斜拉橋牽索式掛籃設(shè)計及空間仿真分析

劉笑材

【摘 要】斜拉橋主梁施工中常用的牽索式掛籃結(jié)構(gòu)具有明顯的空間性，本文結(jié)合某斜拉橋前支點掛籃的結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用大型有限元分析軟件ANSYS對該前支點掛籃結(jié)構(gòu)進行了空間仿真分析，在不同工況下，研究了掛籃結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布、變形情況。結(jié)果表明掛籃設(shè)計滿足施工要求，同時基于分析結(jié)果及研究結(jié)論可供其他工程的類似問題提供參考。

【關(guān)鍵字】牽索式掛籃；斜拉橋；內(nèi)力；變形

牽索式掛籃施工是目前大跨度混凝土斜拉橋主梁施工常用的方法。該法利用施工過程中當前梁段的斜拉索作為掛藍的前支點，從而與掛藍的中支點和后支點錨固裝置組成了掛藍的約束系統(tǒng)。在主梁每一節(jié)段混凝土澆筑過程中，通過分次張拉牽索，及時把澆筑的混凝土重量傳遞到塔柱上，從而大大降低了已澆梁段的負彎矩及其提供給掛籃的豎向反力，同時使正在施工節(jié)段前端的位移變化量控制在較小的范圍之內(nèi)，保證了結(jié)構(gòu)和施工的安全。同時，由于掛籃多了一個前支點約束，使得掛籃的整體剛度有所提高，從而可以使掛籃做得輕巧一些，減少用鋼量，節(jié)省造價。

一、 掛籃設(shè)計

本文研究斜拉橋跨徑布置為155+155m獨塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，主梁采用雙縱肋式連續(xù)梁。標準梁段雙縱肋梁肋高2.7m，肋寬2m，肋間距26.75m，頂板厚為0.28m，頂板下設(shè)有兩道縱向加勁小縱肋，肋高1米，肋寬0.5米，梁頂面設(shè)2%的雙向橫坡，梁頂全寬32.5米。主梁除0號塊、1#塊及邊墩現(xiàn)澆段在支架上澆筑外，其余標準節(jié)段均采用牽索掛籃懸澆方法施工。懸臂澆筑節(jié)段長6m、寬32.5m，掛籃由承載平臺、牽索系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、模板系統(tǒng)、操作平臺及預(yù)埋件系統(tǒng)等組成[1]。設(shè)計承載混凝土重量380t，掛籃、模板自重約為170t。

二、有限元模型的建立

1.1 模型簡介

斜拉橋牽索掛籃的承載平臺系統(tǒng)為剛架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為一大型空間剛架系統(tǒng)。通常采用的計算方法是將其簡化成平面體系，逐桿進行分析計算。此方法計算的數(shù)值偏大，結(jié)果相對保守。同時，掛籃整個結(jié)構(gòu)的行為具有明顯的空間性，因此，建立掛籃結(jié)構(gòu)空間有限元模型分析掛籃結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為十分必要。而空間梁系模型只能反映掛籃結(jié)構(gòu)總的受力趨勢，要了解掛籃結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵和局部位置的具體應(yīng)力分布規(guī)律，則必須建立空間實體模型進行分析研究[2]。

在模型建立過程中，箱式梁的腹板、上下翼緣板、橫隔板、加強板、縱筋角鋼、連接板、分配梁的工字鋼等均采用板單元（Shell63），橫隔板的包邊板采用桿單元（Link8），主縱梁前端開叉處的連接鋼管采用管單元（Pipe16）。掛籃整體幾何模型圖，如圖1所示。

1.2 荷載工況

2.2.1 施工載荷

掛籃主體結(jié)構(gòu)計算主要包含的載荷有：（1）混凝土荷載：按節(jié)段重量380t計算；（2）掛籃結(jié)構(gòu)自重：由計算模型自動計入；（3）風(fēng)載荷：工作基本風(fēng)速不大于13.6m/s，非工作基本風(fēng)速不大于32.6 m/s；（4）施工載荷：根據(jù)公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范，施工人員、機具等載荷按1.5kN/m考慮；（5）張拉機構(gòu)索力。其中（2）、（3）項為在任何工況均有的載荷，而（1）、（4）、（5）則根據(jù)不同的工況進行選取。

2.2.2 計算工況

根據(jù)斜拉橋設(shè)計要求，斜拉索在施工時不能一次預(yù)拉到位，而是在施工過程中不斷調(diào)整索力，進行施工控制[3]。因此，根據(jù)施工設(shè)計，計算工況分為7種：

工況（1）：掛籃定位并錨固好，初張拉設(shè)定單索索力1300kN，考慮垂直方向風(fēng)（基本風(fēng)速13.6m/s）。

工況（2）：初張拉設(shè)定單索索力1300kN，混凝土澆注一半，未凝固，考慮垂直方向風(fēng)（基本風(fēng)基本風(fēng)速13.6m/s）。

工況（3）：混凝土澆注一半，未凝固，斜拉索二張完成，二張索力2480kN，考慮垂直方向風(fēng)（基本風(fēng)基本風(fēng)速13.6m/s）。

工況（4）：斜拉索二張完成，二張索力2480kN，混凝土澆注完成，未凝固，考慮垂直方向風(fēng)（基本風(fēng)基本風(fēng)速13.6m/s）。

工況（5）：混凝土澆注完畢，掛籃承載平臺下放時受力計算。

工況（6）：掛籃行走時的受力與變形。

三、有限元計算結(jié)果分析

a） 應(yīng)力結(jié)果

對掛籃結(jié)構(gòu)進行承載能力極限狀態(tài)下的分析計算后可以看出，如表3-1，掛籃主縱梁、前橫梁、中后橫梁及拱架頂縱梁均在工況（4）達到最大應(yīng)力狀態(tài)。主縱梁最大應(yīng)力95.9MPa，拱架頂縱梁最大應(yīng)力124.7MPa。拱架拱圈在工況（3）應(yīng)力最大達到74.2MPa。掛籃每工況各部位應(yīng)力均比理論允許值（[RW1.2]=252MPa）小，掛籃的使用性能滿足施工要求。

b） 位移結(jié)果

如表3-2，掛籃在工況（6）即掛籃行走狀態(tài)下由于豎向主要承受結(jié)構(gòu)自重荷載位移最大，主縱梁向下位移為27.2mm，拱架頂縱梁位移最大達29.6mm。掛籃在工況（3）即受二張索力工況下主縱梁和前橫梁產(chǎn)生上撓，主縱梁向上位移16.1mm，前橫梁向上位移9.3mm。

四、結(jié)論

（1）從掛籃有限元模型分析計算結(jié)果可知：掛籃各項變形值和應(yīng)力值均在理論控制值范圍內(nèi)，說明該掛籃主梁抗彎能力等均滿足設(shè)計要求，具有足夠的應(yīng)力和變形儲備。

（2）掛籃應(yīng)力分析可檢驗掛籃的質(zhì)量及安全性，有效地控制掛籃的非彈性變形，為掛籃施工和線性控制提供依據(jù)。此外，應(yīng)對施工過程中的掛籃實際變形進行測試，保證施工質(zhì)量。

【參考文獻】

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