李仁強(qiáng)

摘要： 掛籃是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋施工的一種常用走行式支架及模板設(shè)備，建立合適的掛籃施工力學(xué)計(jì)算模型是確保掛籃施工安全及線形精準(zhǔn)監(jiān)控的基礎(chǔ)。盡管可以采用三維桿件有限元法或簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)掛籃力學(xué)計(jì)算，但也經(jīng)常容易出現(xiàn)計(jì)算模型選取未能真實(shí)反映掛籃的實(shí)際受力特征而導(dǎo)致的部分構(gòu)件實(shí)際變形過大的現(xiàn)象，給橋梁線形及安全控制帶來不利影響。本文在對(duì)掛籃進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力特征分析的基礎(chǔ)上，采用等效結(jié)構(gòu)法將空間的掛籃結(jié)構(gòu)等效成若干個(gè)平面桿件有限元模型，并借助RBCCE等相關(guān)BIM軟件和力學(xué)分析軟件便捷實(shí)現(xiàn)掛籃的力學(xué)計(jì)算，建模計(jì)算能夠很好地反映掛籃結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力特征，實(shí)現(xiàn)掛籃結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)單化、高效率和標(biāo)準(zhǔn)化，并有利于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工BIM技術(shù)的深化應(yīng)用。

Abstract： The hanging basket is a commonly used walking bracket and formwork equipment for the construction of prestressed concrete continuous beams or continuous rigid frame bridges. Establishing a suitable mechanical calculation model for the hanging basket construction is the basis for ensuring the safety of the hanging basket construction and the precise linear monitoring. Although three-dimensional bar finite element method or simplified structural mechanics calculation method can be used to achieve the calculation of the hanging basket mechanics， it is often prone to the fact that the selection of the calculation model fails to truly reflect the actual stress characteristics of the hanging basket and cause the actual deformation of some components to be too large. The phenomenon has an adverse effect on the alignment and safety control of the bridge. In this paper， based on the structural force analysis of the hanging basket， the equivalent structure method is used to make the space hanging basket structure equivalent to a number of planar finite element models， and the related BIM software such as RBCCE and mechanical analysis software is used to realize the mechanical calculation of the hanging basket conveniently. The modeling calculation can well reflect the actual stress characteristics of the hanging basket structure， realize the simplification， high efficiency and standardization of the hanging basket structure， and is beneficial to the deepening application of BIM technology in cantilever construction of prestressed concrete continuous beam or continuous rigid frame bridge.

關(guān)鍵詞： 橋梁；掛籃；計(jì)算；施工

Key words： bridge；hanging basket；calculation；construction

中圖分類號(hào)：U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）21-0120-04

0 引言

在預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工方法中，掛籃是一種重要的可走行支架和模板，主要由主構(gòu)架、外模、內(nèi)模、底模、走行系統(tǒng)及懸吊系統(tǒng)構(gòu)成，其關(guān)鍵受力構(gòu)件有主構(gòu)架、前上橫梁、前下橫梁、后下橫梁、外滑梁、內(nèi)滑梁、前吊桿及后吊桿等。確保掛籃施工安全的關(guān)鍵在于建立起反映掛籃結(jié)構(gòu)力學(xué)行為特征的計(jì)算模型，以得到各關(guān)鍵受力構(gòu)件的受力計(jì)算結(jié)果。工程上，雖然可以采用三維桿件有限元模型，或者采用簡(jiǎn)化的平面桿件有限元方法進(jìn)行掛籃力學(xué)計(jì)算，但容易出現(xiàn)模型選取沒有很好地體現(xiàn)掛籃施工的力學(xué)行為特征，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)際施工中部分構(gòu)件的實(shí)際變形過大的現(xiàn)象，給橋梁后續(xù)的線形監(jiān)控及安全控制帶來不利影響。

最近幾年來，BIM技術(shù)已經(jīng)成為路橋施工行業(yè)的熱點(diǎn)技術(shù)[1-2]，并將成為未來企業(yè)挖潛增效、提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的必選信息技術(shù)手段。將BIM技術(shù)應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋掛籃懸臂施工，要求施工過程標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化及信息化，相應(yīng)的掛籃懸臂施工計(jì)算提出更高的要求，掛籃計(jì)算模型要求能夠真實(shí)地反映掛籃施工過程力學(xué)行為特征，并能便捷實(shí)現(xiàn)其力學(xué)計(jì)算，提取相應(yīng)的變形數(shù)據(jù)為懸臂施工提供線形控制依據(jù)。本文結(jié)合某大橋掛籃施工，在對(duì)該掛籃的一些設(shè)計(jì)和受力特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，利用等效結(jié)構(gòu)法，研究了掛籃各個(gè)關(guān)鍵受力構(gòu)件的受力特征及相關(guān)計(jì)算模型，并借助RBCCE[3-5]軟件實(shí)現(xiàn)了掛籃設(shè)計(jì)計(jì)算的簡(jiǎn)單化和高效率，有利于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工BIM技術(shù)的深化應(yīng)用。

1 掛籃設(shè)計(jì)方案

某大橋懸臂施工采用菱形掛籃，構(gòu)造形式如圖1。其主要構(gòu)造規(guī)格如下：主桁架各桿件均采用雙拼[32b槽鋼與10mm厚鋼板焊接成組合構(gòu)件，整個(gè)掛籃有兩榀主桁片；主桁立桿間利用門架連接起來構(gòu)成一個(gè)整體，門架分為中門架和邊門架；上弦桿間用斜撐加固；上橫梁為雙拼[40b槽鋼兩側(cè)加焊10mm厚鋼板構(gòu)成組合構(gòu)件；內(nèi)滑梁和外滑梁為雙拼[32b槽鋼兩側(cè)加焊10mm厚鋼板；前上橫梁與前下橫梁為雙拼[40b槽鋼，并用10mm厚鋼板圍焊；底托縱梁采用I36b工字鋼，在箱梁腹板位置處每22.5cm放置一根，共10根，在底板位置處每80cm放置一根，共5根，在翼緣板位置處每90cm放置一根，共4根，并與前、后下橫梁焊接加固；懸吊系統(tǒng)所用吊桿均采用？準(zhǔn)32精軋螺紋鋼，共18組，每組2根。

2 掛籃結(jié)構(gòu)所受組合荷載特點(diǎn)

混凝土澆筑時(shí)，掛籃所受施工荷載需要根據(jù)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋的箱型截面分割為翼緣區(qū)、頂板區(qū)、腹板區(qū)及底板區(qū)等區(qū)域分別處理，見圖2。每一區(qū)域的施工荷載需要分恒載和活荷載兩種類型按一定的組合系數(shù)組合計(jì)算得到，其中模板及梁體混凝土自重屬于恒荷載，而施工人員、施工材料、機(jī)具等走行運(yùn)輸和堆放的荷載等人群機(jī)具荷載，以及混凝土振搗及沖擊荷載均為活載，各荷載取值及組合系數(shù)的選取需要遵循相關(guān)橋梁施工技術(shù)規(guī)范[4]；強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)恒載分項(xiàng)系數(shù)取1.2，活載分項(xiàng)系數(shù)取1.4；剛度計(jì)算時(shí)，分項(xiàng)系數(shù)均取1.0。

在主梁混凝土節(jié)段縱向看，翼緣區(qū)、頂板區(qū)混凝土施工產(chǎn)生的施工荷載為均布荷載，而在腹板區(qū)、底板區(qū)域，因主梁節(jié)段高度變化及底板厚度的變化，相應(yīng)的混凝土施工荷載則為線性變化，屬于一種分布荷載，見圖3。

3 掛籃關(guān)鍵受力構(gòu)件的計(jì)算特征分析

主構(gòu)架、前上橫梁、前下橫梁、后下橫梁、外滑梁、內(nèi)滑梁、前吊桿及后吊桿等為掛籃結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力構(gòu)件其受力特點(diǎn)主要有：

①翼緣區(qū)施工荷載全部由外滑梁及相應(yīng)的外滑梁吊桿承擔(dān)，頂板區(qū)施工荷載全部由內(nèi)外滑梁及相應(yīng)的內(nèi)滑梁吊桿承擔(dān)，而底?？v梁需要分腹板區(qū)域和底板區(qū)域分別考慮，腹板區(qū)域的底模縱梁將承受腹板區(qū)的施工荷載，而底板區(qū)域的底模縱梁將承受底板區(qū)的施工荷載。

②所有外滑梁、內(nèi)滑梁及底?？v梁均可以采用簡(jiǎn)支梁模型進(jìn)行精確計(jì)算，其中外滑梁、內(nèi)滑梁受均布組合荷載作用，而底?？v梁則承受沿截面變化的分布組合荷載作用，它們各自受力不會(huì)因?yàn)椴捎闷矫鏃U件有限元模型還是空間桿件有限元模型而會(huì)有計(jì)算結(jié)果的差異。

③外滑梁及內(nèi)滑梁計(jì)算時(shí)，其計(jì)算工況是節(jié)段最長(zhǎng)的梁段，而非節(jié)段最重的節(jié)段。因此，僅采用節(jié)段最重的工況對(duì)掛籃進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，是不能真實(shí)地反映掛籃施工全過程的受力學(xué)特點(diǎn)，隱含了掛籃施工的安全和變形控制的風(fēng)險(xiǎn)。而對(duì)于掛籃的其它構(gòu)件計(jì)算則需要按最重節(jié)段考慮。另外，外滑梁、內(nèi)滑梁計(jì)算還需要考慮掛籃走行到位時(shí)的工況，此時(shí)計(jì)算模型雖然為簡(jiǎn)支梁模型，所受荷載僅為掛籃模板荷載，但此時(shí)的簡(jiǎn)支梁跨度最大。

④掛籃前下橫梁所受的荷載為底?？v梁所產(chǎn)生的支座反力，而前上橫梁所受的荷載為外滑梁和內(nèi)滑梁所產(chǎn)生的支座反力；前上橫梁通過前吊桿懸吊前下橫梁，并支撐于掛籃主構(gòu)架上。根據(jù)懸臂施工法掛籃自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工荷載的對(duì)稱性，掛籃在混凝土澆筑過程中，其前上橫梁在掛籃主構(gòu)架的位置將產(chǎn)生相同的豎向位移。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)中的等效結(jié)構(gòu)法概念，當(dāng)一個(gè)復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)的某一部位可以等效成其相應(yīng)的子結(jié)構(gòu)加以計(jì)算時(shí)，該子結(jié)構(gòu)所受荷載、約束與原空間結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)部位應(yīng)該完全等效；因此，可以將掛籃的前上橫梁、前下橫梁及它們之間的吊桿部分等效成圖6（a）所示的前橫梁計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算，前上橫梁在主構(gòu)架位置按豎向剛性約束考慮，因主構(gòu)架產(chǎn)生的豎向位移Δ可以按剛體位移考慮，該位移對(duì)結(jié)構(gòu)受力不產(chǎn)生影響；而對(duì)于掛籃的后下橫梁及它們之間的吊桿部分，則可以等效成圖6（b）所示的平面桿件計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算。圖6中，P1為外滑梁計(jì)算模型的前端支座反力，P2為內(nèi)滑梁計(jì)算模型的前端支座反力，P3為腹板區(qū)底?？v梁計(jì)算模型的前端支座反力，P4為底板區(qū)底?？v梁計(jì)算模型的前端支座反力，P6為腹板區(qū)底?？v梁計(jì)算模型的后端支座反力，P7為底板區(qū)底?？v梁計(jì)算模型的后端支座反力。

⑤掛籃主構(gòu)架所受荷載為前橫梁計(jì)算模型所產(chǎn)生的支座反力，相應(yīng)的主構(gòu)架前端豎向位移Δ即為前上橫梁模型的剛體豎向位移Δ。

⑥后錨桿拉力計(jì)算。

后錨桿對(duì)應(yīng)于主三角構(gòu)架的支座反力R，其數(shù)值為主三角構(gòu)架前端荷載P（見圖7）。當(dāng)一個(gè)主構(gòu)架后端有三對(duì)錨桿時(shí)，則一根后錨桿所受的力為N=R/6；通過計(jì)算掛籃后錨的允許設(shè)計(jì)承載能力與其實(shí)際受力與的比值即可以得到掛籃的抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，進(jìn)而完成其抗傾覆穩(wěn)定能力的評(píng)估。

4 掛籃施工力學(xué)計(jì)算實(shí)現(xiàn)

基于上各組成構(gòu)件的受力及計(jì)算模型的分析，可以構(gòu)建出某大橋懸臂施工用的菱形掛籃的主構(gòu)架、前橫梁、后橫梁、外滑梁、內(nèi)滑梁、底?？v梁在各最不利工況下的計(jì)算模型，并進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)計(jì)算，查詢相應(yīng)的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性結(jié)果。所有計(jì)算模型建立時(shí)，其荷載、約束均要反映掛籃上述模型的受力特征和約束特征。

可以借助通用的Midas、ANSYS等國(guó)際品牌軟件進(jìn)行掛籃結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算，其模型可以是上述等效的平面桿件結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，也可以是空間的桿件有限元計(jì)算模型，但由于這些軟件的通用性，在考慮掛籃結(jié)構(gòu)受力特征上支持不足，容易出現(xiàn)建模效率的問題，甚至計(jì)算模型不能很好反映掛籃結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力學(xué)特征的現(xiàn)象。本文采用RBCCE軟件實(shí)現(xiàn)某大橋掛籃力學(xué)計(jì)算，RBCCE軟件為一款面向路橋施工的BIM軟件，該軟件建模充分挖掘了掛籃結(jié)構(gòu)的受力特征，可以便捷創(chuàng)建出各種等效的掛籃平面計(jì)算模型，并自動(dòng)生成Midas三維桿件有限元計(jì)算模型命令流，再借助Midas軟件實(shí)現(xiàn)掛籃三維桿件有限元的計(jì)算及計(jì)算結(jié)果查詢。圖8、圖9分別為借助RBCCE軟件實(shí)現(xiàn)的掛籃主構(gòu)架及前橫梁計(jì)算模型，以及它們相應(yīng)的變形曲線；圖10為所生成的Midas三維掛籃結(jié)構(gòu)桿件有限元模型所得到變形圖。計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)位移監(jiān)測(cè)表明，無論是平面還是空間桿件有限元計(jì)算模型，由于模型能夠反映掛籃的施工受力特征，兩類計(jì)算模型所獲得的計(jì)算結(jié)果基本相同，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果相吻合。

5 結(jié)論

將BIM技術(shù)應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工技術(shù)，必然要求施工過程的標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化、信息化及自動(dòng)化，相應(yīng)的掛籃結(jié)構(gòu)計(jì)算需要建立能夠真實(shí)反映掛籃施工過程力學(xué)行為特征的計(jì)算模型，并能便捷得到其力學(xué)計(jì)算結(jié)果，獲得相應(yīng)的變形數(shù)據(jù)為懸臂施工提供線形控制依據(jù)。通過對(duì)掛籃這一空間的懸吊結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力特征分析，可以將其規(guī)劃分解為一系列彼此獨(dú)立又相互聯(lián)系，又能夠真實(shí)反映掛籃結(jié)構(gòu)受力特征的平面桿件結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，并借助RBCCE等相關(guān)軟件加以計(jì)算實(shí)現(xiàn)，可以得到與現(xiàn)場(chǎng)相吻合的計(jì)算模型和計(jì)算結(jié)果，使復(fù)雜掛籃計(jì)算過程變成簡(jiǎn)單、規(guī)范而且容易實(shí)現(xiàn)的計(jì)算過程，實(shí)現(xiàn)了掛籃力學(xué)計(jì)算的簡(jiǎn)單化、標(biāo)準(zhǔn)化和高效率，有利于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工BIM技術(shù)的深化應(yīng)用。

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