菱形掛籃懸澆施工關鍵結構施工受力分析

0 引言

掛籃是一種應用于橋梁懸臂澆筑施工的臨時性支撐結構，其主要由主桁架、前上橫梁、導梁、底籃平臺和橫向連接系等組成[1]。其優勢在于可不搭設腳手架懸臂澆筑混凝土，能夠有效減少對水面、道路或復雜地形的干擾，因而成為跨河、跨峽谷或高架橋梁施工的理想選擇[2]。掛籃作為一種懸臂式施工設備，在荷載作用下易產生變形、位移或不穩定，若控制不當可能導致結構受力異常、施工精度下降甚至安全事故。

掛籃穩定性直接影響混凝土澆筑的線形、橋梁的整體結構性能以及施工過程的安全性。目前，國內有諸多學者針對掛籃結構安全穩定性進行了研究。方淑君[3建立菱形掛籃與三角掛籃有限元分析模型，對比研究了兩者強度、剛度及穩定性差異。靳會武[4建立了鎮山大橋掛籃施工各種工況，進行了掛籃施工受力分析并優化了掛籃結構。吳月星[5建立了夜郎湖大橋掛籃整體及節段模型，研究了掛籃及拱圈局部受力性能。本文結合工程實踐，針對施工中菱形掛籃整體強度與剛度驗算進行研究，并對掛籃施工安全進行分析。

1菱形掛籃關鍵受力部位確定

菱形掛籃的關鍵受力特性主要體現在主桁架及桁架系統、懸吊系統、底籃系統、導梁和前下橫梁等部位。主桁架及桁架系統需應對節點復雜的多向力傳遞，防止局部應力集中。懸吊系統需具備足夠的抗拔和抗滑能力，以此保證掛籃的整體安全性與穩定性。底籃系統則承載施工荷載并分散至桁架，易產生局部撓曲變形。導梁承受施工荷載彎矩與剪力，以保證懸挑結構的穩定性。前下橫梁作為傳力的關鍵構件承受懸臂荷載的彎矩與扭矩。掛籃結構示意圖如圖1所示。

2有限元模型建立

2.1建立計算模型

采用桿系單元建立模型，并基于掛籃構件設計圖紙，賦予桿系單元截面尺寸，在不改變結構承載性能的前提下，簡化截面，提高計算效率。

2.2邊界條件設置

約束邊界條件分為兩部分：一部分為掛籃主桁約束，采用完全約束，定義于主桁下弦桿節點；第二部分為吊點及中支點約束，采用完全約束，定義于導梁頂板吊點、底托梁底板吊點。模型約束及荷載分布如圖2所示。

2.3 荷載工況

2.3.1 梁段結構

主橋變截面預應力混凝土連續箱梁的0#塊長 12m高6.2m，1#最大節段質量為289.4t，梁段布置如圖3所示。自1#節段起，均采用菱形掛籃施工。本文選取質量最大的1#梁段，對其懸澆施工進行驗算。

2.3.2 荷載模擬

箱梁翼板荷載主要作用于外導梁，采用線荷載進行模擬，荷載包括翼板混凝土質量及外側模自身質量。箱梁頂板荷載主要作用于內導梁，同樣施加線荷載模擬，荷載包括箱梁頂板混凝土質量及內模自身質量。底模承受箱梁鋼筋混凝土荷載，傳遞至掛籃縱梁，為簡化計算，將最大節段梁體重量轉換為線荷載，使其作用于底縱梁。

2.3.3 荷載工況設定

荷載工況為掛籃施工過程中的全過程荷載，即混凝土 + 掛籃 + 模板自身質量 + 人群及機具荷載。施工過程中，將1#梁段施工工況認定為掛籃施工的最不利荷載工況，1#梁段分塊如圖4所示，各分塊質量如表1所示。

施工機具及人群荷載為 2.5kN/m ，傾倒混凝土產生的荷載 2kN/m ，振搗混凝土產生的荷載 2kN/m ，風載荷按工程地50年不遇大風和最不利位置加載。箱梁混凝土澆筑時脹模等超載系數取1.05，空載行走時沖擊系數取1.3，抗傾覆穩定系數取2.0，自錨固系統安全系數取2.0，恒載分項系數取1.5，活載分項系數取1.3。

3有限元結果分析

3.1菱形掛籃構件強度分析

主構架、桁架系統受力如圖5所示。桁架系統為非對稱結構，其兩側主構架布置點的桿件構造呈反對稱，因此桁架系統與主構架受力出現非對稱情況，但總體應力水平較小，主構架、桁架系統最大應力分別為21.6MPa、4.6MPa.。

在菱形掛籃施工過程中，懸吊系統承擔掛籃施工中的大部分荷載，后吊桿由于掛籃后橫梁兩端存在約束，總體應力水平較小。前吊桿則直接承受掛籃前橫梁荷載，最大應力111.2MPa，兩束位于掛籃跨中處。懸吊系統受力如圖6所示。底籃直接承受施工荷載，最大應力為32.5MPa ，位于底籃前橫梁跨中處，即前吊桿最大應力位置，符合實際施工工況。底籃系統受力如圖7所示。

導梁系統承擔箱梁翼板混凝土及模板質量，最大應力16.3MPa，導梁系統受力如圖8所示。前上橫梁承擔吊桿的傳力，最大應力 70.1MPa ，位于前上橫梁跨中處，與底籃前橫梁情況相同。前上橫梁受力如圖9所示。

綜上所述，各構件最大應力均未超過材料強度極限值275MPa，滿足規范要求，確保了掛籃施工過程中的安全性與可靠性。

3.2菱形掛籃構件剛度分析

結構剛度計算結果如圖10所示。從圖10可以看出，主構架構件變形呈對稱分布，其最大變形量為 2.5mm 。而桁架系統因其為非對稱結構，其構件位移為非對稱分布狀態，但最大變形值較小，僅為 0.25mm 。

在掛籃施工荷載工況下，底籃系統作為施工荷載直接作用的構件，其承受的荷載直接作用效應顯著，因此產生了全結構中的最大位移值11.2mm。而由于施工荷載通過掛籃結構向下傳導，前吊桿作為懸吊系統中承接荷載的關鍵部位，其位移值相對較大，最大值達到10.6mm。

導梁系統與前橫梁最大位移值分別為3.7mm、4.4mm，相較于底籃系統和前吊桿，其位移值較小，說明這兩個構件在整體剛度體系中穩定性較高，變形控制良好。綜上所述，構件最大位移值均滿足設計規范要求，整體剛度滿足使用要求。

4結論

本文圍繞懸臂澆筑施工中菱形掛籃的結構性能，對其強度和剛度進行了詳細的驗算和分析，旨在確保掛籃在施工過程中的安全性和可靠性，具體研究成果如下：

1）基于Abaqus有限元分析軟件，對掛籃施工過程中強度與剛度進行模擬驗算。結果表明，各構件在施工荷載組合下的應力均小于材料許用應力，滿足設計規范的強度要求。最大豎向變形值位于底籃系統橫梁跨中為11.2mm ，整體剛度符合使用要求。

2）在強度驗算中，掛籃吊桿系統所受荷載較大，尤其是前吊桿。在整體施工驗算過程中，前吊桿最大應力值為111.2MPa，遠大于其他構件。建議在后續設計中，需要優化吊桿材料，提高承載能力，保證施工安全。

3）在剛度驗算中，底籃系統作為施工荷載的直接承載構件，其最大位移值為 11.2mm ，相較于其他構件較大，且靠近前吊桿側，易導致施工過程中底籃傾覆，嚴重影響施工安全。對此可采用提高底籃系統剛度、增加底籃縱梁數量或截面等方式，有效提升底籃系統整體剛度，增強結構抗變形能力。

參考文獻

[1]李操.混凝土連續梁橋懸臂澆筑工藝與線形控制分析[].低溫建筑技術，2020，42（9）：127-130.

[2]李強，嚴軍.變截面連續梁掛籃懸臂澆筑與大節段支架現澆施工技術分析[J].四川水力發電，2021，40（5）：22-27.

[3]方淑君，楊耀，阮翔，等.三角形掛籃和菱形掛籃有限元對比分析[J].公路工程，2017，42（1）：55-59.

[4]靳會武，周春華，陳占明.鎮山大橋 44m 寬橋面掛籃施工技術[J].公路，2019，64（11）：147-152.

[5]吳月星，嚴仁章，劉增武，等.夜郎湖大橋主拱圈懸臂澆筑施工掛籃優化分析[J].橋梁建設，2019，49（4）：102-107.