菱形掛籃預(yù)壓方案的仿真計(jì)算分析與比較

周勤華

（江陰市華士水利農(nóng)機(jī)服務(wù)站，江蘇 無(wú)錫 214421）

1 概述

掛籃懸臂澆筑施工法是1959年首先由前聯(lián)邦德國(guó)迪維達(dá)克創(chuàng)造和使用，因此又稱迪維達(dá)克施工法。掛籃懸臂施工技術(shù)含量高，設(shè)備投入少，施工方便，而且箱梁的應(yīng)力和彎矩分布更加合理，施工過(guò)程中掛籃和模板可重復(fù)使用，無(wú)需大型吊機(jī)，不影響橋下正常交通，已成為修建大中跨徑橋梁的一種極為有效的施工手段。隨著掛籃施工在橋梁建設(shè)中的不斷推廣，掛籃形式也在不斷發(fā)展創(chuàng)新，從結(jié)構(gòu)形式看目前主要有：菱形掛籃、平行桁架式掛籃、三角形組合梁式掛籃、弓弦式掛籃、斜拉式掛籃等；從抗傾覆的受力方式看有：壓重式、錨固式和半壓重半錨固式；從移動(dòng)方式看有：滾動(dòng)式、滑動(dòng)式和組合式。菱形掛籃可以看作平行桁架式掛籃的簡(jiǎn)化和改進(jìn)，其上部結(jié)構(gòu)為菱形，其菱形結(jié)構(gòu)后端錨固于已澆梁段上，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，無(wú)需平衡壓重，自重較輕。

掛籃是懸臂施工的關(guān)鍵設(shè)備，它與施工進(jìn)度、梁的線形、混凝土質(zhì)量和人員安全密切相關(guān)。因此，在正式施工前必須對(duì)掛籃體系施工荷載情形進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)，測(cè)得各級(jí)加載階段的彈性變形值，準(zhǔn)確把握掛籃本身的變形情況，為掛籃施工的節(jié)段拋高提供計(jì)算的依據(jù)。

橋梁掛籃加載預(yù)壓方法主要有：砂袋堆載法、水箱加載法、張拉鋼絞線加載法等。本文采用Midas Civil 2010有限元軟件，模擬三種預(yù)壓方案下掛籃的受力、變形情況，對(duì)比分析三種預(yù)壓方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為工程施工提供一定的理論依據(jù)。

2 掛籃方案及三種預(yù)壓方案仿真計(jì)算方法

圖1所示是一常見(jiàn)的菱形掛籃，主要由桁片、吊桿、前后橫梁、底模系、外滑梁、滑軌、前支點(diǎn)、后錨點(diǎn)等組成。桁片采用32a槽鋼，前、后橫梁采用40a槽鋼，吊桿采用32 mm的精軋螺紋鋼。為分析、比較三種常見(jiàn)預(yù)壓試驗(yàn)方案，以此菱形掛籃為例，采用通用有限元軟件Midas Civil 2010模擬三種常見(jiàn)預(yù)壓方案，有限元模型見(jiàn)圖2。下前橫梁上設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，設(shè)置在下吊點(diǎn)位置處，共設(shè)置6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)［見(jiàn)圖1（b）中，梁段右側(cè)依次還有觀測(cè)點(diǎn) 4、5、6］，比較幾種預(yù)壓方案的變形情況。

進(jìn)行有限元建模時(shí)，采用只承受拉力的桁架單元模擬吊桿，并且按面積相等原則將圖1（b）中觀測(cè)點(diǎn)1、2處的兩根吊桿等效成一根吊桿。采用梁?jiǎn)卧M桁片等其他部件，利用約束條件將桁片節(jié)點(diǎn)處模擬為鉸接、剛接等情況。

3 三種常用預(yù)壓方案的計(jì)算分析與對(duì)比

圖1 掛籃結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 實(shí)際梁段作用在掛籃的仿真計(jì)算及砂袋預(yù)壓方案仿真計(jì)算

3.1.1 梁段重量在底模的分布計(jì)算

梁段混凝土重量在底模上分布情況可以近似采用分塊方法計(jì)算。以一單箱3室的梁段為例，如圖3所示，將梁段重量分為13個(gè)小塊，其中第13塊為底板重量平均分布在底模上，并通過(guò)底模下的縱梁傳遞到掛籃前、后下橫梁上，8～12塊重量傳遞到各自腹板下的底模上，1～7塊的重量也通過(guò)腹板傳遞到底模。假設(shè)傳遞到中、邊腹板的力分別為：F1、F2，F(xiàn)1、F2繞箱梁中心線位置的力矩與1～7各塊重量繞箱梁中心線位置的力矩相等。根據(jù)力矩平衡可以求得F1、F2，計(jì)算得各分塊號(hào)的重量及彎矩具體情況見(jiàn)表1。

根據(jù)表1，計(jì)算得1～7塊傳遞到腹板的重量分別為：F1=95.5 kN和F2=293.8 kN，將 F1、F2和 8～13 分塊重量相應(yīng)疊加可以得到梁段重量在底模上的分布。

3.1.2 實(shí)際梁段作用在掛籃的仿真計(jì)算

采用3.1.1中方法計(jì)算得梁段重量在底模上產(chǎn)生的荷載大小，將荷載施加在底?？v梁上，采用梁?jiǎn)卧虞d。由計(jì)算可知，腹板下的底模所受荷載較大，其他部分荷載較為均勻，所加荷載具體見(jiàn)表2。

3.1.3 砂袋預(yù)壓方案仿真計(jì)算

砂袋預(yù)壓方案能夠較真實(shí)地模擬實(shí)際梁體重量分布情況，仿真計(jì)算時(shí)可以采用3.1.2中荷載加載，仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際梁段作用于掛籃的結(jié)果相同。

3.2 張拉鋼絞線方案的仿真計(jì)算及合理張拉力的確定

張拉鋼絞線的預(yù)壓方案，方便易操作、受力大小易準(zhǔn)確控制，加載周期短，在張拉時(shí)需要在掛籃下預(yù)先設(shè)置反力架作為鋼絞線的錨固端，張拉端可以設(shè)置在下前橫梁上。

張拉鋼絞線預(yù)壓方案的關(guān)鍵是張拉力的確定，本文主要分析兩種張拉鋼絞線預(yù)壓方案。方案一：張拉端設(shè)置在下前橫梁上各吊桿下吊點(diǎn)處（除最外側(cè)下前橫梁兩端兩根吊桿，此處為橫梁端部，離底模較遠(yuǎn)受力很?。?，各點(diǎn)的張拉力均勻分布，張拉力的大小根據(jù)梁段重量以及梁段重心沿縱向距掛籃前支點(diǎn)和吊桿的距離確定；方案二：張拉力為3.1中模擬實(shí)際梁段作用于掛籃而計(jì)算得到的各吊桿力，張拉位置為各吊桿下吊點(diǎn)處的橫梁上。

圖2 Midas計(jì)算模型

圖3 梁段重量在底模分布計(jì)算圖

3.3 水箱預(yù)壓方案的仿真計(jì)算

水箱預(yù)壓方案對(duì)水箱的密封性和水箱側(cè)壁的剛度要求很高，由于水的比重小于混凝土，預(yù)壓時(shí)水箱高度要超過(guò)梁高。水箱預(yù)壓相當(dāng)于梁段重量均勻分布在梁底部分的底模上，建模時(shí)將梁段重量1586.96 kN均勻加載在梁段底板部分的底模上，重量簡(jiǎn)化成線荷載施加在底模縱梁?jiǎn)卧?，加載長(zhǎng)度為梁段長(zhǎng)度。

3.4 三種預(yù)壓方案的對(duì)比分析

3.4.1 預(yù)壓方案仿真計(jì)算結(jié)果分析

運(yùn)用有限元軟件對(duì)各預(yù)壓方式進(jìn)行仿真模擬，得到桁片上吊點(diǎn)位置的變形值以及各觀測(cè)點(diǎn)變形值，分別見(jiàn)表3和圖4。實(shí)際梁段作用于掛籃的仿真結(jié)果為：邊桁吊點(diǎn)變形值和中桁吊點(diǎn)變形值分別為-3.35 mm、-1.81 mm，觀測(cè)點(diǎn)變形值顯示由測(cè)點(diǎn)1到測(cè)點(diǎn)6大致呈凹型。

分析表3可知，水箱預(yù)壓方案與梁段作用于掛籃的仿真結(jié)果相差最大，中桁吊點(diǎn)變形值相差1.07 mm，邊桁吊點(diǎn)變形值相差1.07 mm。張拉鋼絞線預(yù)壓方案1與梁段作用于掛籃的仿真結(jié)果相差較大，中桁吊點(diǎn)變形值相差0.66 mm，邊桁吊點(diǎn)變形值相差0.66 mm。張拉鋼絞線預(yù)壓方案2與梁段作用于掛籃的仿真結(jié)果最為接近，中桁吊點(diǎn)變形值完全相同，邊桁吊點(diǎn)變形值僅相差0.01 mm。

表1 梁段重量在底模的分布計(jì)算表

表2 底?？v梁荷載表

表3 各預(yù)壓方案的桁架吊點(diǎn)變形值

圖4 各預(yù)壓方案的觀測(cè)點(diǎn)變形值對(duì)比

分析圖4可知，張拉鋼絞線預(yù)壓方案1，觀測(cè)點(diǎn)變形值顯示由測(cè)點(diǎn)1到測(cè)點(diǎn)6呈凸型，其變形趨勢(shì)與實(shí)際梁段作用下的變形不同。水箱預(yù)壓方案，觀測(cè)點(diǎn)變形值顯示由測(cè)點(diǎn)1到測(cè)點(diǎn)6大致呈凹型，1、6測(cè)點(diǎn)的變形幾乎為零，與梁段作用于掛籃的仿真結(jié)果相差9.7 mm，3、4測(cè)點(diǎn)的變形值相差6.8 mm。張拉鋼絞線預(yù)壓方案2，觀測(cè)點(diǎn)變形值顯示由測(cè)點(diǎn)1到測(cè)點(diǎn)6呈凹型，且數(shù)值大小與梁段作用于掛籃的仿真結(jié)果幾乎完全重合。

三種預(yù)壓方案中，砂袋預(yù)壓可以按照實(shí)際梁段重量分布布置砂袋，砂袋預(yù)壓能夠較為準(zhǔn)確地模擬實(shí)際梁段對(duì)掛籃的作用情況，水箱預(yù)壓與實(shí)際梁段相差很大，張拉鋼絞線預(yù)壓方案2通過(guò)有限元計(jì)算得到的吊桿力來(lái)確定張拉力，與實(shí)際梁段對(duì)掛籃的作用最為接近。

3.4.2 三種常用預(yù)壓方案的優(yōu)缺點(diǎn)

通過(guò)計(jì)算分析，三種常用預(yù)壓方案的優(yōu)缺點(diǎn)詳細(xì)總結(jié)見(jiàn)表4。砂袋預(yù)壓能夠接近實(shí)際梁段重量分布，但是施工難度大，易受天氣影響，試驗(yàn)周期長(zhǎng)。水箱預(yù)壓方案雖然加載、卸載

4 結(jié)論

掛籃施工在大中跨度橋梁中有著非常廣泛的應(yīng)用，對(duì)其的研究探討也在不斷持續(xù)和深入。掛籃的預(yù)壓試驗(yàn)非常重要，它不僅可以消除掛籃的殘余變形，而且通過(guò)預(yù)壓試驗(yàn)得到荷載與掛籃本身的變形關(guān)系，為后期懸臂澆筑線形控制提供可靠的依據(jù)。

本文討論梁段重量在掛籃底模上分布情況的計(jì)算方法，通過(guò)有限元模擬計(jì)算，對(duì)比分析了三種常用掛籃預(yù)壓方案與實(shí)際梁段加載的接近程度。水箱預(yù)壓方案難以達(dá)到實(shí)際梁段方法簡(jiǎn)單，但是對(duì)水箱密封和剛度要求高，水箱高度也較高，具有一定危險(xiǎn)性，該方案也難以取得同實(shí)際梁段重量分布接近的結(jié)果，故不推薦采用該種預(yù)壓方案。張拉鋼絞線的預(yù)壓方案最方便、快捷，張拉力控制準(zhǔn)確、易操作而且能夠取得接近實(shí)際的預(yù)壓效果，該方案的關(guān)鍵是張拉力和張拉位置的確定，本文建議采用模擬實(shí)際梁段作用于掛籃的仿真計(jì)算結(jié)果（吊桿力）作為張拉力值，張拉位置為各吊桿下吊點(diǎn)處的橫梁上。加載的效果，砂袋預(yù)壓接近實(shí)際情況，但是施工難度較大，張拉鋼絞線預(yù)壓方案施工簡(jiǎn)便、周期短、工作量少、預(yù)壓力控制準(zhǔn)確、不受天氣影響、安全性較好，并且在模擬計(jì)算中接近實(shí)際梁段加載的效果。因此，張拉鋼絞線預(yù)壓方案是最為優(yōu)選的預(yù)壓方案。合理地確定張拉力和張拉力的位置是張拉鋼絞線預(yù)壓方案的關(guān)鍵，建議根據(jù)模擬計(jì)算得到的實(shí)際梁段作用于掛籃時(shí)的吊桿力來(lái)確定預(yù)壓方案張拉力。

表4 三種常用掛籃預(yù)壓方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比