黑木溝大橋懸臂掛籃結(jié)構(gòu)施工有限元分析

陶友海

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300450)

0 引言

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，越來越多的工程需在地勢起伏較大的地區(qū)修建?？缭胶恿?、山谷等地段時，多采取修建橋梁，該方式既能提高施工效率，又能有效保護生態(tài)環(huán)境。因此，橋梁建設(shè)的數(shù)量越來越多，規(guī)模越來越大。

大跨度橋梁通常采用懸臂施工[1-2]，懸臂施工具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定牢固、移動和裝拆方便、可循環(huán)利用、結(jié)構(gòu)變形小等優(yōu)點。掛籃設(shè)計及其施工階段受力決定大跨度連續(xù)橋梁的安全性，因此掛籃結(jié)構(gòu)是懸臂施工中的決定因素[3-4]。掛籃在施工中承受梁體自重及施工荷載，逐段向前移動，需進行特殊設(shè)計[5-6]。根據(jù)主桁架結(jié)構(gòu)，掛籃可分為菱形、三角形等[7-10]。目前，掛籃設(shè)計沒有統(tǒng)一、系統(tǒng)、完善的標準，施工前需對其進行力學(xué)驗算，使其滿足施工要求[11-15]。同時，由于不同工程的施工條件不同，需對掛籃結(jié)構(gòu)進行合理優(yōu)化，使其更加適合實際工程[16-20]。因此，大跨度橋梁懸臂施工中對掛籃結(jié)構(gòu)的設(shè)計、驗算和復(fù)核十分重要。選取合適的模擬軟件進行演算，能有效降低設(shè)計和優(yōu)化成本。

本文以陜北某縣大跨度橋梁掛籃設(shè)計為例，分別采用MIDAS Civil，ABAQUS CAE對掛籃穩(wěn)定性進行研究，分析兩種軟件在掛籃穩(wěn)定性分析中的適用性，研究結(jié)果可為掛籃數(shù)值模擬提供可靠依據(jù)，具有重要意義。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本項目位于洛川高原，黃土地貌較發(fā)育，主要表現(xiàn)為地勢較平坦，但被塬溝切割為較多小區(qū)塊。由于積水原因，區(qū)塊表面被切割嚴重。溝壑由于流水原因，溝頭不斷發(fā)育，溝壑不斷加深，邊坡不斷變陡，溝壑較窄。區(qū)塊表層為新土，其下巖層從上至下主要為第四紀黃土巖層、老黃土及少量殘存黑土。地勢走向為東北向西南。在流水侵蝕下，河谷內(nèi)巖基裸露。項目所在的海拔高度為650.000～1 481.000m， 溝谷切深100～200m，主溝道比降1%，1km以上的溝道767條，溝壑密度為1.2km/km2。

黑木溝特大橋橫跨山谷，地勢十分險要。大橋全長370m，其中主跨170m，結(jié)構(gòu)形式為(100+170+100)m，為我國“西北第二大跨度”連續(xù)剛構(gòu)梁橋。主橋單座T構(gòu)由對稱懸臂梁段(雙側(cè)共46個)、墩頂0號段構(gòu)成，為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T形剛構(gòu)。剛構(gòu)上部箱梁采用單箱室截面，頂寬12m，底寬7m。除0號塊外，其他懸臂梁段均采用掛籃施工。其中，1～7號塊中2號塊最重，節(jié)段重221t，節(jié)段梁長3m；8～15號塊中8號塊最重，節(jié)段重206t，節(jié)段梁長3.5m；16～23號塊中16號塊最重，節(jié)段重157t，節(jié)段梁長4m。選取最重梁段2號塊，對掛籃剛度、強度及穩(wěn)定性進行驗算。

1.2 掛籃結(jié)構(gòu)

該項目主要采用菱形掛籃，主要組成部分包括：①主桁架 掛籃結(jié)構(gòu)中共有2片主桁架，由上下弦桿、斜撐桿、斜拉桿及豎桿組成；②吊掛系統(tǒng) 分為前、后吊掛系統(tǒng)，由墊梁、扁擔梁、吊桿(帶)及千斤頂組成；③底模平臺 主要由前后下橫梁、底?？v梁、底模及防護圍欄系統(tǒng)組成；④外模系統(tǒng) 由外模板、外模板支架、外導(dǎo)梁、吊環(huán)、吊桿及銷座組成；⑤內(nèi)模系統(tǒng) 由內(nèi)模板、模板支架、內(nèi)導(dǎo)梁及吊桿組成；⑥掛籃走行系統(tǒng) 包括軌道梁，前、后扁擔梁，后走行輪，內(nèi)、外導(dǎo)梁及吊桿等；⑦錨固系統(tǒng) 包括錨固梁、豎向錨固預(yù)應(yīng)力筋及后錨固千斤頂。

桿件采用Q235B鋼材，節(jié)點板和吊帶采用Q345B鋼材，吊桿采用PSB830精軋螺紋鋼；主桁架采用2I32b，平聯(lián)弦桿采用2I14a，腹桿采用2I10c，橫梁均采用雙拼HN450×200工字鋼，吊帶采用150mm×50mm方形錳鋼，吊桿采用φ32精軋螺紋鋼，導(dǎo)梁采用2I36a，外導(dǎo)梁采用2I28b，后錨扁擔梁采用2I20a。底模架縱梁采用I36b，橫梁采用2I10；側(cè)模支架豎桿采用I14a，縱桿、水平桿及斜桿采用I10a；頂模支架上弦桿采用I14a，縱桿和腹桿采用I10a，下弦桿采用2I14a，最后排下弦桿采用I14a。掛籃結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 掛籃結(jié)構(gòu)(單位：m)

待0號梁段預(yù)應(yīng)力施加完畢，且預(yù)應(yīng)力孔道負壓注漿結(jié)束，漿體強度滿足設(shè)計要求后，在0號梁端上安裝掛籃。掛籃安裝的具體施工步驟為：安裝、固定掛籃軌道→組拼主桁架，分塊安裝、固定于掛籃軌道→安裝前、后橫梁和吊桿(帶)→拆除0號梁段所需的外模(兼作掛籃外模)→利用塔式起重機移動外模就位，并固定于主桁架上→安裝外導(dǎo)梁→安裝內(nèi)導(dǎo)梁、吊桿、內(nèi)模架和內(nèi)模板→吊裝底模縱梁及模板系統(tǒng)→安裝其他附件→安全檢查。

2 有限元模擬

2.1 有限元模型建立

MIDAS軟件通過創(chuàng)建桿件元件并分別對其賦予材料屬性及統(tǒng)一單元坐標值，創(chuàng)建主桁架、平聯(lián)、橫梁、底模架、側(cè)模架、吊帶、吊桿、滑梁、后錨等元件，根據(jù)主桁架各桿件之間連接采用釋放梁端約束，前上橫梁、平聯(lián)與主桁架間及內(nèi)模支架與導(dǎo)梁間采用彈性連接，主桁架下部支點及后錨桿采用支座類約束等實際情況設(shè)置邊界條件，將各元件連接組裝。按掛籃桿件的實際位置創(chuàng)建梁單元并對其進行相應(yīng)賦值。

ABAQUS軟件則基于其可視化前處理模塊采用N-mm-t單位制在軟件中定義各桿件的最高級圖元來創(chuàng)建主桁架、平聯(lián)、橫梁、底模架、側(cè)模架、吊帶、吊桿、滑梁、后錨等桿件的數(shù)值仿真模型部件，然后根據(jù)實際情況設(shè)置材料參數(shù)賦予模型部件，模擬其受力分析。材料按設(shè)計構(gòu)件設(shè)置，創(chuàng)建屬性截面并委派給各桿件，并指派梁的方向。主桁架與平聯(lián)的相互作用采用耦合方式，其余桿件的相互作用均采用合并方式。網(wǎng)格劃分設(shè)置全局尺寸100mm，采用B31兩節(jié)點空間線性梁單元。利用定義裝配件功能，創(chuàng)建掛籃各桿件的梁單元，并根據(jù)各桿件相互位置進行組裝，將各模型部件組裝成一個整體。掛籃模型如圖2所示。

圖2 掛籃模型

對已建模型施加各項荷載，包括掛籃自重、箱梁恒荷載、模板及支架恒荷載與施工活荷載等，具體荷載取值為：箱梁頂板線荷載28.9N/mm，箱梁底板線荷載23.8N/mm，箱梁腹板線荷載48.1N/mm，箱梁翼緣板線荷載19.5N/mm，模板及支架線荷載0.67N/mm，施工活荷載0.98N/mm。

按照實際工況，將荷載分為承載力極限狀態(tài)(組合1)和正常使用極限狀態(tài)(組合2)2種組合。2種組合荷載計算方式為：承載力極限狀態(tài)(組合1)=1.35×自重+1.35×箱梁恒荷載+1.35×內(nèi)模及內(nèi)模支架恒荷載+1.4×人機具，正常使用極限狀態(tài)(組合2)=自重+箱梁恒荷載+內(nèi)模及內(nèi)模支架恒荷載。

2.2 基本假設(shè)

1)外導(dǎo)梁與滑梁能承受側(cè)模與箱梁翼緣板混凝土質(zhì)量，并最終傳遞至掛籃主桁架橫梁上及上一節(jié)已完成的箱梁上。

2)內(nèi)導(dǎo)梁平臺能承受內(nèi)模與箱梁頂板混凝土質(zhì)量，底模平臺承受箱梁腹板和底板混凝土質(zhì)量。內(nèi)導(dǎo)梁平臺及底模平臺受力主要通過底模縱梁將承重分配到前、后下橫梁上，再由吊帶傳遞至掛籃主桁架及上一節(jié)已完成的梁端上。

3)錨固系統(tǒng)能平衡掛籃整體受力，使其穩(wěn)定，掛籃主桁架能承受前上橫梁產(chǎn)生的力。

4)吊桿承受臨時吊掛在外模與底平臺自重，對掛籃不產(chǎn)生直接影響，分析時按活荷載考慮。

3 計算結(jié)果對比分析

從總體變形、各構(gòu)件受力情況兩方面分析掛籃穩(wěn)定性。通過分析總體變形，可得到掛籃整體剛度，從而判斷使用過程中掛籃整體穩(wěn)定性是否滿足要求；通過各構(gòu)件受力可分析掛籃的整體強度是否滿足要求，判斷掛籃是否會發(fā)生局部破壞。

3.1 剛度分析

按正常使用極限狀態(tài)，利用ABAQUS，MIDAS Civil有限元軟件對掛籃進行變形分析。模擬得到的掛籃豎向變形如圖3所示。

圖3 掛籃豎向變形(單位：mm)

由圖3可知，掛籃豎向變形主要由底部受力產(chǎn)生，底縱梁受到梁體自重等荷載后發(fā)生豎向變形，前上、下橫梁及吊帶將力傳遞給兩側(cè)主桁架，桁架受到外力也隨之發(fā)生拉伸變形，同時桁架各部分構(gòu)件由于力的傳遞，產(chǎn)生不同方向上的力，由于鋼構(gòu)件具有一定強度，因此產(chǎn)生豎向位移?？擅黠@看出由ABAQUS得到的結(jié)構(gòu)受力圖更加合理，動態(tài)應(yīng)變可視化效果好，細節(jié)更加清晰。

掛籃結(jié)構(gòu)各部分豎向變形結(jié)果如表1所示。

表1 掛籃結(jié)構(gòu)各部分豎向變形結(jié)果 mm

由表1可知，掛籃主桁架變形較小，整體剛度較大，掛籃底縱梁及前下橫梁豎向變形較大，需對中間受力變形大的底縱梁及前下橫梁進行截面加高或加固。同時，對于重要的受力部件，應(yīng)定期進行監(jiān)測。MIDAS的計算結(jié)果比ABAQUS的計算結(jié)果偏大，但整體相差不大。

3.2 強度分析

按承載力極限狀態(tài)利用ABAQUS，MIDAS Civil有限元軟件對掛籃進行強度分析。

由圖4可知，掛籃整體受力較均勻，底部縱梁受力最大，除此之外，節(jié)點處受力明顯大于各構(gòu)件受力，但強度滿足要求，未發(fā)生破壞。因此，實際安裝過程中，需加固掛籃各構(gòu)件連接處，防止出現(xiàn)局部破壞。根據(jù)模擬結(jié)果，應(yīng)定期檢查各構(gòu)件連接處，防止出現(xiàn)破壞，及時替換已損傷元件，防止損傷累積造成掛籃破壞。利用ABAQUS得到的各部件受力圖更加清晰，材料應(yīng)力分布特征更加真實，細節(jié)更加明顯。

圖4 掛籃受力分析結(jié)果(單位：MPa)

掛籃結(jié)構(gòu)各部分受力結(jié)果如表2所示。

表2 掛籃結(jié)構(gòu)受力結(jié)果 MPa

由表2可知，MIDAS的計算結(jié)果比ABAQUS的計算結(jié)果偏小，但整體相差不大。各構(gòu)件強度均小于所用材料允許強度，因此，掛籃設(shè)計滿足實際施工要求。

3.3 軟件對比分析

利用ABAQUS計算得到的變形較小，受力較大；MIDAS計算得到的變形較大，受力較小。掛籃結(jié)構(gòu)實際豎向變形為：主桁架4.33mm，前上橫梁5.09mm，吊帶1.30mm，前下橫梁7.16mm，整體變形值17.88mm。通過對比分析可知，ABAQUS更符合各構(gòu)件性質(zhì)。同時，ABAQUS計算過程更復(fù)雜，獲得的分析結(jié)果更準確，因此，ABAQUS更適合用來進行掛籃穩(wěn)定性驗算。

4 結(jié)語

以黑木溝大橋懸臂施工中的掛籃結(jié)構(gòu)為例，分別采用ABAQUS，MIDAS有限元軟件對其強度與剛度進行模擬分析，主要得到以下結(jié)論。

1)利用ABAQUS，MIDAS有限元軟件進行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果均表明，掛籃設(shè)計強度及剛度滿足實際施工要求。

2)ABAQUS軟件擁有更全面、更完善的前后處理和復(fù)雜計算分析功能，圖形可視化效果好，可動態(tài)地展示結(jié)構(gòu)或材料的應(yīng)力、應(yīng)變分布特征，直觀反映掛籃結(jié)構(gòu)或材料的局部薄弱區(qū)，便于提出結(jié)構(gòu)加固計劃。

3)通過對比分析ABAQUS，MIDAS模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)ABAQUS模擬結(jié)果中各構(gòu)件受力與變形更符合實際情況，因此ABAQUS更適合用來進行掛籃穩(wěn)定性驗算。

4)掛籃底縱梁、下橫梁應(yīng)力大、變形明顯，應(yīng)對其截面進行加大或加固；底縱梁和前、后下橫梁的連接點處為較薄弱位置，應(yīng)力集中明顯，需進一步補強。施工過程中應(yīng)定期進行檢測與檢查，防止出現(xiàn)損傷。