某特大橋掛籃施工階段力學性能研究

史民強，吳繼軍

（山西省公路工程監理技術咨詢有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著我國基礎設施建設的發展，大跨徑橋梁施工技術得到了長足的發展。隨著橋梁跨徑的增加，傳統的支架施工法已無法滿足實際工程的需求，因此懸臂施工法應運而生。懸臂施工法是指在橋墩兩側設置工作平臺，平衡地逐段向跨中懸臂澆筑或拼裝梁段，直至橋跨結構合龍的施工方法[1-3]。懸臂施工法中的支架主要有平行析架式、平弦無平衡重、桁架式、斜拉式等[4]，主要具有施工簡便、整體性好、力學性能優異的優點。隨著山區拱橋發展，采用懸臂澆筑法施工的技術特點解決了地形條件的影響，成為大跨度、深溝谷、地形陡峭地帶修建拱橋的首選方法。

本文以某特大橋懸臂施工棱形掛籃[5]為依托，建立Midas Civil有限元模型，考慮掛籃澆筑1號塊、7號塊，掛籃空載時工況，對掛籃各部件進行了詳細的力學行為驗算。

1 工程概況

某特大橋主橋上部結構體系為連續梁，上部結構采用單箱單室箱型截面。單個箱體頂板寬16.90 m，厚0.32 m；底板寬度8.90 m，腹板厚度由0.70 m在懸臂澆筑第9～10號段主梁的范圍內線形變化成0.55 m，橫橋向底板與頂板平行，腹板為鉛垂方向；箱梁在0號梁段梁高7.20 m，15號梁高3.0 m，箱梁梁高按1.8次拋物線變化。箱梁1～6號梁段為3.5 m長，7～14號梁段為4.0 m長，15號梁段為合龍段2 m，16號梁段389 m長。腹板厚度1～8號塊為0.7 m，11～15號塊為0.55 m，9～10號塊0.55 m到0.7 m不等；翼緣板長4.0 m，端部厚度0.20 m，根部厚度0.85 m。

該橋采用懸臂法施工，掛籃構造如圖1。掛籃每側腹板放置主桁架一片，中間用矩形空心鋼組焊而成的門架加強橫向聯系；主桁架前支點至后錨點距離4.61 m，至前吊點 5.00 m，主桁架采用高寬為400 mm×300 mm的矩形組合鋼板和拉板。底籃前后橫梁上下弦桿分別采用H390×300工字鋼、H200×100工字鋼制作，長度為18.00 m，腹桿采用I12工字鋼。外模系統均落于行走梁上，內、外導梁分別采用雙拼[36a槽鋼及雙拼[32a槽鋼組合截面。

圖1 掛籃構造圖

2 數值模型的建立

掛籃模型采用有限元軟件Midas Civil程序建立。利用有限元方法可以檢算出各部件的內力、位移等，并能方便直觀地顯示出掛籃的位移和應力。

用只受拉單元模擬鋼吊帶、螺紋鋼吊桿等，其他構件用梁單元模擬。掛籃主要構件材料為Q235B鋼材，Q345B鋼材，精軋螺紋鋼材料為φ32 PSB830。掛籃模型共計273個節點，400個單元，掛籃有限元模型見圖2所示。

圖2 掛籃有限元模型

3 強度驗算

3.1 計算工況

由于懸臂澆筑的梁段長度不同，取澆筑1號塊以及各澆筑長度混凝土自重最大的梁段對掛籃進行檢算。在各個施工階段中，為了順應梁底線形，需對照每個施工階段的變形測量值、計算值的差異，調整底模仰角，使得梁體線形與設計值相符。同時由于掛籃空載行走，錨固點發生變化，需進行檢算。靜力荷載工況劃分如下：

a）工況1 掛籃澆筑1號塊時，混凝土澆筑但未凝固，計算掛籃工作狀態的受力和變形。

b）工況2 掛籃澆筑7號塊時，混凝土澆筑但未凝固，計算掛籃工作狀態的受力和變形。

c）工況3（空載走行工況）掛籃空載走行前移時，僅承受自重，校核掛籃的變形。

3.2 荷載組合

分別考慮澆筑梁段混凝土和掛籃空載走行時的荷載組合，對掛籃結構強度進行檢算。當澆筑梁段時，掛籃系統承受梁段混凝土自重、掛籃系統自重、模板自重、施工機具、平臺及人群荷載、蒸養棚荷載。此外，施工過程中的混凝土振搗也會產生一定的動力荷載，但由于其相較于其他荷載而言所占比例較低，因此其對掛籃的設計不起控制作用，為簡化建模過程可選擇忽略此荷載。在進行荷載組合時，混凝土自重分項考慮1.05的超載系數，混凝土自重、掛籃總重、模板自重中均考慮1.2的動力增強系數，如下所示。

式中：QZ表示混凝土自重；QG表示掛籃總重；QN表示模板自重；wK表示風荷載；QS表示其他活荷載。

3.3 驗算依據

a）Q235B鋼 據《鋼結構設計規范》表4.4.1取：鋼材厚度小于等于16 mm，抗彎、拉、壓強度設計值fd=125 MPa；抗剪強度設計值fvd=125 MPa。

b）PSB830螺紋鋼筋 據《橋梁懸臂澆筑施工技術標準》表4.3.2取：抗拉強度fv=705 MPa。

3.4 驗算結果

依據上述有限元模型以及工況進行驗算，提取各荷載工況組合作用下的包絡應力圖，對各工況作用下掛籃各構件的最不利應力進行分析驗算。

3.4.1 底模前后橫梁驗算

底模橫梁上弦桿采用H390×300工字鋼（Q235B鋼材），下弦桿采用H200×100工字鋼（Q235B鋼材），腹桿采用I12（Q235B鋼材）。底模橫梁由Q235B鋼材組焊而成，彎曲檢算結果如圖3所示。

圖3 底模橫梁彎曲應力圖

由圖 3可知，最大彎曲應力：σ=75.6 MPa＜f=215 MPa。構件最大剪切應力：τ=81.7 MPa＜fv=125 MPa。可得出結論：底模橫梁強度計算值滿足規范要求，且最大應力小于角焊縫強度設計值=160 MPa，焊縫強度設計合理。

3.4.2 底模縱梁驗算

彎曲檢算結果如圖4所示。由圖4可知：最大彎曲應力σ=96.4 MPa＜f=215 MPa。同理可得，最大剪切應力τ=30.4 MPa＜fv=125 MPa。可見，底縱梁截面應力計算值小于允許值，且最大應力小于角焊縫強度設計值=160 MPa，焊縫強度設計合理，滿足設計規范要求。

圖4 底模縱梁彎曲應力圖

3.4.3 主桁架強度驗算

主桁架采用高寬為（400×300）mm的矩形組合鋼板及雙拼220×20 Q345B拉板組焊而成，拉板用以連接矩形組合鋼板的對角線。彎曲檢算結果如圖5所示。由圖可知：主桁架最大組合應力σ=36.25 MPa＜f=215 MPa，構件最大剪切應力 τ=39.5 MPa＜fv=125 MPa。可得到結論：主構件強度計算值滿足規范要求。

圖5 主桁架應力圖

3.4.4 上橫梁驗算

上橫梁承受前吊帶與螺紋鋼吊桿的豎向力作用，彎曲檢算結果如圖6所示。由圖6可知，最大彎曲應力σ=47.3 MPa＜f=215 MPa。同理可得，最大剪應力τ=32.9 MPa＜fv=125 MPa。可見，上橫梁強度計算值滿足要求，且最大應力小于角焊縫強度設計值=160 MPa，焊縫強度設計合理。

圖6 上橫梁彎曲應力圖

3.4.5 門架驗算

彎曲檢算結果如圖7所示。由圖7可知：最大組合應力σ=36.3 MPa＜f=215 MPa。同理可得，最大剪切應力τ=44.5 MPa＜fv=125 MPa。可見，門架強度計算值滿足規范要求。

圖7 橫聯門架應力

4 結語

本文以某特大橋懸臂施工棱形掛籃為依托，建立Midas Civil有限元模型，考慮掛籃澆筑1號塊、7號塊，掛籃空載時工況，對掛籃各部件進行了詳細的力學行為驗算，得出以下結論：

a）底模橫梁強度計算值滿足規范要求，且最大應力小于角焊縫強度設計值=160 MPa，焊縫強度設計合理，構件最大剪切應力τ=81.7 MPa＜fv=125 MPa，抗剪強度滿足設計要求。

b）底模縱梁強度計算值滿足規范要求，且最大應力小于角焊縫強度設計值，σ=96.4 MPa＜f=215 MPa，最大剪切應力τ=30.4 MPa＜fv=125 MPa，滿足設計規范要求。

c）主桁架最大組合應力彎曲應力為36.25 MPa＜f=215 MPa，最大剪切應力 τ=39.5 MPa＜fv=125 MPa，強度計算值滿足規范要求。

d）上橫梁強度計算值滿足要求，且最大應力小于角焊縫強度設計值=160 MPa，焊縫強度設計合理，最大彎曲應力σ=47.3 MPa＜f=215 MPa，構件最大剪切應力τ=32.9 MPa＜fv=125 MPa，強度滿足設計要求。

e）門架最大組合應力 σ=36.3 MPa＜f=215 MPa，最大剪切應力τ=44.5 MPa＜fv=125 MPa，抗剪強度設計值亦在控制數值之內，門架強度計算值滿足規范要求。