結構力學求解器在掛籃設計檢算中的應用

鄭文飛

(中鐵十五局集團第一工程有限公司，陜西西安　710000)

結構力學求解器在掛籃設計檢算中的應用

鄭文飛

(中鐵十五局集團第一工程有限公司，陜西西安710000)

摘要:以福平鐵路平原特大橋工程為例，介紹了掛籃的總體設計方案，結合掛籃的主要指標及設計參數，采用結構力學求解器程序，對掛籃各主要桿件進行了計算分析，解決了掛籃設計中的檢算問題，保證了掛籃的結構設計安全。

關鍵詞:橋梁，掛籃，結構檢算，結構力學求解器

0　引言

在橋梁施工中，往往會采用掛籃作為連續梁橋或連續剛構橋的施工設備，而掛籃的結構檢算是安全使用掛籃的必要條件，本文通過在工程實踐中，采用結構力學求解器對掛籃進行結構檢算，能有效保證設備結構自身和施工的安全。

1　工程概況

福平鐵路平原特大橋位于平潭縣平原鎮境內，全長1 010.06 m，其中跨越規劃蘇平路處設計采用3跨( 48 + 80 + 48) m連續梁。該梁為雙線預應力混凝土單箱單室直腹板連續箱梁。墩頂0號塊長度為8 m，全橋箱梁頂寬為12.6 m，箱梁底寬6.4 m、防護墻內側凈寬9.46 m。箱梁橫截面為單箱單室，各控制截面梁高分別為:端支座處和跨中處為3.80 m，中支點處梁高6.40 m。其中0號塊采用滿堂支架現澆，1號～10號段采用掛籃懸澆施工，11號段為合龍段。各節段的具體尺寸見表1。

表1　連續梁各節段尺寸一覽表

2　掛籃總體設計

掛籃作為混凝土箱梁的施工設備，由底模、側模、內模、前懸吊、后懸吊、主構架、走行錨固等部分組成。掛籃總體布置圖見圖1。

圖1　掛籃總體布置圖

3　掛籃主要指標及計算參數

3.1掛籃主要指標

梁段最大重量:152 t;梁段最大分段長度:4 m;掛籃自重:55 t。

3.2主要計算參數

1)梁段混凝土重量: 2.6 t/m3;人群及機具荷載: 2.5 kPa;鋼材彈性模量Es=2.1×105MPa。

2)材料容許應力:

3)荷載系數。

考慮箱梁混凝土澆筑時脹模等因素的超載系數: 1.05;澆筑混凝土時的動力系數: 1.2;掛籃空載行走時的沖擊系數: 1.3;澆筑混凝土和掛籃行走時的抗傾覆穩定系數: 2.0;恒載分項系數: 1.2;活載分項系數: 1.4。

3.3計算組合及工況

1)荷載組合: a.混凝土重+掛籃自重+施工、人群機具+動力附加系數(強度計算) ; b.混凝土重+掛籃自重+施工、人群機具(剛度計算) ; c.掛籃自重+沖擊附加系數(行走穩定性)。

2)計算工況:根據梁段長度、重量、梁高等參數，設計時按以下幾種工況進行計算:

工況一: 1號梁段混凝土灌注完成工況，此工況梁段高度最大、混凝土重量最大。

工況二: 4號梁段混凝土灌注完成工況，此工況梁段較長、混凝土重量較大。

工況三: 8號梁段混凝土灌注完成工況，此工況梁段最長、混凝土重量較大。

工況四: 1號梁段混凝土灌注完成，掛籃由0號～1號梁段走行工況。

4　工況一的掛籃結構檢算

4.1縱梁1的計算

縱梁1由三根40b工字鋼組合而成，其截面特性為: E =2.1×105MPa，A =282.21 cm2，I =68 343 cm4，W =3 417 cm3。

混凝土荷載: q1=206.4 kN/m。

模板荷載: q2=1.28 kN/m。

縱梁1自重荷載: q3=16.92 kN/m。

人群機具等臨時荷載: q4=3.73 kN/m。

總荷載: q = q1+ q2+ q3+ q4=228.33 kN/m。

首先，根據縱梁1的受力情況建立計算簡圖，如圖2所示。

圖2　縱梁1計算簡圖（單位：cm）

然后，根據計算簡圖，打開結構力學求解器軟件，按如下步驟進行操作:

第一步，輸入各結點坐標。

第二步，輸入各桿件單元連接方式。

第三步，輸入各支座約束方式，如支座類型、支座性質、支座方向等。

第四步，輸入荷載條件，如荷載類型、大小等。

第五步，輸入材料性質，如抗拉剛度、抗彎剛度等。

以上步驟完成后，得出如圖3所示力學模型。

圖3　縱梁1力學模型

第六步，求解，包括內力計算、位移計算等，經計算得出如下結果:

最大剪應力:τ= Nmax/A =15.9 MPa＜85 MPa，計算通過。

最大彎曲應力:σw=Mmax/W =128.1 MPa＜145 MPa，計算通過。

最大位移值: 2.4 mm，滿足要求。

4.2縱梁2的計算

縱梁2由一根40b工字鋼組合而成，其截面特性為:

混凝土荷載: q1=37.7 kN/m。

模板荷載: q2=1.36 kN/m。

縱梁2自重荷載: q3=5.64 kN/m。

人群機具等臨時荷載: q4=3.97 kN/m。

總荷載: q = q1+ q2+ q3+ q4=48.67 kN/m。

依照4.1所示的步驟，經計算得:

最大剪應力:τ= Nmax/A =10.2 MPa＜85 MPa，計算通過。

最大彎曲應力:σw=Mmax/W =81.9 MPa＜145 MPa，計算通過。

最大位移值: 1.6 mm，滿足要求。

同樣縱梁3計算通過，且N后支點=81.7 kN，N前支點=63.5 kN。

4.3前下橫梁的驗算

前下橫梁由兩根40b工字鋼組合而成，其截面特性為:

根據前面計算可知，主縱梁作用給前下橫梁的荷載分別為:

前下橫梁自重荷載: q =3 kN/m。

依照4.1所示的步驟，經計算得:

最大剪應力:τ= Nmax/A =9.9 MPa＜85 MPa，計算通過。

最大彎曲應力:σw=Mmax/W =43.9 MPa＜145 MPa，計算通過。

最大位移值: 0.1 mm，滿足要求。

4.4后下橫梁的驗算

后下橫梁由兩根40b工字鋼組合而成，其截面特性為:

根據前面計算可知，主縱梁作用給后下橫梁的荷載分別為:

前下橫梁自重荷載: q =2.52 kN/m。

依照4.1所示的步驟，經計算得:

最大剪應力:τ= Nmax/A =24.2 MPa＜85 MPa，計算通過。

最大彎曲應力:σw=Mmax/W =125.4 MPa＜145 MPa，計算通過。

最大位移值: 9.7 mm，滿足要求。

4.5外滑梁的驗算

外滑梁由兩根30槽鋼組焊而成，其截面特性為:

混凝土荷載: q1=38.66 kN/m。

模板及支架荷載: q2=17.82 kN/m。

外滑梁自重荷載: q3=1.23 kN/m。

計算荷載: qA= q1+ q2=56.48 kN/m，qB= q3=1.23 kN/m。

依照4.1所示的步驟，經計算得:

最大剪應力:τ= Nmax/A =6.67 MPa＜85 MPa，計算通過。

最大彎曲應力:σw=Mmax/W =87.65 MPa＜145 MPa，計算通過。

最大位移值: 6.6 mm，滿足要求。

4.6內滑梁的驗算

內滑梁由兩根30槽鋼組焊而成，其截面特性為:

混凝土荷載: q1=40.6 kN/m。

模板及支架荷載: q2=10.3 kN/m。

內滑梁自重荷載: q3=1.03 kN/m。

計算荷載: qA= q1+ q2=50.9 kN/m，qB= q3=1.03 kN/m。

依照4.1所示的步驟，經計算得:

最大剪應力:τ= Nmax/A =7.6 MPa＜85 MPa，計算通過。

最大彎曲應力:σw=Mmax/W =110.76 MPa＜145 MPa，計算通過。

最大位移值: 8.9 mm，滿足要求。

4.7前上橫梁的驗算

前上橫梁由兩根40b工字鋼組焊而成，其截面特性為:

其中，前上橫梁上的作用荷載分別為:

依照4.1所示的步驟，經計算得:

最大剪應力: T = Nmax/A =10.1 MPa＜85 MPa，計算通過。

最大彎曲應力:σ=Mmax/W =52.87 MPa＜145 MPa，計算通過。

最大位移值: 4.2 mm，滿足要求。

4.8主構架的驗算

其壓桿1、壓桿2、壓桿3截面特性為:

拉桿1、拉桿2截面特性為:

依照4.1所示的步驟，經計算得主構架各桿受力計算結果如下:

最大壓應力:σ= N壓桿3/A =46.1 MPa＜140 MPa，計算通過。

最大拉應力:σ= N拉桿1/A =55.94 MPa＜140 MPa，計算通過。

最大位移值: 9.1 mm，滿足要求。

其中受壓構件還需進行穩定性計算。

其中的受壓桿件是由30槽鋼組焊而成，其截面特性為:

壓桿計算長度L =5.385 m，兩端鉸接的軸心受壓構件計算長度系數μ=1.0，rmin=0.102 8 m。

長細比λmax=μL/r =52.38＜［λ］=150，則查表得φ=0.857。

軸心受壓構件穩定性折減后應力是σ= Nmax/(φA) = 53.84 MPa＜140 MPa，計算通過。

4.9后錨固計算

從主構架的計算結果可知，主構架后錨力大小是274 kN。

后錨是用四根后錨扁擔通過八根φ32的精扎螺紋鋼跟梁體錨固在一起，而走行軌道則是通過混凝土梁的豎向預應力筋錨固在箱梁上，連接構造見圖4。

1)后錨扁擔計算。

后錨扁擔梁承受所有后錨荷載的力，總計274 kN，共四根后錨扁擔，平均每根承受68.5 kN，乘以1.3的不均勻系數得89.05 kN。

其截面特性為:

圖4　掛籃后錨結構圖

依照4.1所示的計算步驟，經計算得:

最大剪應力:τ= Nmax/A =6.74 MPa＜85 MPa，計算通過。

最大彎曲應力:σw=36 MPa＜140 MPa，計算通過。

最大位移值: 0.03 mm，滿足要求。

2)后錨精軋螺紋鋼計算。

單根Ф32精軋螺紋鋼筋［F］=550 kN，后錨精軋螺紋鋼承受的最大拉力為89.05/2 = 44.5 kN。傾覆穩定系數: 550/44.5 = 12.4＞2.5，計算通過。

4.10其他桿件計算

鋼吊帶的計算較為簡單，這里不再贅述。

5　其他工況的掛籃結構檢算

其他工況依照工況一的方法進行計算，經計算，各桿件部位均滿足要求。

6　結論

基于前述計算，得到以下結論:

1)掛籃主桁架，前橫梁構件強度、剛度、整體穩定和局部穩定都能滿足規范設計要求。

2)掛籃吊桿以及錨固系統驗算表明，精軋螺紋鋼吊桿以及后錨吊桿都能滿足規范設計要求。整個掛籃的檢算結果滿足設計要求。

7　結語

本文通過采用結構力學求解器對掛籃結構的設計進行檢算，總結提供了掛籃設計和檢算的一種方法，旨在為類似的工程提供有意義的參考。

參考文獻:

［1］楊文淵.路橋施工常用數據手冊［M］.第2版.北京:人民交通出版社，2001:800-802.

［2］周水興，何兆益，鄒毅松，等.路橋施工計算手冊［M］.北京:人民交通出版社，2011:411-416，724-798.

［3］GB 50205—2001，鋼結構工程施工質量驗收規范［S］.

The application of structural mechanics solver in hanging basket design checking

Zheng Wenfei
( The First Engineering Limited Company，China Railway 15th Bureau Group，Xi’an 710000，China)

Abstract:Taking the Fuping railway Pingyuan super bridge engineering as an example，this paper introduced the overall design scheme of hanging basket，combining with the main indexes and design parameters of hanging basket，using the structural mechanics solver program，calculated and analyzed each main bar of hanging basket，solved checking problems in hanging basket design，ensured the structure design safety of hanging basket.

Key words:bridge，hanging basket，structure checking，structural mechanics solver

作者簡介:鄭文飛(1978-)，男，工程師

收稿日期:2015-11-20

文章編號:1009-6825( 2016) 04-0191-03

中圖分類號:U442

文獻標識碼:A