清晰地展現(xiàn)結(jié)構(gòu)以及材料的應(yīng)力、 應(yīng)變分布特征， 且圖片可視化效果顯著。（2）掛籃主構(gòu)架結(jié)構(gòu)在荷載組合1 的情況下應(yīng)力值達(dá)到最大，值為130.8 MPa，其結(jié)果小于Q235 鋼材的許用應(yīng)力，符合施工要求。 （3）通過數(shù)值模擬分析計算，綜合考慮整體結(jié)構(gòu)、主構(gòu)架、前橫梁等結(jié)構(gòu)的全部位移，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的最大位移為16.9 mm，撓跨比為：η=2＜L/400，均在規(guī)定范圍允許之內(nèi)。