一種貝雷桁架結(jié)構(gòu)掛籃的適用性分析

李鵬飛　劉洋

摘要 文章主要以某連續(xù)剛構(gòu)橋工程為項目背景，對連續(xù)剛構(gòu)橋主梁懸臂澆筑施工中的掛籃結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。貝雷桁架結(jié)構(gòu)掛籃在當(dāng)今仍然具有一定的使用優(yōu)勢，因其結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度大、安裝和拆卸比較方便、材料周轉(zhuǎn)性強(qiáng)等特點至今仍廣泛應(yīng)用在實際工程中。在連續(xù)梁及連續(xù)剛構(gòu)主梁懸臂澆筑施工中，通過對貝雷桁架結(jié)構(gòu)掛籃進(jìn)行有限元軟件模擬，分析其受力特性，最終對其結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行一定優(yōu)化，并指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

關(guān)鍵詞 連續(xù)梁；懸臂施工；貝雷桁架式掛籃；有限元分析

中圖分類號 U445.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0117-03

0 引言

懸臂澆筑技術(shù)從20世紀(jì)80年代引入我國[1]，至今已取得巨大成就。在懸臂建設(shè)中，混凝土的澆筑、鋼筋的綁扎、預(yù)應(yīng)力筋的張拉等工作全都在掛籃內(nèi)實施。因此，掛籃結(jié)構(gòu)在整個連續(xù)梁懸臂澆筑施工中起到了至關(guān)重要的作用，掛籃結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究對連續(xù)梁懸臂澆筑施工意義重大。

掛籃懸臂澆筑施工，又稱DIDIAK施工方法，這種施工方法一般是將主梁以掛籃結(jié)構(gòu)對施工設(shè)備進(jìn)行的掛籃對稱澆筑施工，分為2～5 m長的節(jié)段進(jìn)行[2]。目前，在各種臨時性、輔助性工程中，如橋梁、門式起重機(jī)、架橋機(jī)、掛籃等，掛籃由于其具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、剛度大、便于拆卸等優(yōu)點[3-4]，已被廣泛使用。

該文以某連續(xù)剛構(gòu)橋為例，以掛籃的結(jié)構(gòu)設(shè)計和力學(xué)性能分析為工程背景，結(jié)合有限元軟件，對其受力性能進(jìn)行了研究，在一定程度上研究分析了大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁主梁懸臂澆筑施工中，貝雷梁桁架掛籃各構(gòu)件的安全性能和特點及整體結(jié)構(gòu)。

1 工程概況

該文以某連續(xù)剛構(gòu)橋項目為例，該橋全長為2 769 m，總寬為65.6 m，主道橋?qū)挒?8.45 m，輔道橋?qū)挒?2.60 m?？缃糠植捎眠B續(xù)剛構(gòu)橋（64+2×115+64）m、連續(xù)剛構(gòu)橋（106+198+106）m，下部結(jié)構(gòu)全部采用雙肢薄壁橋墩形式。該文主要對（64+2×115+64）m連續(xù)剛構(gòu)橋主道的主梁懸臂澆筑施工進(jìn)行掛籃設(shè)計及受力分析研究。

2 掛籃結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 主桁系統(tǒng)

主桁架所用貝雷片為加強(qiáng)200型貝雷片，每片貝雷片長度為3.048 m，高度為2.234 m。為了提高整體強(qiáng)度和剛度，在貝雷梁板上增加了上下兩層加強(qiáng)弦。為了保證主桁架的橫向穩(wěn)定性，在主桁架的前支點處設(shè)置了橫梁連接，以提供整體剛度，并在運(yùn)行狀態(tài)下起到懸掛底模平臺后橫梁的作用。

2.2 懸吊系統(tǒng)

懸吊系統(tǒng)主要由外側(cè)模及內(nèi)模的前后懸吊，以及底籃系統(tǒng)的前后懸吊兩部分組成。懸吊系統(tǒng)的作用主要包括兩個方面：一是用于懸吊外側(cè)模、內(nèi)模以及底籃系統(tǒng)；二是將底籃系統(tǒng)、外側(cè)模及內(nèi)模的自重、鋼筋及預(yù)應(yīng)力荷載、待澆筑梁段混凝土重量以及其他施工過程中的荷載，傳遞至主桁架以及已澆筑完成的連續(xù)剛構(gòu)主梁節(jié)段上。

底籃系統(tǒng)前下橫梁設(shè)6個吊點，后下橫梁設(shè)4個吊點。底籃系統(tǒng)前下橫梁吊點采用鋼吊帶形式，后下橫梁吊點采用40 mm40 Cr鋼桿吊裝形式。

2.3 底籃系統(tǒng)

底籃系統(tǒng)的作用主要包括兩個方面：一是為模板安裝、鋼筋綁扎、混凝土澆筑等工序提供施工平臺；二是直接承受澆筑中的梁段的混凝土重量。底籃系統(tǒng)主要由三個部分組成：主梁底板模板、主縱梁和前后下梁。底籃系統(tǒng)采用2I56B型鋼雙拼組，前下梁與后下梁焊接，I36B型鋼用于主縱梁。前后梁中央距5.3 m，主縱梁I36B型鋼采用2I56B的前后梁焊接而成。

2.4 錨固系統(tǒng)

每組主桁架后錨點均設(shè)有錨固系統(tǒng)。每組錨固系統(tǒng)由扁擔(dān)梁、后錨桿組成，每套掛籃共設(shè)有2組錨固系統(tǒng)。

錨固系統(tǒng)主要作用是平衡新澆筑連續(xù)剛構(gòu)主梁節(jié)段混凝土產(chǎn)生的傾覆力矩，確保掛籃施工過程中的穩(wěn)定性和安全性。

2.5 行走系統(tǒng)

掛籃的行走系統(tǒng)主要由軌道、墊梁、前后支座、外側(cè)模及內(nèi)模行走導(dǎo)梁、導(dǎo)梁滾輪架以及牽引設(shè)備組成。掛籃前移時，通過牽引設(shè)備在軌道頂面滑行至前支點；在主桁架后錨處通過反扣輪組扣住軌道沿軌道線行走。

3 貝雷桁架掛籃受力性能及有限元分析

3.1 掛籃構(gòu)造及受力分析

3.1.1 材料參數(shù)

（1）材料自重：對于鋼筋混凝土材料，取G＝26.5 kN/m3；對于鋼材，取G＝78.5 kN/m3。

（2）材料應(yīng)力：Q235的強(qiáng)度設(shè)計值，取f＝190 MPa；Q355的強(qiáng)度設(shè)計值，取f＝250 MPa。

3.1.2 設(shè)計荷載

采用通用有限元計算軟件，設(shè)計計算懸臂施工貝雷桁架掛籃系統(tǒng)，各種系數(shù)在Midas Civil計算中考慮如下：

（1）考慮箱梁節(jié)段混凝土澆筑時膨脹等所引起的超載系數(shù)：1.05。

（2）澆筑混凝土?xí)r的動力系數(shù)：1.2。

（3）掛籃空載行走時沖擊系數(shù)：1.3。

（4）混凝土澆筑和掛籃走形時的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)：2.0。

（5）活載分項系數(shù)：1.4。

（6）恒載分項系數(shù)：1.2。

根據(jù)箱梁截面的構(gòu)造特點，劃分箱梁各節(jié)段斷面如圖1所示：

計算箱梁斷面內(nèi)各梁段重量（kN）如表1所示：

掛籃的其他荷載如表2所示：

3.1.3 荷載組合

荷載組合Ⅰ：澆筑節(jié)段鋼筋混凝土重量+澆筑過程中超載+掛籃結(jié)構(gòu)自重+人群及機(jī)具荷載。

荷載組合Ⅱ：掛籃結(jié)構(gòu)自重+沖擊附加荷載+風(fēng)載荷。

其中，采用荷載組合Ⅰ計算掛籃整體的強(qiáng)度剛度和穩(wěn)定性；采用荷載組合Ⅱ計算掛籃走位時的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。

3.2 掛籃結(jié)構(gòu)計算及有限元分析

3.2.1 有限元模型建立

200型貝雷片主要構(gòu)件有上下弦桿、豎腹桿、斜腹桿、桁架連接銷、反保險銷、加固弦桿、弦桿螺栓、桁架螺栓及其他構(gòu)件。每片貝雷梁的上弦和下弦均由兩根10號槽鋼背靠背組焊接而成；加固弦桿通過螺栓與貝雷片上下弦連接成整體，通過兩端連接的銷孔首尾連接組裝成貝雷片的整個主桁架結(jié)構(gòu)；貝雷片的豎腹桿和斜腹桿均采用8號工字鋼連接而成。

貝雷片有更多的單元桿件，桿身的內(nèi)力通常進(jìn)行簡化型計算，即桁架部件上下弦桿、豎腹桿、斜腹桿以鉸架方式連接。

采用簡化桁架模型計算時，貝雷帽桁架各構(gòu)件的內(nèi)力僅為軸向力?？臻g線單元用于模擬每個構(gòu)件，空間梁單元用于通過釋放桿端彎矩模擬螺栓的連接。貝雷桁架單元的簡化模型如圖2所示：

模型貝雷桁架掛籃式主桁架以鉸接方式模擬每個貝雷片之間的連接，計算出懸臂式桁架，簡體模型如圖3所示。

在實際的貝雷片構(gòu)造中，貝雷片內(nèi)部的桿件都是采用焊接的方式進(jìn)行連接，這使得上下弦桿、豎腹桿和斜腹桿在產(chǎn)生軸向應(yīng)力的同時，也產(chǎn)生了部分彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力，也就是常說的次內(nèi)力[5]。桁架掛籃的有限元模型通過通用的有限元模型軟件Midas Civil建立，次內(nèi)力不在計算分析過程的考慮范圍內(nèi)。

三維模型的建立如圖4所示。

3.2.2 承重工況計算結(jié)果分析

（1）主桁系統(tǒng)最大應(yīng)力最大變形。根據(jù)有限元模型計算結(jié)果可知，主桁系統(tǒng)最大應(yīng)力出現(xiàn)在支點下弦桿處，為213.6 MPa；最大變形出現(xiàn)在主桁架最前端，為13.5 mm。

因此，主桁系統(tǒng)強(qiáng)度及剛度均滿足使用要求。

（2）懸吊系統(tǒng)最大應(yīng)力最大變形。根據(jù)有限元模型計算結(jié)果，前梁斜桿處出現(xiàn)懸吊系統(tǒng)最大應(yīng)力，為152.0 MPa；吊帶最下端出現(xiàn)最大形變，為16.3 mm，從而使懸吊系統(tǒng)的強(qiáng)度和剛度達(dá)到使用要求。

（3）底籃系統(tǒng)最大應(yīng)力最大變形。根據(jù)Midas Civil有限元模型計算結(jié)果可知，底籃系統(tǒng)應(yīng)力最大值出現(xiàn)在主縱梁跨中部分，為146.2 MPa；底籃系統(tǒng)的最大變形出現(xiàn)在前下橫梁跨中部，為19.3 mm。因此，底籃系統(tǒng)強(qiáng)度及剛度均滿足使用要求。

（4）錨固系統(tǒng)最大應(yīng)力最大變形。根據(jù)有限元模型計算結(jié)果可知，錨固系統(tǒng)最大應(yīng)力出現(xiàn)在錨梁中部，為43.7 MPa；最大變形出現(xiàn)在錨梁中部，為4.1 mm。因此，錨固系統(tǒng)強(qiáng)度及剛度均滿足使用要求。

（5）承重工況下掛籃整體最大應(yīng)力最大變形。根據(jù)有限元模型計算結(jié)果，掛籃結(jié)構(gòu)整體最大應(yīng)力出現(xiàn)在主桁架支點處，為213.6 MPa；最大變形出現(xiàn)在底籃前下橫梁中部，為19.3 mm。因此，承重工況下掛籃整體強(qiáng)度及剛度均滿足使用要求。

3.2.3 行走工況計算結(jié)果分析

根據(jù)有限元模型計算結(jié)果可知，行走工況下，掛籃整體錨固最大應(yīng)力出現(xiàn)在主桁架支點處，為61.6 MPa；最大變形出現(xiàn)在底籃后下橫梁中部，為18.4 mm。因此，行走工況下掛籃整體系統(tǒng)強(qiáng)度及剛度均滿足使用要求。

4 結(jié)論

該文主要以某連續(xù)剛構(gòu)橋大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)懸臂澆筑掛籃施工為工程背景，對連續(xù)剛構(gòu)主梁懸臂澆筑施工中所用到的貝雷桁架式掛籃進(jìn)行設(shè)計，并對其受力性能進(jìn)行了一定程度的研究；主要對天府大道眉山城區(qū)段道路工程太和岷江特大橋連續(xù)剛構(gòu)懸臂澆筑施工過程中，掛籃的實際受力情況進(jìn)行分析，并通過有限元計算軟件Midas Civil進(jìn)行模擬計算；對貝雷桁架式掛籃的主桁系統(tǒng)、底籃系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、行走系統(tǒng)以及掛籃結(jié)構(gòu)整體等進(jìn)行了應(yīng)力、變形及穩(wěn)定性等方面的計算分析。

測算結(jié)果表明，貝雷桁架式掛籃應(yīng)用于某連續(xù)剛構(gòu)橋主梁的懸臂澆筑施工，在承重工況和行走條件下的受力性能安全可靠。但是，根據(jù)設(shè)計和測算分析結(jié)果，在測算分析中也發(fā)現(xiàn)了一些尚待改進(jìn)之處，主要對掛籃結(jié)構(gòu)提出以下改進(jìn)意見，以便更好地用于連續(xù)剛構(gòu)主梁的懸臂澆筑施工：

（1）建議掛籃材料盡量選取輕型材料，掛籃結(jié)構(gòu)的設(shè)計也應(yīng)向輕型化發(fā)展。

（2）掛籃建議以模塊化設(shè)計為主，以保證掛籃的通用性，便于運(yùn)輸和現(xiàn)場裝配，減少施工費(fèi)用。

通過此次掛籃設(shè)計及有限元計算軟件的計算分析，再次驗證了貝雷桁架式掛籃的強(qiáng)度、剛度的安全可靠。

該文在一定程度上研究分析了大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁主梁懸臂澆筑施工中，貝雷梁桁架掛籃各構(gòu)件的安全性能和特點及整體結(jié)構(gòu)，可為今后掛籃懸臂澆筑施工提供一定的參考和建議。

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