0 引言

掛籃是一種應(yīng)用于橋梁懸臂澆筑施工的臨時(shí)性支撐結(jié)構(gòu)，其主要由主桁架、前上橫梁、導(dǎo)梁、底籃平臺(tái)和橫向連接系等組成[1]。其優(yōu)勢在于可不搭設(shè)腳手架懸臂澆筑混凝土，能夠有效減少對(duì)水面、道路或復(fù)雜地形的干擾，因而成為跨河、跨峽谷或高架橋梁施工的理想選擇[2]。掛籃作為一種懸臂式施工設(shè)備，在荷載作用下易產(chǎn)生變形、位移或不穩(wěn)定，若控制不當(dāng)可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力異常、施工精度下降甚至安全事故。

掛籃穩(wěn)定性直接影響混凝土澆筑的線形、橋梁的整體結(jié)構(gòu)性能以及施工過程的安全性。目前，國內(nèi)有諸多學(xué)者針對(duì)掛籃結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。方淑君[3建立菱形掛籃與三角掛籃有限元分析模型，對(duì)比研究了兩者強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性差異。靳會(huì)武[4建立了鎮(zhèn)山大橋掛籃施工各種工況，進(jìn)行了掛籃施工受力分析并優(yōu)化了掛籃結(jié)構(gòu)。吳月星[5建立了夜郎湖大橋掛籃整體及節(jié)段模型，研究了掛籃及拱圈局部受力性能。本文結(jié)合工程實(shí)踐，針對(duì)施工中菱形掛籃整體強(qiáng)度與剛度驗(yàn)算進(jìn)行研究，并對(duì)掛籃施工安全進(jìn)行分析。

1菱形掛籃關(guān)鍵受力部位確定

菱形掛籃的關(guān)鍵受力特性主要體現(xiàn)在主桁架及桁架系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、底籃系統(tǒng)、導(dǎo)梁和前下橫梁等部位。主桁架及桁架系統(tǒng)需應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)復(fù)雜的多向力傳遞，防止局部應(yīng)力集中。懸吊系統(tǒng)需具備足夠的抗拔和抗滑能力，以此保證掛籃的整體安全性與穩(wěn)定性。底籃系統(tǒng)則承載施工荷載并分散至桁架，易產(chǎn)生局部撓曲變形。導(dǎo)梁承受施工荷載彎矩與剪力，以保證懸挑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。前下橫梁作為傳力的關(guān)鍵構(gòu)件承受懸臂荷載的彎矩與扭矩。掛籃結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2有限元模型建立

2.1建立計(jì)算模型

采用桿系單元建立模型，并基于掛籃構(gòu)件設(shè)計(jì)圖紙，賦予桿系單元截面尺寸，在不改變結(jié)構(gòu)承載性能的前提下，簡化截面，提高計(jì)算效率。

2.2邊界條件設(shè)置

約束邊界條件分為兩部分：一部分為掛籃主桁約束，采用完全約束，定義于主桁下弦桿節(jié)點(diǎn)；第二部分為吊點(diǎn)及中支點(diǎn)約束，采用完全約束，定義于導(dǎo)梁頂板吊點(diǎn)、底托梁底板吊點(diǎn)。模型約束及荷載分布如圖2所示。

2.3 荷載工況

2.3.1 梁段結(jié)構(gòu)

主橋變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁的0#塊長 12m高6.2m，1#最大節(jié)段質(zhì)量為289.4t，梁段布置如圖3所示。自1#節(jié)段起，均采用菱形掛籃施工。本文選取質(zhì)量最大的1#梁段，對(duì)其懸澆施工進(jìn)行驗(yàn)算。

2.3.2 荷載模擬

箱梁翼板荷載主要作用于外導(dǎo)梁，采用線荷載進(jìn)行模擬，荷載包括翼板混凝土質(zhì)量及外側(cè)模自身質(zhì)量。箱梁頂板荷載主要作用于內(nèi)導(dǎo)梁，同樣施加線荷載模擬，荷載包括箱梁頂板混凝土質(zhì)量及內(nèi)模自身質(zhì)量。底模承受箱梁鋼筋混凝土荷載，傳遞至掛籃縱梁，為簡化計(jì)算，將最大節(jié)段梁體重量轉(zhuǎn)換為線荷載，使其作用于底縱梁。

2.3.3 荷載工況設(shè)定

荷載工況為掛籃施工過程中的全過程荷載，即混凝土 + 掛籃 + 模板自身質(zhì)量 + 人群及機(jī)具荷載。施工過程中，將1#梁段施工工況認(rèn)定為掛籃施工的最不利荷載工況，1#梁段分塊如圖4所示，各分塊質(zhì)量如表1所示。

施工機(jī)具及人群荷載為 2.5kN/m ，傾倒混凝土產(chǎn)生的荷載 2kN/m ，振搗混凝土產(chǎn)生的荷載 2kN/m ，風(fēng)載荷按工程地50年不遇大風(fēng)和最不利位置加載。箱梁混凝土澆筑時(shí)脹模等超載系數(shù)取1.05，空載行走時(shí)沖擊系數(shù)取1.3，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)取2.0，自錨固系統(tǒng)安全系數(shù)取2.0，恒載分項(xiàng)系數(shù)取1.5，活載分項(xiàng)系數(shù)取1.3。

3有限元結(jié)果分析

3.1菱形掛籃構(gòu)件強(qiáng)度分析

主構(gòu)架、桁架系統(tǒng)受力如圖5所示。桁架系統(tǒng)為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其兩側(cè)主構(gòu)架布置點(diǎn)的桿件構(gòu)造呈反對(duì)稱，因此桁架系統(tǒng)與主構(gòu)架受力出現(xiàn)非對(duì)稱情況，但總體應(yīng)力水平較小，主構(gòu)架、桁架系統(tǒng)最大應(yīng)力分別為21.6MPa、4.6MPa.。

在菱形掛籃施工過程中，懸吊系統(tǒng)承擔(dān)掛籃施工中的大部分荷載，后吊桿由于掛籃后橫梁兩端存在約束，總體應(yīng)力水平較小。前吊桿則直接承受掛籃前橫梁荷載，最大應(yīng)力111.2MPa，兩束位于掛籃跨中處。懸吊系統(tǒng)受力如圖6所示。底籃直接承受施工荷載，最大應(yīng)力為32.5MPa ，位于底籃前橫梁跨中處，即前吊桿最大應(yīng)力位置，符合實(shí)際施工工況。底籃系統(tǒng)受力如圖7所示。

導(dǎo)梁系統(tǒng)承擔(dān)箱梁翼板混凝土及模板質(zhì)量，最大應(yīng)力16.3MPa，導(dǎo)梁系統(tǒng)受力如圖8所示。前上橫梁承擔(dān)吊桿的傳力，最大應(yīng)力 70.1MPa ，位于前上橫梁跨中處，與底籃前橫梁情況相同。前上橫梁受力如圖9所示。

綜上所述，各構(gòu)件最大應(yīng)力均未超過材料強(qiáng)度極限值275MPa，滿足規(guī)范要求，確保了掛籃施工過程中的安全性與可靠性。

3.2菱形掛籃構(gòu)件剛度分析

結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出，主構(gòu)架構(gòu)件變形呈對(duì)稱分布，其最大變形量為 2.5mm 。而桁架系統(tǒng)因其為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其構(gòu)件位移為非對(duì)稱分布狀態(tài)，但最大變形值較小，僅為 0.25mm 。

在掛籃施工荷載工況下，底籃系統(tǒng)作為施工荷載直接作用的構(gòu)件，其承受的荷載直接作用效應(yīng)顯著，因此產(chǎn)生了全結(jié)構(gòu)中的最大位移值11.2mm。而由于施工荷載通過掛籃結(jié)構(gòu)向下傳導(dǎo)，前吊桿作為懸吊系統(tǒng)中承接荷載的關(guān)鍵部位，其位移值相對(duì)較大，最大值達(dá)到10.6mm。

導(dǎo)梁系統(tǒng)與前橫梁最大位移值分別為3.7mm、4.4mm，相較于底籃系統(tǒng)和前吊桿，其位移值較小，說明這兩個(gè)構(gòu)件在整體剛度體系中穩(wěn)定性較高，變形控制良好。綜上所述，構(gòu)件最大位移值均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，整體剛度滿足使用要求。

4結(jié)論

本文圍繞懸臂澆筑施工中菱形掛籃的結(jié)構(gòu)性能，對(duì)其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了詳細(xì)的驗(yàn)算和分析，旨在確保掛籃在施工過程中的安全性和可靠性，具體研究成果如下：

1）基于Abaqus有限元分析軟件，對(duì)掛籃施工過程中強(qiáng)度與剛度進(jìn)行模擬驗(yàn)算。結(jié)果表明，各構(gòu)件在施工荷載組合下的應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的強(qiáng)度要求。最大豎向變形值位于底籃系統(tǒng)橫梁跨中為11.2mm ，整體剛度符合使用要求。

2）在強(qiáng)度驗(yàn)算中，掛籃吊桿系統(tǒng)所受荷載較大，尤其是前吊桿。在整體施工驗(yàn)算過程中，前吊桿最大應(yīng)力值為111.2MPa，遠(yuǎn)大于其他構(gòu)件。建議在后續(xù)設(shè)計(jì)中，需要優(yōu)化吊桿材料，提高承載能力，保證施工安全。

3）在剛度驗(yàn)算中，底籃系統(tǒng)作為施工荷載的直接承載構(gòu)件，其最大位移值為 11.2mm ，相較于其他構(gòu)件較大，且靠近前吊桿側(cè)，易導(dǎo)致施工過程中底籃傾覆，嚴(yán)重影響施工安全。對(duì)此可采用提高底籃系統(tǒng)剛度、增加底籃縱梁數(shù)量或截面等方式，有效提升底籃系統(tǒng)整體剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗變形能力。

參考文獻(xiàn)

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[5]吳月星，嚴(yán)仁章，劉增武，等.夜郎湖大橋主拱圈懸臂澆筑施工掛籃優(yōu)化分析[J].橋梁建設(shè)，2019，49（4）：102-107.