主跨248m掛籃吊帶及其節點精細化仿真分析與試驗研究

付勝利

摘要：為完善大跨度橋梁懸臂施工用掛籃吊帶及其節點分析方法，建立一種適用于掛籃細部的精細化分析方法。根據材料試驗得到塑性本構關系曲線，采用ABAQUS軟件，將吊帶、銷座、下橫梁底加強鋼板、槽鋼腹板與翼緣加強鋼板、銷軸及雙螺母等均進行實體建模，建立相接觸部分的接觸屬性，并選擇匹配的單元類型。通過吊帶及銷軸連接件加載試驗，驗證精細化仿真分析方法的有效性。將該方法用于掛籃吊帶及其節點的仿真分析，根據分析結果對掛籃的細部進行優化，將滿足規范要求的掛籃細部結構用于實際工程。工程實踐結果表明，優化后的掛籃結構安全可靠。

關鍵詞：掛籃施工；精細化仿真方法；吊帶節點；試驗驗證；優化設計

0? ?引言

掛籃主要由主桁架、錨固、懸吊、行走、模板及作業平臺等系統組成[1]。各組成部分中吊帶工作應力水平較高，對掛籃整體剛度的影響較大[2]，吊帶及其節點連接的可靠性對掛籃系統的安全性和整體變形起關鍵作用[3]。因此，對大跨度掛籃的吊帶及其節點進行仿真分析與應用研究以保證其具有足夠的的強度與剛度，具有重要理論與現實意義。

國內外大量學者對掛籃結構進行了仿真研究。方小林等[4]針對新型掛籃，運用Midas有限元軟件分析研究了各主要承重構件的最不利工況及受力特征，并對吊帶、弧形框架橫向聯系構件采用桁架單元模擬。李洪坤等[5]基于Midas/Civil驗算掛籃的強度和變形結構，采用在吊帶上加載翼緣和側模荷載的方式研究吊帶受力。靳會武等[6]依據規范對大橋超寬橋面工程以及掛籃施工過程各種荷載進行了分析，對掛籃方案在各種荷載作用下的響應，采用有限元軟件Midas/Civil進行仿真分析，找出掛籃結構受力較大或者變形較大對應位置和相應荷載組合，以計算結果為依據優化掛籃方案。張清川[7]使用MIDAS/Civil軟件對菱形掛籃結構進行三維仿真分析，模擬掛籃承受梁段荷載時各構件的強度與結構應力，由軟件計算吊帶承受的拉力和變形。李煒東[8]通過MADIS建模并對掛籃進行受力分析，通過對三角掛籃底籃各部件的受力情況進行分析，獲得對吊桿最不利的受力情況。方淑君等[9]基于Midas Civil軟件平臺，采用數值分析方法對三角形掛籃和菱形掛籃進行有限元計算，對比分析了兩種掛籃的剛度、強度和整體穩定性。

目前的研究大多針對掛籃結構利用Midas軟件進行整體計算，尚未發現對吊帶及其節點等細部進行的精細化分析與試驗研究的文獻。若能建立有效的掛籃細部的精細化分析方法，必將對懸臂施工用掛籃的安全性分析與優化設計等工作有重大作用。

基于此，本文進行掛籃吊帶及其節點的精細化仿真方法研究，建立了一套適用于掛籃細部的精細化分析方法。以淮北至宿州至蚌埠城際鐵路淮河特大橋跨淮河矮塔斜拉（124+248+124）m懸臂施工為工程背景，對懸臂施工用掛籃的吊帶及其銷軸連接件進行精細化建模與分析，并通過吊帶試驗對仿真分析結果進行了驗證。利用驗證后的仿真分析方法，對掛籃吊帶及其節點進行精細化分析與優化設計，并將優化后的掛籃吊帶及其節點用于實際應用。

1? ?工程概況

淮河特大橋（124+248+124）m矮塔斜拉橋，起訖樁號為DK156+431.58～156+929.08，橋梁全長497.5m。采用塔梁固結體系，主塔最高47.1m，主墩橋墩高27.5m、28m；主橋橋面總寬度14.3m。斜拉橋主梁采用掛籃懸臂現澆的方式進行施工，掛籃系統構造如圖1所示。

主桁架為菱形，橫橋向每側腹板放置菱形主桁架一片，共3片主桁架，間距5.3m。吊帶及銷座材料均采用Q345B（16Mn）鋼材，吊帶截面尺寸160mm×36mm；銷座采用雙拼[22b槽鋼，并采用16mm腹板加勁肋進行加強，采用12mm厚鋼板加強翼緣。每個銷座均采用3個銷軸進行連接，其中1個對吊帶進行連接，銷孔直徑54mm，銷軸直徑50mm，采專用雙螺母，銷軸及螺母采用40Cr鋼材。吊帶及銷座結構如圖2所示。

2? ?精細化仿真分析方法與試驗驗證

2.1? ?仿真分析方法

采用ABAQUS軟件，對吊帶連接及扁擔梁進行精細化建模分析。將吊帶、銷座、下橫梁底加強鋼板、槽鋼腹板與翼緣加強鋼板、銷軸及雙螺母等均進行實體建模，并建立相接觸部分的相互作用。

鋼材牌號為Q345B鋼材，采用理想彈塑性模型，彈性模量按E_s1=2.06×10⁵MPa，泊松比取0.3，屈服強度按345MPa計算，根據材料試驗得到塑性本構關系曲線如圖3所示。鋼材構件均采用三維8節點縮減積分單元（C3D8R），單元尺度100mm。接觸構件之間采用接觸方式，法向采用硬接觸。

2.2? ?吊帶及銷軸連接件仿真與試驗驗證

為驗證仿真分析方法的有效性，特進行吊帶及銷軸連接件仿真與加載試驗。研究對象為4塊耳板（截面尺寸同初次設計時吊帶截面160mm×36mm，長度均為50cm）與兩根貝雷銷（銷孔直徑54mm，銷軸直徑50mm）組裝而成的連接件。共進行3組連接件軸拉試驗，采用200t拉力機。連接件軸拉加載試驗如圖4。

對3組連接件進行拉伸試驗，第1組與第2組連接件試驗結果如圖5所示，第3組連接件試驗結果如圖6所示。

根據試驗結果，第1組加載至1600kN時終止試驗，貝雷銷出現明顯彎曲變形，最大變形值為19.9mm，未發生剪切破壞；耳板銷孔發生明顯變形，最大變形值為26.9mm。

第2組加載至1600kN時終止試驗，貝雷銷出現明顯彎曲變形，最大變形值為20.1mm，未發生剪切破壞；耳板銷孔發生明顯變形，最大變形值為26.5mm。

第3組加載至1579kN時，貝雷銷突然出現剪切破壞，試驗終止，耳板銷孔發生明顯變形，最大變形值為25.1mm。

不考慮第3組的異常情況，取第1和第2組結果的平均值，耳板銷孔最大平均變形值為26.7mm，貝雷銷最大平均變形值為20.0mm。

仿真分析加載到160t時，耳板及貝雷銷變形結果如圖7所示。由圖7可知，耳板銷孔發生明顯變形，最大變形值為26.7mm，與試驗最大平均值相等。貝雷銷出現明顯彎曲變形，最大變形值為19.8mm，與試驗最大平均值相差0.2mm，誤差僅為1%。

試驗與仿真分析的荷載-變形曲線如圖8所示。由圖8可知，仿真分析與試驗的荷載-變形曲線比較吻合，最大誤差僅為1.5%。綜上所述，本文所建立的掛籃細部的精細化分析方法是有效的。

3? ?掛籃吊帶及其節點仿真分析

按所建立的細部仿真分析方法，建立掛籃吊帶及其節點的精細化模型，如圖9所示。對掛籃進行整體結構計算，得到吊帶所受軸力為792.9kN，將其施加在吊帶端部，進行計算分析。

3.1? ?初次設計時吊帶及銷軸的仿真結果

初次設計時，仿真分析在計算工況下吊帶的Mises應力及剪應力如圖10所示。由圖10可知，吊帶最大Mises應力為307.3MPa，＞?（295MPa），不滿足要求。吊帶的最大剪切應力為95.92MPa，＜?_v（170MPa），滿足要求。

此時銷軸的Mises應力及剪應力如圖11所示。由圖11可知，銷軸最大Mises應力為401.3MPa，＜?_t^b（500MPa），滿足要求。銷軸的最大剪切應力為196.3MPa，＜?_v^b（310MPa），滿足要求。

由此說明，原設計的吊帶與雙拼[22b槽鋼不滿足安全性要求。為此對原設計進行了改進，并進行仿真分析。

3.2? ?優化設計后仿真分析結果

優化設計后，吊帶及銷座材料均采用Q345B（16Mn）鋼材，吊帶截面尺寸180mm×40mm。銷座采用雙拼[25b槽鋼，并采用16mm腹板加勁肋進行加強。采用12mm厚鋼板加強翼緣。每個銷座均采用3個銷軸進行連接，其中1個對吊帶進行連接，銷孔直徑為63mm，銷軸直徑為60mm。采用專用雙螺母，螺母尺寸相應增大，銷軸及螺母采用40Cr鋼材。吊帶及銷座結構如圖12所示。

按細部仿真分析方法，建立優化后掛籃的精細化仿真分析模型，并對吊帶、雙拼[25b槽鋼、下橫梁底加強鋼板、槽鋼腹板加強鋼板、槽鋼翼緣加強鋼板、銷軸及雙螺母進行分析。

計算工況下，吊帶的Mises應力與剪應力如圖13所示。由圖13可知，吊帶最大Mises應力為243.8MPa，＜?（295MPa），滿足要求。吊帶的最大剪切應力為76.36MPa，＜?_v（170MPa），滿足要求。

計算工況下，雙拼[25b槽鋼的Mises應力與剪應力如圖14所示。由圖14可知，雙拼[25b槽鋼最大Mises應力為245.8MPa，＜?（305MPa），滿足要求。雙拼[25b槽鋼的最大剪切應力為116.6MPa，＜?_v（175MPa），滿足要求。

計算工況下，下橫梁底加強鋼板的Mises應力與剪應力如圖15所示。由圖15可知，下橫梁底加強鋼板最大Mises應力為65.50MPa，＜?（305MPa），滿足要求。下橫梁底加強鋼板的最大剪切應力為10.04MPa，＜?_v（175MPa），滿足要求。

計算工況下，槽鋼腹板加強鋼板的Mises應力與剪應力如圖16所示。由圖16可知，槽鋼腹板加強鋼板最大Mises應力為101.8MPa，＜?（305MPa），滿足要求。槽鋼腹板加強鋼板的最大剪切應力為45.92MPa，＜?_v（175MPa），滿足要求。

計算工況下，槽鋼翼緣加強鋼板的Mises應力與剪應力如圖17所示。由圖17可知，槽鋼翼緣加強鋼板最大Mises應力為100.6MPa，＜?（305MPa），滿足要求。槽鋼翼緣加強鋼板的最大剪切應力為14.64MPa，＜?_v （175MPa），滿足要求。

計算工況下，銷軸的Mises應力與剪應力如圖18所示。由圖18可知，銷軸最大Mises應力為300.8MPa，＜?_t^b（500MPa），滿足要求。銷軸的最大剪切應力為142.3MPa，＜?_v^b（310MPa），滿足要求。

計算工況下，雙螺母的Mises應力與剪應力如圖19所示。由圖19可知，雙螺母最大Mises應力為51.30MPa，＜?_t^b（500MPa），滿足要求。雙螺母的最大剪切應力為24.52MPa，＜?_v^b（310MPa），滿足要求。

綜上所述，吊帶、雙拼[22b槽鋼、下橫梁底加強鋼板、槽鋼腹板與翼緣加強鋼板、銷軸及雙螺母等均滿足求。

4? ?結束語

為完善大跨度橋梁懸臂施工用掛籃吊帶及其節點分析方法，本文建立一種適用于掛籃細部的精細化分析方法。將該方法用于掛籃吊帶及其節點的仿真分析，根據分析結果對掛籃的細部進行優化，將滿足規范要求的掛籃細部結構用于實際工程。得到的結論如下：

懸臂施工用掛籃的細部安全性非常重要，應用之前需要進行細部精細化分析，以保證“強節點”的要求。對掛籃細部精細化分析，需要根據材料試驗得到其塑性本構關系曲線。對各構件進行實體建模，建立相接觸部分的接觸屬性，并選擇匹配的單元類型。接觸構件之間采用接觸方式，法向采用硬接觸。取部分構件采取仿真分析方法進行試驗驗證，方法有效性經過驗證之后，方可對掛籃細部進行仿真分析及優化設計。工程應用表明，利用本文方法分析的掛籃細部結構在施工過程中安全可靠。

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