連續(xù)梁橋懸臂施工掛籃局部受力狀態(tài)分析

李建安，梁 濤，楊 洋

(陜西高速集團(tuán) 西潼改擴(kuò)建項(xiàng)目管理處，陜西 渭南 741000)

1 掛籃構(gòu)造及特點(diǎn)

連霍高速公路某大橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，跨越電氣化鐵路主干線(隴海線)，為達(dá)到橋梁施工與鐵路正常運(yùn)營互不干擾的目標(biāo)，上部結(jié)構(gòu)采用懸臂澆筑法菱形掛籃施工。菱形掛籃由主桁承重系、底籃、懸吊系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、平臺系統(tǒng)、模板系統(tǒng)及防護(hù)系統(tǒng)等部分組成，見圖1。

圖1 菱形掛籃典型構(gòu)造示意

2 掛籃局部構(gòu)造要點(diǎn)

與一般鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)相似，掛籃結(jié)構(gòu)除了整體受力應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性的要求外，構(gòu)件的局部受力也應(yīng)滿足相關(guān)要求。在掛籃設(shè)計(jì)中，往往比較注意掛籃整體受力檢算，其安全儲備一般都滿足要求;而局部受力的安全儲備問題往往會忽略。掛籃結(jié)構(gòu)的局部受力往往決定掛籃實(shí)際的安全性能。

對于本橋菱形掛籃來說，其局部構(gòu)造特點(diǎn)如下:①掛籃主桁桿件采用銷接，桿端開孔通過銷軸與節(jié)點(diǎn)板等構(gòu)件相連，桿端和節(jié)點(diǎn)板的局部構(gòu)造應(yīng)加強(qiáng)，銷軸應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度;②主桁前支點(diǎn)通過滑船與軌道滑梁接觸，滑船局部構(gòu)造應(yīng)保證支點(diǎn)荷載均勻地傳遞至滑梁頂面，避免局部應(yīng)力集中;③掛籃后錨點(diǎn)通過后錨梁采用精軋螺紋粗鋼筋與箱梁頂面豎向預(yù)應(yīng)力筋連接錨固，后錨梁及主桁局部節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性;④掛籃走行狀態(tài)通過反壓滾輪扣在工字形滑梁上翼緣底面，是保證掛籃走行階段抗傾覆穩(wěn)定性的關(guān)鍵構(gòu)造，滑梁翼緣強(qiáng)度及局部穩(wěn)定性應(yīng)滿足要求。

根據(jù)本橋掛籃的受力特點(diǎn)，文中采用實(shí)體有限元法分析了掛籃節(jié)點(diǎn)板和行走滑梁的局部受力狀態(tài)。

3 掛籃局部受力分析

3.1 主桁節(jié)點(diǎn)板局部受力

建立實(shí)體有限元模型對主桁后錨點(diǎn)節(jié)點(diǎn)板的受力進(jìn)行分析。掛籃最大滿載狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)板處主桁斜桿拉力為1 354.6 kN，水平桿壓力為1 058.9 kN。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖2所示，根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性，取半結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

為了消除邊界約束條件的影響，在此僅考察節(jié)點(diǎn)立板和加強(qiáng)板的受力，圖3和圖4分別給出了其第一和第三主應(yīng)力分布。可以看到，掛籃最大滿載狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)板最大主拉應(yīng)力266.2 MPa，出現(xiàn)在立板與斜桿銷軸接觸邊緣，大于Q235鋼材屈服強(qiáng)度。

節(jié)點(diǎn)板孔壁最大主壓應(yīng)力184.4 MPa，小于Q235鋼材節(jié)點(diǎn)銷子的孔壁容許承壓應(yīng)力273 MPa，滿足要求。節(jié)點(diǎn)立板最大主壓應(yīng)力196.4 MPa，小于Q235鋼材屈服強(qiáng)度。

圖2 主桁節(jié)點(diǎn)板實(shí)體模型

圖3 節(jié)點(diǎn)立板和加強(qiáng)板第一主應(yīng)力

圖4 節(jié)點(diǎn)立板和加強(qiáng)板第三主應(yīng)力

3.2 行走滑梁局部受力

建立實(shí)體有限元模型對行走滑梁受力進(jìn)行分析。掛籃行走狀態(tài)(見圖5)，行走滑梁承受的最大后錨反力為101.9 kN。滑梁上翼緣施加2倍最大后錨反力，以考察保證走行穩(wěn)定系數(shù)不小于2.0的情況下，滑梁翼緣根部的應(yīng)力狀態(tài)。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖6所示，根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性，取半結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

圖5 行走小車及滑梁構(gòu)造示意

圖6 行走滑梁實(shí)體模型

圖7 行走滑梁第一主應(yīng)力分布

圖7給出了行走滑梁在最大后錨反力作用下的第一主應(yīng)力分布圖。可以看到，滑梁最不利受力位置出現(xiàn)在行走小車作用的翼緣根部，其最大主拉應(yīng)力為245.2 MPa，大于Q235鋼材的屈服強(qiáng)度。設(shè)計(jì)行走滑梁采用20 mm鋼板焊接，翼緣根部角焊縫高度hf=10 mm，焊縫受力不能滿足要求。

3.3 構(gòu)件的局部補(bǔ)強(qiáng)

根據(jù)構(gòu)件局部分析的結(jié)果，對于局部應(yīng)力超過材料屈服強(qiáng)度的應(yīng)予補(bǔ)強(qiáng)，常用的補(bǔ)強(qiáng)方式有:加焊鋼板，增加鋼板有效厚度;增設(shè)加勁肋，避免薄壁構(gòu)件發(fā)生面外屈曲;對應(yīng)力集中效應(yīng)明顯處改善局部構(gòu)造;當(dāng)結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力較大時(shí)，可改變構(gòu)件截面形式或更換較大規(guī)格的桿件。

對于上述節(jié)點(diǎn)板，孔壁局部拉應(yīng)力超限，可通過在節(jié)點(diǎn)立板另一側(cè)增設(shè)加強(qiáng)板或增大加強(qiáng)板厚度的方式改善其受力;對于行走滑梁，其翼緣根部拉應(yīng)力超限，可通過加強(qiáng)焊縫施工質(zhì)量，增大焊腳尺寸的方式改善焊縫受力狀態(tài)，但效果很可能是有限的，可進(jìn)一步考慮將焊接工字梁改為相近規(guī)格的型鋼工字梁，其翼緣根部受力將更易得到保證。

4 結(jié)語

由于掛籃為施工階段臨時(shí)構(gòu)件，對于部分次要構(gòu)件，當(dāng)按彈性理論進(jìn)行的局部分析應(yīng)力超過規(guī)范限值不多，且分布范圍較小時(shí)，可考慮有限地利用鋼材屈服后的塑性性能，而不對其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，以期達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的要求。但是，對于掛籃主要受力構(gòu)件及可能影響施工安全的局部構(gòu)造，應(yīng)具有足夠安全儲備，不應(yīng)考慮其材料的塑性發(fā)展。

［1］王武勤.PC橋梁懸臂灌注施工掛籃的發(fā)展［J］.橋梁建設(shè)，1997(4):55-57.

［2］鐘銘，袁長卿.寬體式輕型掛籃設(shè)計(jì)［J］.華東公路，2002(6):24-26.

［3］梁志華.乍嘉蘇主線橋懸臂澆筑施工技術(shù)［J］.鐵道建筑，2008(6):10-12.