紅水河特大橋掛籃施工的精細化設計及仿真受力驗算

彭濤 王富強

摘要：文章結合紅水河特大橋的結構特點，根據該項目施工中對掛籃的使用要求，對掛籃進行精細化設計，并建立空間計算模型，對4種工況下的掛籃受力狀況進行仿真受力驗算，驗證了該掛籃精細化設計的可靠性和科學性，為相似工程提供參考。

關鍵詞：精細化;設計;仿真;荷載組合;受力驗算

0 引言

隨著我國交通事業的發展，高速公路的設計、施工中對線型的要求也越來越高，大型、特大型橋梁的比例也在提高。掛籃廣泛應用于大型橋梁的施工中。雖然市場已經有較為成熟的掛籃產品，但直接使用會出現不合理、不經濟、不高效的問題。本文結合賀州至巴馬高速公路（都安至巴馬段）K404+509.396紅水河特大橋的結構特點，根據本項目施工中對掛籃的使用要求，對掛籃進行精細化設計，并在充分研究掛籃受力狀況后建立空間計算模型，在4種工況下進行仿真受力驗算，有效地解決上述問題。

1 工程概況

紅水河特大橋橋長511.5m。全橋采用雙幅分離式，共6跨，最大跨徑為185m，橋面全寬為29.6m。橋梁上部結構為單箱單室預應力混凝土連續箱梁，箱梁腹板采用分段等厚規律變化，從梁端支點到跨中的厚度分別為1.2m、0.9m、0.7m和0.5m，按1.5次拋物線規律變化，均采用掛籃施工。紅水河特大橋主橋中跨箱梁一般構造如圖1所示。

2 掛籃結構精細化設計

本文根據紅水河特大橋上部結構及主梁的特點，結合橋梁主體結構、構件尺寸及荷載的情況，對掛籃結構進行精細化設計，提高掛籃結構關鍵部位的安全性能，保證施工質量。紅水河大橋主梁截面高，節段荷重，承載力大，故選擇菱形掛籃進行施工。掛籃結構主要由主桁架、橫梁底托、懸吊吊桿、行走及錨固、模板（底模架、內外側模）等系統組成。掛籃結構組成如圖2所示。

2.1 多風條件下的主桁架系統精細化設計

本工程所在地屬于山區，風速較大，每年6～9月為汛期，年平均基本風速為24.4m/s，施工最大風力可達6級，風環境復雜。本工程主桁架弦桿前端的橫梁上設施工操作平臺，平臺上有1.5m高的安全護欄，確保橋梁掛籃在風荷載作用下的抖振安全。為了提高主框架的穩定性，豎桿之間采用中門框架連接。同時，為防止施工過程中由于風力過大使得菱形掛籃搖晃導致施工質量事故，在兩片菱形架外側設置纜風繩，進一步提高主桁架系統抗風性能。

2.2 靜止及行走狀態兼顧的行走系統精細化設計

工程技術人員往往注重掛籃固定靜態時的承載能力，較少注意掛籃在行走過程中的受力。

本項目掛籃行走系統的行走軌道按有豎向預應力和無豎向預應力兩種情況考慮，分別設置不同的固定方式。前者可以通過梁本身的豎向預應力筋進行錨固;后者主要是通過在梁側腹板兩側位置預留錨固孔洞進行錨固。通過計算在梁體兩側預留2個100mm的孔洞，將后錨件穿過預留的孔洞，利用螺母配合墊片進行固定。上端通過橫梁固定在已完工梁段的末端。以上措施為掛籃行走過程中提供了安全儲備。

2.3 模板系統的精細化設計

模板系統作為掛籃結構的重要組成部分，決定著混凝土結構的成型尺寸和外觀質量。直接使用市場的掛籃模板系統，會出現不合理、不經濟、不高效的問題。該項目模板系統根據模板的受力過程，在外模與底模支撐系統之間設置限位縱梁，調整支撐連接，使側模位置準確，并且使側吊架的受力通過底模和外模傳遞。外模提升梁的前端固定在前上橫梁上，后端懸掛在完工箱梁的表面，卸模時松開錨固端，隨著平臺下降和前移。內模板為專門定制，采用竹膠合板和方木板兩種材料制成的組合板。該模板內模的支撐結構可調整，并用拉桿與外模連接，使內模系統通過內滑梁實現整體移動。端模亦采用自制10mm鋼板，實現側模包端模方式，箱梁伸出端面采用結構鋼筋固定。

2.4 其他組成部分的精細化設計

本項目的主梁截面高，節段荷重，承載力大，懸吊吊桿系統在脫模和移模過程受到較大的沖擊和振動，并在施工過程中反復發生從而易導致疲勞斷裂，造成掛籃系統整體破壞。為了解決這一問題，本項目的吊桿系統采用PSB830鋼筋與鋼吊帶結合的形式。掛籃前后承重的吊帶采用鋼吊帶，外側的長吊桿為掛籃行走時的輔助結構，采用PSB830鋼筋，由提升裝置控制底托系統的標高。橫梁底支撐體系的底部縱梁與前后下橫梁焊接。在進行下一段混凝土澆筑時，將后下橫梁通過后吊桿固定在澆注好的梁底板上，同時將前吊桿連接在前下橫梁與前上梁之間。

3 掛籃的結構仿真受力驗算

本文在上述的精細化設計后，根據設計的荷載，考慮不同施工條件下，采用MidasCivil2017版結構仿真分析軟件對掛籃的設計進行仿真受力驗算，驗算其強度、剛度及穩定性。計算前，模擬掛籃幾何關系基于以下假設：（1）用梁單元模擬外架的每個桿件;（2）每個桿件用中性軸的空間位置表示相應模擬單元的幾何位置;（3）忽略相鄰桿件因搭接錯位而產生的微小偏移。計算過程中材料的主要技術參數見表1。

3.1 荷載組合及工況

根據橋梁設計參數，使用荷載組合1和2進行掛籃結構的強度、穩定性和抗傾覆驗算，所有荷載按照線載荷施加。在確定的荷載組織下，按實際施工進程，分4種具有代表性的工況進行驗算分析。

（1）作用于掛籃的荷載

①新澆混凝土荷載：澆筑梁段混凝土重量;

②模板自重：1.3kN/m2;

③掛籃自重：定義斷面尺寸取值;

④護欄自重：按1kN/m計算;

⑤施工機具及人群荷載：2.5kN/m2;

⑥傾倒和振搗混凝土荷載：4kN/m2;

⑦風荷載：按施工最大風力6級考慮，施加于最不利位置;

⑧掛籃沖擊荷載：0.3×掛籃自重;

⑨其他荷載：兜底防護按單支最大8000kN考慮。

（2）荷載組合

荷載組合1：1.2×（①+②+③+④+⑨）+1.4×（⑤+⑥+⑦）;

荷載組合2：掛籃行走，1.2×（②+③+④+⑨+⑦+⑧）;

荷載組合3：①+②+③+④+⑨。

其中：超載分項系數1.05、永久荷載分項系數1.2、可變荷載分項系數1.4、抗傾覆安全系數2、澆筑自錨固系統安全系數2。

（3）工況組合

工況一：1#梁混凝土施工完工，截面高度最大，混凝土重量最大。

工況二：9#梁混凝土施工完工，截面高度、長度和混凝土重量均較大。

工況三：16#梁混凝土澆筑成型，梁長最長，混凝土重量最大。

工況四：16#梁段完成，掛籃從16#～17#梁段行走距離最長。

3.2 掛籃各部分承擔荷載分析

根據精細化設計后分析掛籃各部分承擔荷載如下：

（1）外導梁和外滑梁將箱梁翼緣板混凝土和側模的重量分別傳至前一節已完工的箱梁翼板和掛籃主桁的前上橫梁。

（2）內滑梁將箱梁頂板混凝土、內模板支架和內模板的重量分別傳至上一節已完工的箱梁頂板和主桁處的前上橫梁。

（3）箱梁底板、腹板混凝土、底板的重量，由相應的底籃縱梁承擔，分別傳至上一節已完工的箱梁頂板和主桁處的前上橫梁。

采用條分法對以上荷載進行計算，按條分區域及梁段長度將腹板、底板、翼板荷載轉化為線荷載，最后分塊施加到對應縱梁及導梁上。條分區域如圖3所示。

3.3 掛籃仿真受力驗算

本文采用有限元分析程序MidasCivil進行仿真受力驗算。首先利用軟件對掛籃的主體構造進行三維空間分析和建模，然后將掛籃的總體結構定義為整體空間桁架模型，通過簡化計算，確定了界面尺寸和材料性能。各工況計算模型如圖4所示。

3.4 仿真受力驗算結果

不同工況下掛籃結構強度驗算結果見表2。由仿真受力驗算可知，計算組合應力最大值為荷載組合1及工況三情況下吊桿計算組合應力值250.4MPa，同時其計算拉應力也為最大值69.3MPa。由此可知，該情況下精細化設計的掛籃彈性變形最大，但滿足設計強度要求。計算剪切應力最大值為荷載組合1及工況一情況下底托系統計算剪切應力值為36.2MPa。通過分析掛籃施工中典型工況進行仿真受力驗算，不同工況下掛籃主桁架、吊桿、前上橫梁、底托系統等各部分強度均滿足設計強度要求。其中計算最大組合應力<設計抗彎強度205MPa，計算最大剪切應力<設計抗剪強度120MPa，計算最大拉應力<設計抗拉強度295MPa。

4 結語

根據紅水河特大橋掛籃施工的相關技術要點，通過精細化設計，在充分研究掛籃模板的使用要求和受力狀況后，對掛籃進行了4種工況下仿真受力驗算，得出了以下結論：

（1）針對多風條件下的主桁架系統、掛籃錨固靜止及行走狀態下的行走系統進行精細化設計，進一步提高掛籃抗風性能，為掛籃行走過程中提供了安全儲備。

（2）針對模板系統的精細化設計，通過設置限位縱梁使側模定位精準。內模模板采用專門定制竹膠板和方木組合板，端模亦采用自制10mm鋼板實現側模包端模方式，優化模板系統使其更合理、更經濟、更高效。

（3）由仿真受力驗算可知：荷載組合1及工況三情況下吊桿計算組合應力值最大為250.4MPa，同時其計算拉應力最大為69.3MPa;荷載組合1及工況一情況下底托系統計算剪切應力最大為36.2MPa。均滿足設計強度要求。

（4）由仿真受力驗算可知，不同工況下掛籃主桁架、吊桿、前上橫梁、底托系統等各部分強度均滿足設計強度要求，進一步驗證了精細化設計的可靠性和科學性，可為相似工程提供參考。

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