超寬變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁掛籃受力與變形分析

王楊兵

摘 要：本文基于臨泉泉河大橋超寬變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁懸臂澆筑實(shí)例，采用Nastran計(jì)算軟件對(duì)該掛籃進(jìn)行空間仿真分析，驗(yàn)算了澆筑狀態(tài)以及行走狀態(tài)下掛籃的應(yīng)力、變形情況，保證了掛籃結(jié)構(gòu)的可靠性與穩(wěn)定性，保證了施工過(guò)程中的安全，計(jì)算結(jié)果可為類似結(jié)構(gòu)類型橋梁的施工與分析提供參考。

關(guān)鍵詞：超寬掛籃;Nastran計(jì)算軟件;仿真分析

0 前言

臨泉泉河大橋全長(zhǎng)857 m。全橋共5聯(lián)：第3聯(lián)主橋采用（95+170+95）m預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋。梁體結(jié)構(gòu)采用混凝土連續(xù)箱梁形式，箱梁斷面為5箱5室斜腹板斷面，箱梁頂寬33.5 m，底寬22.5 m，翼緣板寬3.5 m，根部梁高6.6 m，腹板厚130 cm～50 cm，底板厚度為90 cm～30 cm。橋梁采用掛籃懸臂澆筑施工，0號(hào)塊在墩頂托架上澆筑，各單“T”用掛籃懸臂對(duì)稱、平衡澆筑施工直至各單“T”最大懸臂，然后澆筑邊跨合攏段，待邊跨合攏段完成后進(jìn)行中跨合攏。

本工程橋面寬度大，因此需要針對(duì)掛籃結(jié)構(gòu)以及懸臂澆筑過(guò)程進(jìn)行更加精確的控制[1-2]，具體包含掛籃靜態(tài)和行走狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、撓度、穩(wěn)定性等[3-4]。本文采用通用有限元軟件Nastran建立掛籃整體有限元模型，結(jié)合工程施工方法，分析了掛籃在施工過(guò)程中最重節(jié)段的澆筑和掛籃行走兩個(gè)工況的掛籃結(jié)構(gòu)受力。本文考慮多種工況[5]，模擬計(jì)算掛籃在施工過(guò)程中的受力情況，確保了掛籃結(jié)構(gòu)的可靠性與穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果可為類似結(jié)構(gòu)類型橋梁的施工與分析提供參考。

1 掛籃簡(jiǎn)介

掛籃材料：鋼材彈性模量：E=2.06e5 MPa;密度：γ=7 850 kg/m;泊松比：ν=0.3;線膨脹系數(shù)：α=0.000 012;鋼材按容許應(yīng)力取值，臨時(shí)結(jié)構(gòu)提高30%。

掛籃主要技術(shù)參數(shù)：懸臂澆注箱梁梁段最大重量（1#）塊：468 t，懸臂澆注箱梁梁段1#塊分段長(zhǎng)度：3 m，掛籃允許懸臂澆注梁段最大長(zhǎng)度：4.5 m。

掛籃設(shè)計(jì)基本參數(shù)：梁段混凝土重量：26 kN/m，新澆砼動(dòng)力系數(shù)取1.2，施工人員、料具、堆放荷載g1=1.5 kN/m2，振搗混凝土產(chǎn)生的荷載g2=2.0 kN/m2，傾倒混凝土產(chǎn)生的荷載g3=2.0 kN/m2，沖擊附加系數(shù)系數(shù)取1.4。

掛籃構(gòu)造如圖1所示：

2 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

2.1 對(duì)外滑梁的計(jì)算

箱梁翼緣板砼及箱梁側(cè)模重量通過(guò)外導(dǎo)梁、外滑梁分別傳至前一節(jié)段已施工完的箱梁翼板和掛籃主桁的前上橫梁承擔(dān)。

箱梁翼板部分混凝土一側(cè)面積值為1.5 m2塊長(zhǎng)3 m，合計(jì)方量4.5 m2。由此計(jì)算箱梁翼板混凝土載荷：4.5 m3×26 kN/m=124.67 kN，另外箱梁側(cè)模載荷90 kN?？紤]荷載組合，1.2×（混凝土荷載+滑梁自重荷載+模板荷載）+1.4×施工荷載（g2+g3）+1.4×人群和機(jī)具荷載（g1）（滑梁自重荷載在模型中考慮），計(jì)算得荷載值305 kN，此部分荷載組合2支外?；壕€載荷為305 kN/2/3 m=51 kN/m。

外滑梁結(jié)構(gòu)為雙36b槽鋼組焊，材質(zhì)為Q235b。根據(jù)滑梁的支承情況建立Nastran有限元模型。其中外滑梁最大組合應(yīng)力σmax=107 MPa <215 MPa，滿足要求。外滑梁豎向位移δmax=4.9 mm<5 000/400=12.5 mm，滿足要求（由于滑梁尾部不參與實(shí)際工作，固上撓12.4 mm忽略不計(jì)）。

2.2 對(duì)內(nèi)滑梁的計(jì)算

箱梁頂板砼及箱梁內(nèi)模、骨架重量通過(guò)內(nèi)滑梁分別傳至前一節(jié)段已施工完的箱梁頂板和掛籃主桁的前上橫梁承擔(dān)。

箱梁頂板部分混凝土面積平均值為2.6 m2塊長(zhǎng)3 m，合計(jì)方量為7.8 m3，計(jì)算得到箱梁頂板混凝土載荷202.8 kN，另外考慮箱梁內(nèi)模及骨架載荷31.5 kN?？紤]荷載組合計(jì)算得298.29 kN，此部分荷載組合內(nèi)?；壕€載荷為50 kN /m。

內(nèi)滑梁結(jié)構(gòu)為雙36b槽鋼組焊，材質(zhì)為Q235b。根據(jù)滑梁的支承情況建立Nastran有限元模型。

其中內(nèi)滑梁最大組合應(yīng)力σmax=81 MPa<215 MPa，滿足要求。內(nèi)滑梁豎向位移δmax=4.7 mm<5 000/400=12.5 mm，滿足要求（由于滑梁尾部不參與實(shí)際工作，固上撓15.2 mm忽略不計(jì)）。

2.3 對(duì)砼底板下部縱梁的計(jì)算

箱梁底板砼重量及底模板通過(guò)底縱梁分別傳至前一節(jié)段已施工完的箱梁底板和掛籃主桁的前上橫梁承擔(dān)。

箱梁底板部分混凝土面積平均值為4.3 m2塊長(zhǎng)3 m，合計(jì)方量12.9 m3，計(jì)算得到箱梁底板混凝土載荷335.4 kN，均分到單位面積上為23.9 kN/m2，箱梁底模載荷2.5 kN/m2。考慮荷載組合計(jì)算得底板處縱梁上的均布荷載為（底板下縱梁橫向布置間距約為0.515 m）q=60×0.55=33 kN/m。

底板縱梁結(jié)構(gòu)為工25b工字鋼，材質(zhì)為Q235b。根據(jù)底板縱梁的支承情況建立有限元Nastran模型。

其中底板縱梁最大組合應(yīng)力σmax=132 MPa<215 MPa，滿足要求。底板縱梁豎向位移δmax=10.1 mm<5 000/400=12.5 mm，滿足要求。

2.4 前后吊掛系統(tǒng)計(jì)算

前后吊桿均采用Φ32精軋螺紋鋼筋，后吊桿均采用Φ32精軋螺紋鋼筋，PSB830精軋螺紋鋼設(shè)計(jì)要求應(yīng)力取750 MPa。

計(jì)算得吊桿最大組合應(yīng)力σmax=402 MPa<750 MPa，滿足要求。

2.5 主桁菱形架系統(tǒng)計(jì)算

菱形桁架桿件均為40#b雙槽鋼組焊，材質(zhì)為Q235b。根據(jù)桁菱形架支承情況建立有限元Nastran 模型。

計(jì)算得主桁架桿件最大組合應(yīng)力σmax=121 MPa<215 MPa，滿足要求。主桁前上支點(diǎn)豎向位移δmax=12.3 mm<20 mm，滿足要求。

3 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

3.1 掛籃施工狀態(tài)下抗傾覆安全系數(shù)驗(yàn)算

由Nastran分析模型可知后支座反力為1 151 kN。

錨精軋螺紋鋼設(shè)計(jì)數(shù)量為4，則每根精軋螺紋鋼受力為1 151/4=287 kN。Φ32精軋螺紋鋼筋所受最大應(yīng)力為：

τmax=F/Sd

其中Sd為精軋螺紋鋼筋斷面面積為：

3.14×16=804 mm2

可得：τmax=287 000 N/804 mm2=356 N/ mm2=356 MPa

PSB830精軋螺紋鋼筋，設(shè)計(jì)抗拉應(yīng)力值fpd=750 MPa，而fpd/τmax=750 MPa/356 MPa =2.2≥2，綜上所示，施工狀態(tài)下抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

3.2 行走狀態(tài)下抗傾覆驗(yàn)算

菱形架行走狀態(tài)下受力包含以下幾部分：懸掛部分結(jié)構(gòu)自重320 kN，模板及施工設(shè)備人員重量180 kN;單片菱形架受力為（320+180 kN）/2=250 kN×1.2=300 kN，后錨反力為366 kN;單片菱形架有4個(gè)后錨反扣輪，受力為：366 kN/4=91.5 kN。反扣輪軸直徑為66 mm，材質(zhì)為45#鋼調(diào)質(zhì)，受力模型為短懸臂梁。分析支架最大剪力：

τmax=91 500 N/3.14×30×30 mm=91 500 N/2 826 mm=32.38 MPa

45#鋼最大剪應(yīng)力取100 MPa的掛籃行走狀態(tài)下抗傾覆穩(wěn)定性為：100/32.38=3.09≥2。綜上所示，行走狀態(tài)下抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

4 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)的超寬變截面矮塔斜拉橋項(xiàng)目比較少[6]，隨著今后城市交通的發(fā)展，交通量日益增大，橋面寬度增大是橋梁發(fā)展的必然趨勢(shì)[7]，隨之帶來(lái)的是超寬橋梁掛籃結(jié)構(gòu)的一系列設(shè)計(jì)與施工問(wèn)題。本文通過(guò)Nastran有限元軟件對(duì)臨泉泉河大橋超寬掛籃進(jìn)行了建模仿真分析，確保了掛籃結(jié)構(gòu)的可靠性與穩(wěn)定性，對(duì)橋梁設(shè)計(jì)與施工起到了指導(dǎo)價(jià)值，可供同類型的超寬掛籃參考借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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