李云峰張帥蘇會(huì)鋒馬建棟

摘要：以某新建鐵路工程特大橋連續(xù)梁使用的掛籃為例，利用有限元軟件MIDAS建立掛籃的整體模型，計(jì)算掛籃在最重梁段澆注混凝土的工況下掛籃結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，并對(duì)掛籃在行走過程的抗傾覆性進(jìn)行驗(yàn)算，保證掛籃結(jié)構(gòu)本身以及施工過程中全橋的安全性。結(jié)果表明：掛籃結(jié)構(gòu)受力安全是保證懸臂施工的關(guān)鍵；該菱形掛籃在2種工況下均具有較好的穩(wěn)定性，滿足施工安全要求。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁；掛籃；主桁架；抗傾覆

中圖分類號(hào)：U445.446文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Simulation Analysis of Continuous Beam Hangingbasket Based on MIDAS

LI Yunfeng1， ZHANG Shuai1， SU Huifeng2， MA Jiandong1

（1. Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation of Shandong Province，

Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， Shandong， China； 2. School of

Transportation， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， Shandong， China）

Abstract： Taking the application of hanging basket for continuous beam in a railway bridge that is under construction as an example， an integral model of the hanging basket was established with MIDAS， a software for finite element analysis. In order to guarantee the safety of hanging basket and the bridge， the structural strength and stability of the hanging basket under the working condition of pouring the heaviest beam was calculated， and the overturn resistance of hanging basket during its movement was checked. The results show that it is critical to keep the safety of hanging basket during the construction of cantilever； the diamondshaped hanging basket maintains stability under two working conditions.

Key words： continuous beam； hanging basket； main truss； overturn resistance

0引言

掛籃是懸臂澆筑施工中的重要設(shè)備，有型鋼式、斜拉式、桁架式以及混合式4種結(jié)構(gòu)形式[1]。菱形桁架式掛籃的主要受力構(gòu)件均為二力桿，能夠使材料特性得到充分利用，具有結(jié)構(gòu)可靠、傳力路徑清晰明確以及拆裝錨固方便等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁懸臂澆注施工中廣泛應(yīng)用。傾覆倒塌是掛籃施工過程中最大的安全隱患，因此校核掛籃不僅需要對(duì)各種工況下可能發(fā)生的荷載最不利組合進(jìn)行各構(gòu)件的強(qiáng)度及穩(wěn)定性計(jì)算，還需重點(diǎn)對(duì)掛籃在澆注混凝土和行走過程這2種不同工況下的抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，保證掛籃在施工過程中的安全性[2]。

1工程概況

某新建鐵路工程特大橋主橋采用40 m+72 m+40 m的單箱式連續(xù)梁，箱梁頂寬1210 m，翼緣板長(zhǎng)285 m，支點(diǎn)處梁高589 m，跨中梁高329 m，梁高及底板厚度按二次拋物線變化，如圖1所示。0號(hào)塊梁段長(zhǎng)度為12 m，合龍段長(zhǎng)度為2 m，邊跨直線段長(zhǎng)度為360 m，掛籃懸臂澆筑箱梁最重為3號(hào)塊段，其重量為14376 t，長(zhǎng)度為350 m。該特大橋箱梁采用的施工方案為平衡懸臂現(xiàn)澆施工，根據(jù)箱梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，采用菱形掛籃。菱形掛籃主要由主桁架系統(tǒng)、橫梁系統(tǒng)、吊桿系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、張拉操作平臺(tái)及模版系統(tǒng)組成[3]。

2有限元分析

2.1荷載參數(shù)選取

根據(jù)本工程的實(shí)際情況，選取與工程實(shí)際相近的技術(shù)參數(shù)：混凝土質(zhì)量為2 600 kg·m-3；施工機(jī)具及人群荷載為25 kN·m-2；箱梁混凝土澆注時(shí)脹模等超載系數(shù)為105；掛籃空載行走時(shí)的沖擊系數(shù)為13；澆注混凝土?xí)r的動(dòng)力系數(shù)為12；澆注混凝土和掛籃行走時(shí)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為20；掛籃澆注混凝土?xí)r的承載力計(jì)算為掛籃自重、混凝土自重、施工機(jī)具及人群荷載與動(dòng)力荷載之和；掛籃行走時(shí)抗傾覆驗(yàn)算為掛籃自重與沖擊荷載（掛籃自重的03倍）。

2.2建立有限元模型

依據(jù)掛籃的設(shè)計(jì)圖紙，利用有限元軟件MIDAS建立整體模型[4]，如圖2所示。除吊桿采用桁架單元模擬外，其他部件均采用梁?jiǎn)卧M，主桁架各節(jié)點(diǎn)連接釋放銷軸[56]。在建立模型時(shí)未建立混凝土梁、模板等構(gòu)件，為分析方便，對(duì)模型添加荷載時(shí)做出如下簡(jiǎn)化[79]。

（1）翼板及側(cè)模自重，由其下方對(duì)應(yīng)的滑梁承擔(dān)；頂板混凝土自重及內(nèi)模各構(gòu)件質(zhì)量，由內(nèi)滑梁承擔(dān)；腹板混凝土及對(duì)應(yīng)底模自重，由其下方對(duì)應(yīng)的縱梁承擔(dān)；底板混凝土及對(duì)應(yīng)底模自重由底模下的縱梁承擔(dān)。

（2）掛籃載荷劃分為主結(jié)構(gòu)、模板與側(cè)模支撐桁架及前端懸吊機(jī)構(gòu)等部分。在添加荷載時(shí)主結(jié)構(gòu)部分荷載由軟件按自重荷載添加，模板與側(cè)模按分塊荷載施加，前端懸吊機(jī)構(gòu)按集中荷載施加于前橫梁。

（3）澆注混凝土產(chǎn)生的動(dòng)力荷載、施工機(jī)具及人群荷載按梁寬及梁節(jié)長(zhǎng)度計(jì)算，并施加到對(duì)應(yīng)縱梁上。

2.3掛籃澆注工況下結(jié)果分析

2.3.1掛籃結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析

通過對(duì)掛籃澆注混凝土過程的模擬，選取最不利的情況，對(duì)掛籃主結(jié)構(gòu)各部分進(jìn)行應(yīng)力分析，結(jié)果如圖3～5所示。

通過整體分析可知，掛籃在澆注混凝土的施工過程中，主桁架最大應(yīng)力發(fā)生于主桁架的豎桿和斜桿位置，大小為131.7 MPa。內(nèi)橫梁最大彎曲應(yīng)力為114.3 MPa，外滑梁最大彎曲應(yīng)力為138.5 MPa，均小于Q235B鋼材的彎曲容許應(yīng)力值145 MPa。

吊桿的作用是連接主桁架和底模，主要承受拉應(yīng)力，由于它幾乎全部承擔(dān)底模和澆注混凝土的質(zhì)量，故應(yīng)力值較大，需重點(diǎn)控制[10]。最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在底模后錨吊桿處，大小為199.6 MPa，如圖6所示。吊桿是直徑為32 mm的精軋螺紋鋼筋，其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為930 MPa，安全系數(shù)k=466，故k>2。因此，掛籃在澆注混凝土的過程中，承載能力滿足要求。

2.3.2掛籃穩(wěn)定性分析

掛籃的失穩(wěn)屬于分支點(diǎn)失穩(wěn)，針對(duì)臨界荷載和對(duì)應(yīng)的屈曲模態(tài)進(jìn)行分析，其中屈曲特征方程為

[K-λ（G（r））]φ=0（1）

式中：K為剛度矩陣；λ為特征值對(duì)角矩陣；G（r）為荷載向量r作用下的幾何剛度；φ為對(duì)應(yīng)的特征向量矩陣。

通過計(jì)算求解得到結(jié)構(gòu)的特征值和特征向量，特征值可以視為結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，特征向量則對(duì)應(yīng)臨界荷載的屈曲模態(tài)。如果結(jié)構(gòu)的特征值大于1，那么給定的荷載繼續(xù)增加才會(huì)引起屈曲；如果小于1，則給定的荷載必須減小，防止結(jié)構(gòu)的屈曲；若特征值為負(fù)數(shù)，說明荷載反向時(shí)才會(huì)屈曲。

對(duì)圖2的模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析，選取前四階屈曲模態(tài)計(jì)算，對(duì)應(yīng)的特征值分別為：λ1=4615，λ2=6317，λ3=10.764，λ4=11.964。其中一階屈曲失穩(wěn)屬于整體側(cè)向扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，特征值大于5，掛籃整體穩(wěn)定性滿足要求。

2.4掛籃行走結(jié)果分析

2.4.1掛籃行走過程

掛籃底部設(shè)有軌道，使掛籃能夠沿橋梁縱向移動(dòng)，軌道由豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固在已澆注梁段。掛籃靜止時(shí)，后端由豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固在已澆注梁段；移動(dòng)時(shí)解除后錨系統(tǒng)通過液壓千斤頂，使掛籃在軌道上行走。完成一個(gè)梁段的施工后，對(duì)稱移動(dòng)掛籃至下一個(gè)梁段，直到循環(huán)完成所有懸臂梁段的施工。行走階段滑梁后吊點(diǎn)不動(dòng)，但滑梁伸長(zhǎng)，跨度增大至10 m。

2.4.2行走主桁架抗傾覆分析

根據(jù)本工程掛籃的設(shè)計(jì)，在行走過程中每套掛籃設(shè)置4個(gè)反扣輪，保證行走過程中的安全。將掛籃的一榀桁架作為計(jì)算單元進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，受力如圖7所示。

圖7行走主桁架支點(diǎn)受力

由圖7可以看出，最大豎向反力出現(xiàn)在主桁架后反扣輪處，為246 kN。

通過計(jì)算得出掛籃在行走過程中的安全系數(shù)k=276，故k>2，滿足規(guī)范要求。

3結(jié)語(yǔ)

（1）掛籃結(jié)構(gòu)受力安全是保證懸臂施工的關(guān)鍵。本文通過建立合理的有限元模型，對(duì)掛籃在施工和行走過程中各構(gòu)件的傳力機(jī)理進(jìn)行分析計(jì)算，得到各構(gòu)件應(yīng)力、穩(wěn)定性及抗傾覆等方面的結(jié)果，得知該菱形掛籃在2種工況下均具有較好的穩(wěn)定性，滿足施工安全要求。

（2）對(duì)本掛籃進(jìn)行模擬分析時(shí)，有些地方考慮不夠全面，如未考慮風(fēng)荷載的作用，只是對(duì)掛籃主要受力構(gòu)件進(jìn)行了分析而未對(duì)掛籃體系做可靠性深入研究。計(jì)算是基于鋼材的線彈性理論而未對(duì)鋼材的塑性發(fā)展過程進(jìn)行有限元分析。

（3）將有限元軟件MIDAS應(yīng)用于掛籃的設(shè)計(jì)，通過建立掛籃的有限元模型，對(duì)結(jié)構(gòu)桿件進(jìn)行受力分析及抗傾覆驗(yàn)算，保證掛籃在施工過程中的安全性能，可為同類掛籃系統(tǒng)有限元軟件設(shè)計(jì)計(jì)算和懸臂澆注施工提供指導(dǎo)。

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[責(zé)任編輯：杜敏浩]