寬幅矮塔斜拉橋菱形掛籃的有限元分析

吳婷　王林

摘 要：文章結(jié)合某寬幅矮塔斜拉橋菱形掛籃系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用有限元分析軟件midas/civil建立菱形掛籃系統(tǒng)空間模型，對(duì)其受力和位移變形進(jìn)行分析，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，掛籃的強(qiáng)度、剛度均滿足施工要求。

關(guān)鍵詞：寬幅；矮塔斜拉橋；掛籃；有限元分析

1 工程概況

某橋主橋?yàn)榘崩瓨颍髁翰捎妙A(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土標(biāo)號(hào)強(qiáng)度為C55。主梁半幅橋采用單箱三室小懸臂斜腹板斷面。中支點(diǎn)6m范圍內(nèi)箱梁頂板寬度為22.05m，其他區(qū)域箱梁頂板寬為24.25m。端支點(diǎn)及跨中位置梁高3.5m，中支點(diǎn)位置梁高8.0m，其余主梁梁高采用1.8次拋物線變化。橋塔為三柱式橋塔，每個(gè)主塔由一根中塔柱、2根邊塔柱、上橫梁組成框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)本橋的實(shí)際特點(diǎn)，采用菱形掛籃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因該主橋的橋面寬度比較大，體積也比較大，為保證施工質(zhì)量好，安全度高，需要對(duì)菱形掛籃的設(shè)計(jì)進(jìn)行空間有限元分析。

2 掛籃的構(gòu)造

掛籃系統(tǒng)主要包括主桁架系統(tǒng)，提吊系統(tǒng)，錨固系統(tǒng)，底托系統(tǒng)，行走系統(tǒng)等。

2.1 承重系統(tǒng)

承重系統(tǒng)主要由4片菱形主桁架，前橫梁，導(dǎo)梁，滑梁等組成。主桁架的各桿件均采用箱型截面，在主桁架的立桿左右兩邊分別連接著一根桿件，以此來增加其所能承受的強(qiáng)度和空間穩(wěn)定性。為便于安裝和運(yùn)輸，主桁架構(gòu)件要布置合理、受力均勻。

2.2 提吊系統(tǒng)

提吊系統(tǒng)主要由吊帶，吊桿，提吊桿，提吊扁擔(dān)梁，平臺(tái)提吊梁等組成。前上橫梁上有12個(gè)吊點(diǎn)，4個(gè)提吊扁擔(dān)梁，其余吊底托系統(tǒng)。前下橫梁上有8根吊帶，采用的是Q345B鋼材，連接著整個(gè)底籃，組成了底籃懸掛體系，吊帶分結(jié)處采用銷軸來連接，在方便建模，銷軸處建模時(shí)直接用節(jié)點(diǎn)來代替。

2.3 行走及錨固系統(tǒng)

此系統(tǒng)包括后錨扁擔(dān)梁，軌道提升裝置，推進(jìn)裝置，后小車以及前小車。掛籃每施工完一段，就會(huì)往前移一段距離進(jìn)行下一段施工，掛籃的一部分就通過箱梁預(yù)留孔錨固在剛施工完的箱梁上。

2.4 底托系統(tǒng)

底托系統(tǒng)由前托梁，后托梁，縱梁，平臺(tái)立桿，平臺(tái)橫桿等幾部分組成，平臺(tái)橫桿需要現(xiàn)場(chǎng)定位焊接。底籃前下橫梁設(shè)置8個(gè)吊點(diǎn)，與提吊扁擔(dān)梁相連接著，后下橫梁設(shè)置2個(gè)，與門架連接著。

3 有限元模型

文章采用midas/civil對(duì)掛籃系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析，有效地減少了手算的時(shí)間。全橋塊件總方量28262m3，其中最重塊件為7#塊，澆筑方量182.0m3，重量達(dá)到450t左右。因此，7#為施工控制塊段，只要對(duì)最重的7#塊進(jìn)行驗(yàn)算，其他的都能滿足設(shè)計(jì)要求。掛籃自重為100t。用midas/civil軟件對(duì)掛籃結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間有限元建模，菱形掛籃系統(tǒng)所使用的材料主要為普通碳素鋼Q235和Q345，吊帶采用16Mn，錨固吊桿采用32精軋螺紋鋼，掛籃的桿件采用工廠預(yù)制后運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)拼裝焊接。通過建模共建立節(jié)點(diǎn)數(shù)442個(gè)，單元數(shù)698個(gè)，主要采用梁單元和桁架單元兩種單元形式。

4 不同荷載組合下的有限元分析

4.1 掛籃設(shè)計(jì)基本參數(shù)

（1）掛籃自重：根據(jù)建模時(shí)輸入鋼材的性能，進(jìn)而根據(jù)自重荷載來確定；（2）梁段混凝土重量：掛籃澆筑時(shí)，梁段混凝土的重量是重要荷載，取值為26kN/m3；（3）人群及機(jī)具荷載取2.5KPa，加載荷載的方式與加載梁段混凝土重量的方式一致；（4）超載系數(shù)：根據(jù)條文規(guī)范取值為1.05；（5）新澆砼動(dòng)力系數(shù)：根據(jù)條文規(guī)范取1.2。

荷載組合一掛籃自重+箱梁重量（檢驗(yàn)剛度）

荷載組合二：掛籃自重+箱梁重量+人群機(jī)具+動(dòng)力附加系數(shù)（檢驗(yàn)強(qiáng)度）

驗(yàn)算時(shí)，按照兩種荷載工況進(jìn)行，分別對(duì)其進(jìn)行模擬分析，進(jìn)行對(duì)比。

4.2 應(yīng)力分析

從圖2、圖3可以看出，桁架單元采用Q345B鋼結(jié)構(gòu)材料，其最大應(yīng)力值為161.71Mpa，小于鋼材的許用應(yīng)力值200Mpa。在梁單元的應(yīng)力分析中，在工況一下最大組合應(yīng)力值為-38.89Mpa，同時(shí)工況二下的最大組合應(yīng)力值為101.25Mpa，無論采用Q235B還是Q345B鋼材，也都小于他們的許用應(yīng)力值200Mpa。因此，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值都小于規(guī)范所要求的應(yīng)力值，達(dá)到了橋梁施工時(shí)的要求。

4.3 變形位移分析

變形位移分析是菱形掛籃結(jié)構(gòu)剛度的重要指標(biāo)之一，決定著工程質(zhì)量的好壞。由下圖可知最大位移在工況一、二下的值分別為6.48mm和15.24mm。

通過圖6、圖7可以看出，底托系統(tǒng)和的變形位移為最大，主桁架系統(tǒng)變形也比較大，都是施工監(jiān)控的重點(diǎn)。其中底托系統(tǒng)在工況一、二下的最大變形位移為6.48mm、15.24mm。其中最大的位移變形為15.24mm，小于本工程菱形掛籃系統(tǒng)的變形位移，滿足規(guī)定的要求。

4.4 節(jié)點(diǎn)反力計(jì)算

掛籃在施工中主要把節(jié)點(diǎn)反力作用在橋體本身，為了保證橋體安全，不因掛籃節(jié)點(diǎn)反力過大，造成橋本身破壞，故計(jì)算出在工況一、二下的節(jié)點(diǎn)反力值最大值，如表1所示。（單位：kN）

由表得出，兩種工況下的節(jié)點(diǎn)反力大小能夠滿足橋梁施工要求。

本項(xiàng)目掛籃驗(yàn)算采用Midas civil建模分析，主要分析結(jié)構(gòu)在兩種不同的工況下，得出不同的內(nèi)力、應(yīng)力、變形位移值，以及受力最大的部位和變形最大的位置。掛籃結(jié)構(gòu)中應(yīng)力組合最大值為161.71Mpa，小于材料容許應(yīng)力200Mpa，最大位移變形為15.24mm，沒有發(fā)生大變形，滿足掛籃設(shè)計(jì)要求，節(jié)點(diǎn)反力也不大，同樣能滿足掛籃的要求。因此，菱形掛籃要有足夠的強(qiáng)度、剛度，防止發(fā)生大變形影響施工的質(zhì)量和人員的安全。

5 結(jié)語

文章結(jié)合某矮塔斜拉橋?qū)挿篌w積梁段懸灌施工，對(duì)菱形掛籃系統(tǒng)進(jìn)行分析驗(yàn)算，以便在以后懸臂澆筑寬幅梁段施工中設(shè)計(jì)和改進(jìn)出更好的掛籃，優(yōu)化施工工藝，提高施工的效率比及施工的質(zhì)量。使用菱形掛籃的方法進(jìn)行懸臂現(xiàn)澆箱梁的施工，盡管是一個(gè)比較成熟的辦法，但是由于橋梁的不同的特點(diǎn)，所以在施工的時(shí)候必須要調(diào)整，保證施工橋梁的質(zhì)量和安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 張正強(qiáng).大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué)碩士論文，2007.

[2] 袁衛(wèi)國.菱形掛籃設(shè)計(jì)改良與施工技術(shù)研究[D].華南理工大學(xué)碩士論文，2012.

[3] 錢亮.海隆大橋主橋施工[J].上海鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（12）：107-112.

[4] 陳樹忠.菱形掛籃施工在高明大橋擴(kuò)建工程中的應(yīng)用[J].廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，09（01）：3-5.

作者簡介：吳婷（1990.11- ），女，碩士，江蘇科技大學(xué)，研究方向：鋼結(jié)構(gòu)；王林（1963.04- ），男，博士，江蘇科技大學(xué)，教授，研究方向：鋼結(jié)構(gòu)。