多跨曲線連續(xù)梁橋懸澆掛籃結(jié)構(gòu)有限元與試驗分析

吳 攀

(中鐵二十四局集團(tuán)安徽工程有限公司 合肥 230011)

懸臂施工技術(shù)自20世紀(jì)80年代引入我國以來,已經(jīng)成為我國大中型橋梁施工領(lǐng)域中常用的施工技術(shù)之一[1],掛籃結(jié)構(gòu)作為懸臂施工中重要的工具之一,其不僅要具有足夠的強度、剛度及穩(wěn)定性,還需要在復(fù)雜施工狀態(tài)下具有較好的抗傾覆性。不少業(yè)內(nèi)專家學(xué)者對此展開了一系列研究,黨濤[2]結(jié)合石川河大橋,對所用菱形掛籃進(jìn)行了有限元分析,并結(jié)合現(xiàn)場掛籃預(yù)壓試驗,驗證了掛籃結(jié)構(gòu)的安全性。朱嘉[3]結(jié)合杭州灣大橋北二線嘉善高架橋,對新研發(fā)的菱形掛籃在各施工階段的主要桿件做了應(yīng)力監(jiān)測,并進(jìn)行了三維有限元分析,經(jīng)對比實測應(yīng)力數(shù)據(jù)略小于理論計算分析結(jié)果。周向陽等[4]結(jié)合某大橋,通過混凝土塊加載試驗,得到了壓重與掛籃的變形關(guān)系。安德柱[5]通過對造橋機結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化、創(chuàng)新,實現(xiàn)了適用于多種大跨橋梁的8 m大節(jié)段懸臂施工技術(shù),解決了傳統(tǒng)掛籃適用性差、抗傾覆系數(shù)低以及施工風(fēng)險高的問題。羅小偉等[6]基于某橋梁工程實例展開分析,借助Midas Civil對該項目澆筑工序所用掛籃進(jìn)行仿真模擬,確定澆筑作業(yè)時掛籃的內(nèi)力水平及變形情況,同時驗算掛籃結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

銀河—路上跨京滬鐵路立交預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋第四聯(lián),跨徑組合為(75.5+95+130+2×92+65)m,主梁為單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,曲線半徑為1200m,頂寬21.49m,懸臂長3.5m和2.99m, 底板寬15m。75.5m邊跨邊墩梁端梁高3.6m,漸變至跨中3.8m;其余聯(lián)跨中梁高均為3.8m, 橋墩根部梁高6.0m或7.5m,按1.8次拋物線變化。底板采用變厚度布置,根部底板厚為1.5m,跨中厚為3m,底板上緣按1.8次拋物線變化。箱室頂板厚0.3m,翼緣板端部厚0.2m,懸臂板根部厚為0.75m,腹板厚度由支點處漸變至跨中,邊腹板厚度變化為0.80～0.50m,中腹板厚度變化為0.80～0.40m。該橋懸澆段最重懸澆梁段長度為3m,梁高7.005m,最大懸臂澆筑段重量3.69×105kg,箱梁典型橫截面如圖1所示。

圖1 異形柱抱緊系統(tǒng)(mm)

圖2 菱形掛籃(mm)

圖3 掛籃有限元計算模型

圖4 底托系統(tǒng)應(yīng)力計算結(jié)果(MPa)

1.2 掛籃概況

菱形掛籃如圖 2 所示,每側(cè)腹板放置 1 片菱形主構(gòu)架,主桁架是掛籃的主要受力結(jié)構(gòu),由4榀菱形主桁架、橫向聯(lián)結(jié)系組成。4榀主桁架中心間距為4.7m、5.35m,中心高4m,每榀桁架前后節(jié)點間距均為5m、4.5m,總長9.5m。桁架主桿件采用槽鋼焊接的格構(gòu)式結(jié)構(gòu),節(jié)點通過箱體采用銷軸聯(lián)結(jié),后錨點通過 PSB830Φ32精軋螺紋鋼和扁擔(dān)梁錨固于箱梁頂面的軌道梁,前下橫梁通過型號為PSB830φ32精軋螺紋鋼懸吊于上橫梁,后下橫梁通過PSB830φ32精軋螺紋鋼懸固于已澆筑梁段底板,精軋螺紋鋼錨固于已澆筑梁段翼板。所有吊點處均設(shè)置扁擔(dān)梁內(nèi)模和外模系統(tǒng)均落于行走梁上,前吊桿、后吊桿及滑梁吊桿均采用φ32mm精軋螺紋鋼筋制作。

2 掛籃數(shù)值模擬驗算

2.1 有限元建模

使用Midas Civil 2020建立菱形掛籃模型并進(jìn)行有限元分析,吊桿采用桁架單元模擬,主桁結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬,釋放主桁架各連接節(jié)點的轉(zhuǎn)動自由度以模擬銷軸,主要構(gòu)件材料及截面型號如表1所示,主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。該掛籃有限元模型共 542個單元,632個節(jié)點,掛籃有限元計算模型如圖 3 所示。

表1 構(gòu)件材料及截面型號

表2 掛籃主要技術(shù)參數(shù)

2.2 強度分析

依據(jù)連續(xù)梁設(shè)計圖紙、掛籃模板設(shè)計圖紙以及《橋梁懸臂澆筑施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ/T 281—2018)[7]的規(guī)定,按荷載組合1:1.2×(混凝土荷載+掛籃自重+模板自重)+1.4×(施工機具及人群荷載+傾倒和振搗混凝土荷載)計算式來計算掛籃結(jié)構(gòu)的強度。混凝土澆筑的最不利荷載工況是混凝土澆筑完畢(混凝土可能發(fā)生脹模的影響也要考慮在內(nèi)),振動系統(tǒng)在進(jìn)行振搗時,所以掛籃施工的動力附加荷載和人員機具荷載也要考慮進(jìn)去。掛籃各構(gòu)件的有限元軟件計算結(jié)果如圖 4～9所示,各構(gòu)件最大應(yīng)力及狀態(tài)見表3。

圖5 外滑梁應(yīng)力計算結(jié)果(MPa)圖6 內(nèi)滑梁應(yīng)力計算結(jié)果(MPa)

經(jīng)過計算,掛籃主桁架等各構(gòu)件應(yīng)力均

2.3 剛度分析

對掛籃主桁架等主要構(gòu)件進(jìn)行剛度分析時,選擇荷載組合2:混凝土荷載+掛籃自重+模板自重作為計算的荷載組合形式,掛籃各構(gòu)件剛度計算結(jié)果見圖10～15,各構(gòu)件最大位移及狀態(tài)見表4。

圖10 底托系統(tǒng)最大豎向位移(mm)圖11 外滑梁最大豎向位移(mm)

經(jīng)過計算,掛籃主桁架等各構(gòu)件位移均小于要求的容許值,在選定的荷載組合下均處于安全狀態(tài)。

2.4 掛籃抗傾覆分析

由于掛籃在使用過程中在施工狀態(tài)及行走狀態(tài)下均有傾覆的可能性,所以要對這兩種狀態(tài)下的掛籃進(jìn)行抗傾覆驗算。

2.4.1 施工狀態(tài)下的抗傾覆計算

荷載組合1情況下,在混凝土澆筑時,掛籃主桁架后端通過精軋螺紋鋼錨固于已經(jīng)澆筑好的混凝土梁體上,為保證施工安全,需要驗算此種載荷組合下的掛籃后錨點的安全性,主桁架反力如圖16所示。

2.4.2 行走狀態(tài)下的抗傾覆計算

在對行走狀態(tài)下的掛籃進(jìn)行抗傾覆驗算時,選擇荷載組合3:行走沖擊系數(shù)1.3×(掛籃自重+模板自重)+風(fēng)荷載作為組合計算式,主桁架反力如圖17所示。

圖17 主桁節(jié)點支反力(KN)

由以上結(jié)果可知,荷載組合3時行走狀態(tài)下,單支點后錨固力最大為78.5kN。掛籃行走時,前端還是通過前吊桿、導(dǎo)梁吊桿把底籃、翼板模板及頂板模板吊在前上橫梁上;后端通過外滑梁吊住后下橫梁(底籃),翼板、頂板模板后端吊要已澆筑完的箱梁。行走時后下橫梁、內(nèi)外滑梁呈現(xiàn)出簡支梁的受力形式,隨掛籃的行走跨徑在不斷變化。掛籃行走狀態(tài)下的應(yīng)力見圖18,行走狀態(tài)下的吊桿軸力見圖19。

圖18 掛籃行走狀態(tài)下應(yīng)力圖(MPa)圖19 掛籃行走狀態(tài)下吊桿軸力圖(MPa)

3 掛籃結(jié)構(gòu)預(yù)壓試驗

掛籃預(yù)壓主要是主梁預(yù)壓,目的是檢驗掛籃強度,消除非彈性變形,測出彈性變形,作為調(diào)整預(yù)拋高的依據(jù)。選取懸臂梁體最大重量1#塊作為計算施工荷載,主橋預(yù)壓重量按照澆筑梁段荷載120%加載,按梁體荷載分布配置壓重,加載材料采用預(yù)制塊,采用逐級加載方法進(jìn)行預(yù)壓。經(jīng)計算掛籃承受的最大荷載為4.42×105kg。

3.1 測點布置

為了解支架變形情況,在加載預(yù)壓之前測出各測量控制點標(biāo)高。對左幅11#墩掛籃預(yù)壓,掛籃靜載預(yù)壓前,單側(cè)測點布置分布在掛籃前上橫梁、前托梁上靠近腹板兩側(cè)吊桿位置、中間位置,觀察前支點及后錨點的沉降。測點平面布置如圖20所示。

圖20 測點布置平面圖

3.2 加載方案

預(yù)壓考慮采用堆重進(jìn)行加載,堆載重量除梁體混凝土重量,還需考慮到安全系數(shù)1.2,則實際加載總重量為4.42×105kg。實物堆載采用預(yù)壓塊,單個預(yù)壓塊2.5×103kg,每邊176塊,共計352塊。分級加載至加載總重的60%、100%、120%后且每級加載完畢1h后通過監(jiān)測測點位移來觀察掛籃變形情況,掛籃分級加載值見表5 ,現(xiàn)場預(yù)壓見圖21。全部加載完畢后,每隔6h測量一次每個測點的變形值,當(dāng)連續(xù)12h監(jiān)測位移平均值之差≤2mm時方可卸載。

表5 掛籃分級加載值

圖21 現(xiàn)場掛籃預(yù)壓

3.3 變形監(jiān)測

依據(jù)預(yù)壓方案,對掛籃進(jìn)行分級加載,每級加載完畢1h后測量各測點高程,分別取小里程、大里程掛籃下橫梁左右兩側(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,繪制掛籃的荷載變形曲線見圖22、23。

從圖22、23中可以看出在掛籃分級預(yù)壓過程中,隨著預(yù)壓荷載的不斷增大,主桁架等基本構(gòu)件的變形不斷增加,基本上呈現(xiàn)出均勻變化的趨勢,當(dāng)荷載卸除后,下橫梁等構(gòu)件存在一定的殘余變形,但是數(shù)值不大,表明掛籃在拼裝過程中無構(gòu)件拼接不緊密或連接件縫隙偏大的問題。最大的彈性變形為12mm,殘余變形為7mm,明顯小于在有限元剛度分析時所得最大變形19mm,表明該掛籃結(jié)構(gòu)剛度大,安全儲備高,可以滿足后續(xù)施工要求。

4 結(jié)論

通過對曲線連續(xù)梁橋所用掛籃進(jìn)行有限元建模及預(yù)壓試驗綜合分析,得到以下結(jié)論:

(1)經(jīng)過計算,所用掛籃的主桁架、底托系統(tǒng)等構(gòu)件的強度、剛度及抗傾覆性均滿足規(guī)范,且具有很好的安全儲備,可以放心使用。

(2)掛籃進(jìn)行預(yù)壓試驗所得的最大彈性變形為12mm,殘余變形為7mm,均小于有限元分析所得的最大變形19mm,且滿足規(guī)范要求的掛籃最大變形值20mm的要求,完全滿足后續(xù)線形控制的施工要求。

(3)有限元分析結(jié)合現(xiàn)場試驗這種分析方法完全適用于實際工程中,且可以很好地指導(dǎo)工程實踐,能夠作為提高結(jié)構(gòu)安全性及橋梁線形控制的必要手段,可在后續(xù)施工控制中進(jìn)行深一步的探索。