菱形掛籃和鋼管支架的動態受力性能分析

王殿偉

(中國鐵建大橋工程局集團有限公司，天津 300300)

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菱形掛籃和鋼管支架的動態受力性能分析

王殿偉

(中國鐵建大橋工程局集團有限公司，天津 300300)

摘要:以洞庭湖特大橋君山岸引橋為實例，主跨為(75+3×120+75)m五跨變截面預應力混凝土連續箱梁，建立菱形掛籃和鋼管支架的Midas空間有限元模型，考慮動力沖擊系數模擬動態施工過程，分析菱形掛籃和鋼管支架的變形和強度特征。結果表明，掛籃底前橫梁最大變形值為17.05 mm，滿足規范要求；主桁架可簡化為平面桁架結構計算桿件內力，橫梁和底縱梁均可簡化為平面梁單元結構計算桿件內力；主桁架、橫梁和底縱梁的壓應力和拉應力均滿足要求，且富裕度較大。鋼管支架結構最大變形值的數值結果為5～7.5 mm，與現場支架預壓數據較吻合；鋼管支架結構主要受力構件為鋼管，橫撐和斜撐受力較小。

關鍵詞：連續梁橋；臨時結構；菱形掛籃；鋼管支架；數值分析

1工程概況

洞庭湖特大橋位于湖南省岳陽市，由君山區向東南方向跨越洞庭湖與長江相連接的出口處，其中君山岸引橋連接主橋段采用(75+3×120+75)m預應力混凝土連續梁，主梁采用變高度預應力混凝土單箱單室直腹板箱梁。梁高采用1.8次拋物線變化。箱梁中支點梁高12.0 m，端支點及跨中梁高7.0 m；頂板寬度為12.3 m，厚0.40 m；底板寬度為6.6 m，底板厚0.52～1.2 m，腹板厚0.6～1.0 m，翼緣板厚為0.30～0.70 m。箱梁在支點處設橫隔墻，端隔墻厚度為2.0 m，中隔墻厚度為3.0 m；箱梁截面如圖1所示。箱梁采用縱向、豎向兩向預應力體系，箱梁支點處設置橫向預應力。懸臂施工采用菱形掛籃，邊跨現澆段施工采用鋼管支架支撐體系。

單位：mm圖1　箱梁截面Fig.1 Cross section of box girder

2菱形掛籃結構動態受力性能分析

2.1菱形掛籃概況

施工掛籃采用菱形掛籃，按照設計圖紙加工制作完成，菱型掛籃主要由主桁、前上橫梁、前下橫梁、后下橫梁、底模平臺、側模、底模、外導梁及吊掛、吊帶系統、各類墊梁、后錨固、走道梁等組成；該掛籃承載能力和剛度大，機械化程度高，操作方便快捷、安全可靠。掛籃外模采用鋼模，內模采用木模結構。掛籃模板在專業工廠分塊制作后，在墩位處組拼成整體，拼裝就位。菱形掛籃結構圖如圖2所示。

單位：mm圖2　菱形掛籃立面圖Fig.2 Solid diagram of rhombic hanging basket

2.2有限元模型

運用有限元軟件Midas/civil建立菱形掛籃的空間有限元模型，施工荷載模擬考慮1.3的動力沖擊系數模擬動態施工過程，對其受力性能進行全面的數值分析計算。有限元模型對結構作以下假定：該結構采用2節點空間梁單元；主桁架后支點和前支點采用一般支承的邊界條件；上橫梁與主桁之間采用彈性連接，底縱梁與下橫梁之間采用彈性連接；吊帶單元釋放梁端約束[1](見圖3)。

圖3　菱形掛籃有限元模型Fig.3 FEM of rhombic hanging basket

2.3菱形掛籃結構受力分析

2.3.1主桁結構

菱形掛籃的主要承重結構是2片菱形桁架，每片桁架由5 根受力桿件銷結而成，形成桁架受力結構承受前懸吊所產生的荷載。對菱形掛籃預懸臂施工過程最不利工況進行模擬計算，得到掛籃主桁各桿件內力值和應力值。主桁構件彎矩圖、軸力圖如圖4所示，內力和應力計算結果如表1所示。

(a)彎矩圖；(b)軸力圖圖4　菱形掛籃主桁結構內力圖Fig.4 Internal force diagram of main truss on rhombic hanging basket

Table 1 Internal force and stress values of main truss on rhombic hanging basket

桿件名稱彎矩/(kN·m)軸力/kN應力/MPa1號桿件14.2507.365.32號桿件4.2-294.1-37.03號桿件-15.2-508.8-66.74號桿件-19.4-420.6-62.55號桿件-14.3421.856.9

注：“+”代表受拉，“-”代表受壓。

由表1數據可知，掛籃主桁結構主要受軸力，所受彎矩較小，結構受力特征明確。由圖4可知，主桁架均可簡化為平面桁架結構計算桿件內力，對各桿件按受拉受壓分別進行計算，故施工現場的技術人員進行掛籃驗算時可用結構力學求解器或自己手算對掛籃結構分解求解，能很好地反映掛籃的實際受力情況。主桁結構最大拉應力和最大壓應力大小相近，由計算可得橫梁梁長細比為66.3，查表可得穩定系數φ為0.791，最大拉應力值為65.3 MPa<φ×235=185.9 MPa，滿足要求；最大壓應力為66.7 MPa<φ×235=185.9 MPa，滿足要求[4-5]。

2.3.2橫梁結構

對菱形掛籃預懸臂施工過程最不利工況進行模擬計算，得到掛籃橫梁各桿件內力值和應力值。底前橫梁構件的彎矩圖、軸力圖如圖5所示，前上橫梁、底前橫梁和底后橫梁的內力和應力計算結果如表2所示。

(a)彎矩圖；(b)軸力圖圖5　菱形掛籃橫梁結構內力圖Fig.5 Internal force diagram of cross beam on rhombic hanging basket

Table 2 Internal force and stress values of cross beam on rhombic hanging basket

桿件名稱彎矩/(kN·m)軸力/kN應力/MPa上前橫梁-117.50-44.6底前橫梁88.70.647.6底后橫梁-91.9-0.7-46.0

注：“+”代表受拉，“-”代表受壓。

由表2數據可知，掛籃橫梁結構受力主要受彎矩影響，所受軸力幾乎為0 ，上前橫梁所受彎矩最大。由圖5可知，結構受力特征明確，橫梁均可簡化為平面梁單元結構計算桿件內力。橫梁結構最大拉應力和最大壓應力大小相近，由計算可得橫梁梁長細比為77.4，查表可得穩定系數φ為0.736，最大拉應力值為47.6 MPa<φ×235=173.0 MPa，滿足要求；最大壓應力為46.0 MPa<φ×235=173.0 MPa，滿足要求[6]。

2.3.3底縱梁結構

對菱形掛籃預懸臂施工過程最不利工況進行模擬計算，得到掛籃底縱梁各桿件內力值和應力值。腹板下方底縱梁彎矩圖、軸力圖如圖6所示，各底縱梁內力和應力計算結果如表3所示。

(a)彎矩圖；(b)軸力圖圖6　菱形掛籃底縱梁結構內力圖Fig.6 Internal force diagram of bottom longitudinal beam on rhombic hanging basket

Table 3 Internal force and stress values of bottom longitudinal beam on rhombic hanging basket

桿件名稱彎矩/(kN·m)軸力/kN應力/MPa1號縱梁61.52.078.22號縱梁66.0-0.8-83.93號縱梁67.51.486.14號縱梁69.62.188.95號縱梁79.83.5-101.3

注：“+”代表受拉，“-”代表受壓。

由表3數據可知，掛籃底縱梁結構受力主要受彎矩影響，所受軸力幾乎為0 ，腹板下方底縱梁所受彎矩最大。由圖6可知，結構受力特征明確，底縱梁均可簡化為平面梁單元結構計算桿件內力。底縱梁結構既有受拉桿件又有受壓桿件，并且沿底橫梁方向間隔出現，與主桁結構和橫梁結構相比，縱梁的應力最大；由計算可得底縱梁長細比為39.5，查表可得穩定系數φ為0.887，最大拉應力為88.9 MPa<φ×235=208.4 MPa，滿足要求；最大壓應力為101.3 MPa<φ×235=208.4 MPa，滿足要求。2.4菱形掛籃結構變形分析

對菱形掛籃預懸臂施工過程最不利工況進行模擬計算，只考慮彈性變形，計算得到掛籃各個桿件的變形值，從有限元分析和以往的施工經驗可知，菱形掛籃結構的最大變形出現在橫梁處，故將橫梁變形值重點分析[2]。菱形掛籃上前橫梁、底前橫梁和底后橫梁的變形結果如表4所示，變形趨勢圖如圖7所示。

表4菱形掛籃橫梁變形值

Table 4 Deformation value of cross beam on rhombic hanging basket

桿件節點1節點2節點3節點4節點5上前橫梁9.849.599.268.698.80底前橫梁17.0516.4914.8813.4712.12底后橫梁1.772.213.094.615.42

(a)前上橫梁變形圖；(b)底后橫梁變形圖(c)底前橫梁變形圖圖7　菱形掛籃橫梁變形圖Fig.7 Deformation graph of cross beam on rhombic hanging basket

通過以上計算結果，可以進行橫梁的變形分析。由表4數據可知，底前橫梁的變形最大，其最大變形值為17.05 mm；底后橫梁的變形值最小，其最大變形值為5.42 mm。根據《公路橋涵施工技術規范》實施手冊(JTGT F50—2011)第16.5.1條，掛籃的最大變形(包括吊帶變形的總和)應不大于20 mm，本工程菱形掛籃最大變形值17.05<20 mm，滿足規范要求[3]。

3鋼管支架結構動態受力性能分析

3.1鋼管支架概況

邊跨直線段18號塊長13.55 m，節段重7 291 kN；邊跨直線段19號塊長13.9 m，節段重7 441 kN。邊跨直線段箱梁采用支架現澆法施工，支架布置形式采用雙排架形式。鋼管柱支架搭設后，須設縱、橫向斜桿聯接系，以確保鋼管柱支架結構穩定。鋼管支架結構圖如圖8所示。

單位：mm圖8　鋼管支架結構圖Fig.8 Structure diagram of steel pipe support

3.2有限元模型

運用有限元軟件Midas/civil建立鋼管支架的空間有限元模型，施工荷載模擬考慮1.3的動力沖擊系數模擬動態施工過程，對其受力性能進行全面的數值分析計算。有限元模型對結構作以下假定：該結構采用2節點空間梁單元；鋼管底部和鋼管側向型鋼采用一般支承的邊界條件；橫撐與鋼管之間采用節點剛接(見圖9)。

圖9　鋼管支架結構有限元模型Fig.9 FEM of steel pipe support

3.3鋼管支架結構變形分析

對邊跨現澆段施工過程最不利工況進行模擬計算，計算得到鋼管支架各個桿件的變形值，變形趨勢圖如圖10所示。

單位：mm(a)縱橋向；(b)橫橋向圖10　鋼管支架結構變形圖Fig.10 Deformation graph of steel pipe support

根據以往施工經驗，鋼管支架的鋼管變形大小比較關鍵，通過圖10可知，靠近邊墩的鋼管變形最大值為7.378 mm，遠離邊墩的鋼管變形最大值為5.309 mm，滿足規范要求；由于近墩處鋼管設置的是2根，遠墩處鋼管設置的是3根，所以近墩處鋼管變形最大值比遠墩處鋼管大了2 mm；現場鋼管支架預壓所測得的鋼管變形最大值在5～6 mm范圍，與有限元結果較為吻合，說明有限元模型能很好的反映結構的實際變形[7-8]。

3.4鋼管支架結構受力分析

通過對邊跨現澆段施工過程最不利工況進行模擬計算，計算得到鋼管支架各桿件的軸力、彎矩和應力，鋼管支架的軸力圖和彎矩圖如圖11所示，計算結果如表5所示。

(a)鋼管支架軸力；(b)鋼管支架彎矩圖圖11　鋼管支架內力圖Fig.11 Internal force diagram of steel pipe support

桿件名稱彎矩/(kN·m)軸力/kN應力/MPa近墩鋼管26.2-1825-84.4遠墩鋼管9.2-1217-55橫橋向橫撐3.93.525.2縱橋向橫撐2.8-27.1-26.8橫橋向斜撐-0.8-6.1-7.1縱橋向斜撐0.836.418.0

注：“+”代表受拉，“-”代表受壓。

分析上述有限元計算結果，可得到如下結論：由軸力圖11可知，鋼管支架結構主要受力構件為鋼管，橫撐和斜撐受力較小；由表5可知，鋼管受軸力較大，所受彎矩較小。由計算可得鋼管長細比為6.86，查表可得穩定系數φ為0.982，應力最大值為84.4 MPa<φ×235=230.8 MPa，滿足要求；橫橋向的橫撐和斜撐受力比縱橋向橫撐和斜撐小，故對于此支架結構而言，縱橋向的橫撐和斜撐比橫橋向的橫撐和斜撐重要[9-10]。

4結論

1) 數據結果表明，底前橫梁的變形最大，其最大變形值為17.05 mm，滿足規范要求。菱形掛籃結構受力特征明確，主桁架可簡化為平面桁架結構計算桿件內力，橫梁和底縱梁均可簡化為平面梁單元結構計算桿件內力。掛籃結構的壓應力和拉應力均滿足要求，且富裕度較大。

2)鋼管支架結構最大變形值的數值結果為5～7.5 mm，現場鋼管支架預壓所測得的鋼管變形最大值在5～6 mm之間，與有限元結果較為吻合，說明有限元模型能很好的反映結構的實際變形。鋼管支架結構主要受力構件為鋼管，橫撐和斜撐受力較小，各桿件應力滿足要求。

參考文獻:

[1] 張艷芝．三種桁架式掛籃受力性能研究[D].重慶：重慶交通大學，2009.

ZHANG Yanzhi. Research on mechanical behaviars of three truss type form traveler[D].Chongqing: Chongqing Jiaotong University, 2009.

[2] 龍秋亮.箱梁橋菱形掛籃施工技術及預壓加載分析[J].湖南交通科技，2014，40(3)：114-118.

LONG Qiuliang. Construction technology of diamond shaped hanging basket of box girder bridge and analysis of preloading load [J]. Hunan traffic science and technology, 2014, 40 (3): 114-118.

[3] JTGT F50—2011 ,《公路橋涵施工技術規范》實施手冊[S].

JTGT F50—2011, Application handbook of technology specification for construction of highway bridge and culvert[S].

[4] 閻麗斌.菱形掛籃設計與檢算[J].山西建筑，2005,31(24): 73-74.

YAN Libin. The design and checking calculation of rhombic hanging basket[J].Shanxi Architecture, 2005, 31(24): 73-74.

[5] 鄒政權，金立陳.菱形掛籃施工設計及受力性能分析[J].北方交通，2015(10):28-36.

ZOU Zhengquan, JIN Lichen. Construction design and loaded property analysis of diamond hanging basket[J]. Beifang Jiaotong, 2015(10): 28-36.

[6] 趙金祥.嘉紹跨海大橋北副航道橋掛籃設計[J].橋梁建設，2013，43(2)：116-120．

ZHAO Jinxiang. Design of from travelers for north auxiliary shipping channel bridge of Jiashao Sea-Crossing Bridge[J].Bridge Construction, 2013, 43(2):116-120．

[7] 余定軍，周明生.鋼管樁支架在小半徑大橫坡現澆箱梁施工中的應用[J].水運工程，2010(12):144-148.

YU Dingjun, ZHOU Mingsheng. Application of steel pipe pile support in small-radius and large-transverse-slope cast-in-place box beam construction[J].Port and Waterway Engineering, 2010(12):144-148.

[8] 蔡新民，孫玉祥.現澆箱梁裝配式超高支架施工質量控制[J].水運工程，2010(8):143-146.

CAI Xinmin, SUN Yuxiang. Construction quality control of super-high supporting frame for the cast-in-situ box girder[J].Port and Waterway Engineering, 2010(8): 143-146.

[9] 易達，毛其峰，季黎黎.超高臨時鋼管支架施工比較分析[J].施工技術，2012，41(增2):156-159.

YI Da, MAO Qifeng, JI Lili. Construction Comparison and Analysis of Super-high Temporary Steel Pipe Support[J].Construction Technology, 2012，41(Suppl 2):156-159.

[10] 陳代云.超高現澆箱梁支架設計與施工技術[J].西部交通科技，2013(1):38-44.

CHEN Daiyun. Bracket design and construction technology of ultra-high cast-in-place box girder[J].Western China Construction Science and Technology, 2013(1):38-44.

Dynamic stress performance analysis of rhombic hanging basket and steel pipe supportWANG Dianwei

(China Railway Construction Bridge Engineering Bureau, Tianjin 300300,China)

Abstract:According to the approach bridge of Dongting Lake bridge with the main spans of (75+3×120+75)m, this article built the finite element model of rhombic hanging basket and steel pipe support to simulate the dynamic construction process which considers impact coefficient. The deformation and strength characteristics of rhombic hanging basket and steel pipe support was then analyzed. The results show that:The maximum deformation value of the front beam of the hanging basket is 17.05 mm, which meets the requirements of the code; Main truss can be simplified as plane truss structure to calculate internal forces, and cross beam and the bottom longitudinal beam can be simplified as plane beam element structure; The compressive and tensile stress of the main truss, cross beam and bottom longitudinal can meet the requirements with a large degree of prosperity. The numerical results of the maximum deformation value of steel pipe support are 5～7.5 mm, which is in good agreement with the data of preloading; The steel pipe is the main bearing member of the steel pipe support, and the transverse and the diagonal brace is secondary.Key words: continuous girder bridge；temporary structure；rhombic hanging basket；steel pipe support；numerical analysis

中圖分類號：U446

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)04-0717-06

通訊作者：王殿偉(1973-)，男，河南新鄉人，高級工程師，從事橋梁施工管理；E-mail: zzwdw@163.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51322808)

收稿日期：2016-01-11