寬幅矮塔斜拉橋菱形掛籃的有限元分析

吳婷　王林

摘 要：文章結合某寬幅矮塔斜拉橋菱形掛籃系統的結構特點，運用有限元分析軟件midas/civil建立菱形掛籃系統空間模型，對其受力和位移變形進行分析，分析結果發現，掛籃的強度、剛度均滿足施工要求。

關鍵詞：寬幅；矮塔斜拉橋；掛籃；有限元分析

1 工程概況

某橋主橋為矮塔斜拉橋，主梁采用預應力混凝土結構，混凝土標號強度為C55。主梁半幅橋采用單箱三室小懸臂斜腹板斷面。中支點6m范圍內箱梁頂板寬度為22.05m，其他區域箱梁頂板寬為24.25m。端支點及跨中位置梁高3.5m，中支點位置梁高8.0m，其余主梁梁高采用1.8次拋物線變化。橋塔為三柱式橋塔，每個主塔由一根中塔柱、2根邊塔柱、上橫梁組成框架結構。根據本橋的實際特點，采用菱形掛籃系統結構。因該主橋的橋面寬度比較大，體積也比較大，為保證施工質量好，安全度高，需要對菱形掛籃的設計進行空間有限元分析。

2 掛籃的構造

掛籃系統主要包括主桁架系統，提吊系統，錨固系統，底托系統，行走系統等。

2.1 承重系統

承重系統主要由4片菱形主桁架，前橫梁，導梁，滑梁等組成。主桁架的各桿件均采用箱型截面，在主桁架的立桿左右兩邊分別連接著一根桿件，以此來增加其所能承受的強度和空間穩定性。為便于安裝和運輸，主桁架構件要布置合理、受力均勻。

2.2 提吊系統

提吊系統主要由吊帶，吊桿，提吊桿，提吊扁擔梁，平臺提吊梁等組成。前上橫梁上有12個吊點，4個提吊扁擔梁，其余吊底托系統。前下橫梁上有8根吊帶，采用的是Q345B鋼材，連接著整個底籃，組成了底籃懸掛體系，吊帶分結處采用銷軸來連接，在方便建模，銷軸處建模時直接用節點來代替。

2.3 行走及錨固系統

此系統包括后錨扁擔梁，軌道提升裝置，推進裝置，后小車以及前小車。掛籃每施工完一段，就會往前移一段距離進行下一段施工，掛籃的一部分就通過箱梁預留孔錨固在剛施工完的箱梁上。

2.4 底托系統

底托系統由前托梁，后托梁，縱梁，平臺立桿，平臺橫桿等幾部分組成，平臺橫桿需要現場定位焊接。底籃前下橫梁設置8個吊點，與提吊扁擔梁相連接著，后下橫梁設置2個，與門架連接著。

3 有限元模型

文章采用midas/civil對掛籃系統進行有限元分析，有效地減少了手算的時間。全橋塊件總方量28262m3，其中最重塊件為7#塊，澆筑方量182.0m3，重量達到450t左右。因此，7#為施工控制塊段，只要對最重的7#塊進行驗算，其他的都能滿足設計要求。掛籃自重為100t。用midas/civil軟件對掛籃結構進行空間有限元建模，菱形掛籃系統所使用的材料主要為普通碳素鋼Q235和Q345，吊帶采用16Mn，錨固吊桿采用32精軋螺紋鋼，掛籃的桿件采用工廠預制后運送到現場拼裝焊接。通過建模共建立節點數442個，單元數698個，主要采用梁單元和桁架單元兩種單元形式。

4 不同荷載組合下的有限元分析

4.1 掛籃設計基本參數

（1）掛籃自重：根據建模時輸入鋼材的性能，進而根據自重荷載來確定；（2）梁段混凝土重量：掛籃澆筑時，梁段混凝土的重量是重要荷載，取值為26kN/m3；（3）人群及機具荷載取2.5KPa，加載荷載的方式與加載梁段混凝土重量的方式一致；（4）超載系數：根據條文規范取值為1.05；（5）新澆砼動力系數：根據條文規范取1.2。

荷載組合一掛籃自重+箱梁重量（檢驗剛度）

荷載組合二：掛籃自重+箱梁重量+人群機具+動力附加系數（檢驗強度）

驗算時，按照兩種荷載工況進行，分別對其進行模擬分析，進行對比。

4.2 應力分析

從圖2、圖3可以看出，桁架單元采用Q345B鋼結構材料，其最大應力值為161.71Mpa，小于鋼材的許用應力值200Mpa。在梁單元的應力分析中，在工況一下最大組合應力值為-38.89Mpa，同時工況二下的最大組合應力值為101.25Mpa，無論采用Q235B還是Q345B鋼材，也都小于他們的許用應力值200Mpa。因此，結構的應力值都小于規范所要求的應力值，達到了橋梁施工時的要求。

4.3 變形位移分析

變形位移分析是菱形掛籃結構剛度的重要指標之一，決定著工程質量的好壞。由下圖可知最大位移在工況一、二下的值分別為6.48mm和15.24mm。

通過圖6、圖7可以看出，底托系統和的變形位移為最大，主桁架系統變形也比較大，都是施工監控的重點。其中底托系統在工況一、二下的最大變形位移為6.48mm、15.24mm。其中最大的位移變形為15.24mm，小于本工程菱形掛籃系統的變形位移，滿足規定的要求。

4.4 節點反力計算

掛籃在施工中主要把節點反力作用在橋體本身，為了保證橋體安全，不因掛籃節點反力過大，造成橋本身破壞，故計算出在工況一、二下的節點反力值最大值，如表1所示。（單位：kN）

由表得出，兩種工況下的節點反力大小能夠滿足橋梁施工要求。

本項目掛籃驗算采用Midas civil建模分析，主要分析結構在兩種不同的工況下，得出不同的內力、應力、變形位移值，以及受力最大的部位和變形最大的位置。掛籃結構中應力組合最大值為161.71Mpa，小于材料容許應力200Mpa，最大位移變形為15.24mm，沒有發生大變形，滿足掛籃設計要求，節點反力也不大，同樣能滿足掛籃的要求。因此，菱形掛籃要有足夠的強度、剛度，防止發生大變形影響施工的質量和人員的安全。

5 結語

文章結合某矮塔斜拉橋寬幅大體積梁段懸灌施工，對菱形掛籃系統進行分析驗算，以便在以后懸臂澆筑寬幅梁段施工中設計和改進出更好的掛籃，優化施工工藝，提高施工的效率比及施工的質量。使用菱形掛籃的方法進行懸臂現澆箱梁的施工，盡管是一個比較成熟的辦法，但是由于橋梁的不同的特點，所以在施工的時候必須要調整，保證施工橋梁的質量和安全。

參考文獻

[1] 張正強.大跨徑預應力混凝土連續剛構橋懸臂施工技術研究[D].西南交通大學碩士論文，2007.

[2] 袁衛國.菱形掛籃設計改良與施工技術研究[D].華南理工大學碩士論文，2012.

[3] 錢亮.海隆大橋主橋施工[J].上海鐵道大學學報，2000（12）：107-112.

[4] 陳樹忠.菱形掛籃施工在高明大橋擴建工程中的應用[J].廣東交通職業技術學院學報，2010，09（01）：3-5.

作者簡介：吳婷（1990.11- ），女，碩士，江蘇科技大學，研究方向：鋼結構；王林（1963.04- ），男，博士，江蘇科技大學，教授，研究方向：鋼結構。