單索面混凝土斜拉橋前后支點組合式掛籃性能研究
2014-10-21 19:57:28金善長
基層建設 2014年25期
金善長
摘要：為探明單索面混凝土斜拉橋前后支點組合式掛籃性能，本文首先對前后支點組合式掛籃的構成及優勢進行了分析，在此基礎上，通過工程實力對前后支點組合式掛籃的性能進行了研究，力求對該掛籃施工進行全面的掌握。
關鍵詞：單索面;混凝土斜拉橋;前后支點組合式掛籃;性能
混凝土斜拉橋結構包括塔、梁主和斜拉索，其中斜拉索是橋梁跨的中間支撐，具有彈性，能夠降低主梁截面彎矩，減輕主梁自重，提高跨越能力，同時斜拉索還能夠增強主梁的承載力與抗裂能力。由于斜拉橋具有較理想的結構狀態，因此比懸索橋更加抗風和抗震，穩定性更好?；炷列崩瓨蛑髁旱氖┕ぶ饕捎脩冶蹪仓膾旎@施工。由于掛籃施工時，結構較為復雜，具有較多次數的超靜定，并且斜拉索的位置與各部分尺寸要求精確，因此在施工中需要對各階段的結構進行力學性能分析。
一、前支點掛籃與后支點掛籃
國內斜拉橋主梁施工的掛籃施工根據受力形式分為前支點、后支點兩種，兩種方式具有各自的優勢與不足之處。
（一）前支點掛籃
前支點掛籃是利用待澆筑節段的斜拉索為前支點的，它與已澆筑完成節段上的錨固點構成了簡支體系，掛籃平臺和主要承重結構位于橋梁下面。前支點提供了前端的斜拉索作用，有利于減少已澆筑節段的施工應力，并調整混凝土節段無應力標高，便于施工控制。但是前支點掛籃的主桁布置受斜拉索位置的限制，尤其是單索面較寬的主梁斜拉橋，由于前支點斜拉索位于主梁中間，因此結構傳力復雜，橫向穩定性難設計，而橫向高差的調整也比較困難，掛籃行走系統復雜。
（二）后支點掛籃
后支點掛籃則不需要前端斜拉索，只是依靠掛籃主體結構的剛度形成懸臂體系，掛籃底平臺，混凝土澆筑在底平臺上進行。后支點掛籃的結構較簡單，行走方便，受力明確，因此在斜拉橋上廣泛使用。但是后支點掛籃的自重與待澆筑混凝土的荷載對已澆筑完成的前一節段梁會產生較大的施工應力，并且在梁重量較重、懸臂較大的節段后支點掛籃設計不夠經濟。
二、前后支點組合式掛籃
前后支點組合式掛籃由重慶橋梁公司研究設計，并用于重慶雙牌嘉陵江大橋施工。前后支點組合式掛籃具有一套前支點掛籃和兩套后支點掛籃，前支點位于主梁中間，與單索面斜拉索的位置相對應，用于承擔主梁中間與斜腹板的部分荷載，后支點掛籃位于主梁兩側，用于承擔斜腹板和翼板的部分荷載。前、后支點的組合由后支點掛籃平臺、前支點掛籃平臺、后支點掛籃平臺（掛籃底平臺橫向劃分）三部分鉸接連接而成。前后支點組合式掛籃與前支點掛籃、后支點掛籃相比其優點表現在以下幾個方面。
首先，前支點掛籃兩側增設兩套后支點掛籃，掛籃底平臺擁有三個支撐點，橫向穩定性增強;其次，兩套后支點掛籃的前吊標高均可進行調整，避免了橫向的標高差異與不平衡;再次，前支點與后支點掛籃之間受力相互協同，掛籃結構得到了優化，增強了長節段、寬主梁、大噸位和單索面的適應性，并且掛籃的自重得到了控制;最后，前支點與后支點掛籃平臺采用鉸接連接，翼板受力明確，不會因溫度的變化受到影響，并且掛籃的裝卸比較方便。但是這種組合式掛籃也存在一定的缺點，盡管采用鉸接連接減輕了掛籃自重，但組合體系的橫向剛度和橫向整體性變差。
三、前后支點組合式掛籃性能研究——以重慶雙牌嘉陵江大橋為例
重慶雙牌嘉陵江大橋主橋標準節段長度7m，重量為461t，橋面寬32.5m，橫向懸臂長約12m，由于節段較長、重量較大、寬橋面，因此橋型設計較為困難。為解決前、后支點施工中的不利因素，減少自重和材料浪費，避免錨點反力超過上限，重慶橋梁公司設計研究了前后支點組合式掛籃，并在重慶雙牌嘉陵江大橋施工中應用。為了探明前后支點組合式掛籃的可行性，需要對其各項性能指標參數進行研究。本研究通過理論上的分析與試驗掌握掛籃的性能能夠更好的對該組合式掛籃進行掌握。這里對組合式掛籃進行空間應力的分析，采用的方法為有限元分析軟件Midas Civil，通過掛籃三維模型的構建，進行理想約束與模擬施工，對掛籃在各個工況下的受力與變形情況進行分析。
（一）研究分析步驟：
第一步，參數設置。主梁混凝土強度為C50，預應力鋼筋為φs15.24 的鋼絞線，精軋螺紋鋼筋為JL32的粗鋼筋。
第二步，構件模型。采用有限元法求解需要從實際結構出發，在滿足準確性的基礎上，對結構進行合理的簡化。簡化的模型需要符合雙牌嘉陵江大橋的實際結構受力，同時也要對重點部位進行突出。
第三步，劃分懸臂澆筑掛籃施工工況。在理論計算中對澆筑調索工況劃分依次為：空載、節段荷載施加25%、節段荷載施加50%、節段荷載施加50%并進行所里的調整、節段荷載施加75%、節段荷載施加100%;澆筑不調索工況依次為：空載、節段荷載施加25%、節段荷載施加50%、節段荷載施加75%、節段荷載施加100%。
第四步，對模型進行簡化處理。主要包括單元處理、坐標系假定、邊界約束、載荷簡化、橫向預拉架預拉力模擬。
（二）前后支點組合式掛籃剛度分析
對前后支點組合式掛籃剛度分析是通過對各工況下掛籃的位移變化來進行的，本研究中掛籃驗算荷載取標準節段（節段數量最多）為掛籃計算的載荷取值，并進行標準節段載荷的劃分并模擬，進而掌握掛籃的性能。調索在混凝土澆筑一半時進行，只調索一次，并與不調索進行對比。掛籃變形觀測點共計9個點，均為變形最大截面。調索與不調索下各工況掛籃控制部位位移值見表1、表2。根據表1 和表2 的結果顯示，在混凝土澆筑一半時調索，使前支點掛籃前端中間標高抬高了6mm，其余部位也相應抬高約6mm，由于混凝土索力的調整，重量朝上下游轉移，后支點掛籃的最大撓量為3mm。當荷載增大到100%，前支點變形量最大為18mm，后支點為30mm。總體上來看，各點的位移變換量較小，無突變點，這有利于主梁線性控制。不進行調索前支點最大位移24mm、后支點最大位移32mm，當荷載為100%時，位移量與調索時一致;但是在荷載25%時存在后支點結合處的位移突變，位移量變化很大（4、5、6點），這主要是空載時掛籃下拉所所里較小造成的。
表1 調索下掛籃位移
工況
荷載施加
理論情況下的位移mm
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
空載
-24
-7
5
18
19
18
5
-7
-24
2
25%
-19
-11
-3
8
11
8
-3
-11
-19
3
50%
-24
-22
-17
1
5
1
-17
-19
-24
4
50%調索
-27
-22
-13
7
11
7
-13
-22
-27
5
75%
-21
-23
-18
-4
2
-4
-18
-23
-21
6
100%
-41
-32
-25
-5
1
-5
-25
-32
-41
表2 不調索下掛籃位移
工況
荷載施加
理論情況下的位移mm
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
空載
-27
-7
7
24
25
24
7
-7
-27
2
25%
-22
-11
1
-14
17
-14
1
-11
-22
3
50%
-27
-22
-15
7
11
7
-15
-19
-27
4
75%
-21
-23
-16
-4
2
-4
-16
-23
-21
5
100%
-40
-32
-25
-5
1
-5
-25
-32
-40
（三）前后支點組合式掛籃強度、反力分析
研究分析發現，調索與不調索兩種情況下吊桿反力值基本相同，盡管初始情況下，弧形梁由于斜拉索的作用產生負值，這是預抬的作用效果。在荷載100%時，調索與不調索工況下中吊桿力值相同，這表明，在初始索力一致、荷載數相同的情況下，調索與不調索的吊桿受力情況相同，并且均在極限值之內，達到了設計的要求。而施加荷載100%時，掛籃的受力最大，對此時荷載的應力值進行計算，結果發現調索與不調索下掛籃主要構件的應力值相同，最大應力在后支點三角桁架主縱梁處，最大應力值為140MPa<345MPa，符合應力要求;最大應力在后支點三角桁架主縱梁外行走主梁吊桿處，最大應力值為127MPa<345MPa，符合應力要求.
（四）前后支點組合式掛籃的穩定性分析
結構穩定包括了分支點失穩與極值點失穩，實際工程中場出現極值點
失穩情況，由于分支點失穩計算方便，并且計算臨界值與極值點失穩接近，因此常根據分支點失穩進行結構安全系數的求解。Midas Civil有限元求解，一定變形狀態下結構靜力平衡方程為：
