超寬變截面預應力混凝土箱梁掛籃受力與變形分析

王楊兵

摘 要：本文基于臨泉泉河大橋超寬變截面預應力混凝土箱梁懸臂澆筑實例，采用Nastran計算軟件對該掛籃進行空間仿真分析，驗算了澆筑狀態以及行走狀態下掛籃的應力、變形情況，保證了掛籃結構的可靠性與穩定性，保證了施工過程中的安全，計算結果可為類似結構類型橋梁的施工與分析提供參考。

關鍵詞：超寬掛籃;Nastran計算軟件;仿真分析

0 前言

臨泉泉河大橋全長857 m。全橋共5聯：第3聯主橋采用（95+170+95）m預應力混凝土矮塔斜拉橋。梁體結構采用混凝土連續箱梁形式，箱梁斷面為5箱5室斜腹板斷面，箱梁頂寬33.5 m，底寬22.5 m，翼緣板寬3.5 m，根部梁高6.6 m，腹板厚130 cm～50 cm，底板厚度為90 cm～30 cm。橋梁采用掛籃懸臂澆筑施工，0號塊在墩頂托架上澆筑，各單“T”用掛籃懸臂對稱、平衡澆筑施工直至各單“T”最大懸臂，然后澆筑邊跨合攏段，待邊跨合攏段完成后進行中跨合攏。

本工程橋面寬度大，因此需要針對掛籃結構以及懸臂澆筑過程進行更加精確的控制[1-2]，具體包含掛籃靜態和行走狀態下的結構的強度、撓度、穩定性等[3-4]。本文采用通用有限元軟件Nastran建立掛籃整體有限元模型，結合工程施工方法，分析了掛籃在施工過程中最重節段的澆筑和掛籃行走兩個工況的掛籃結構受力。本文考慮多種工況[5]，模擬計算掛籃在施工過程中的受力情況，確保了掛籃結構的可靠性與穩定性，計算結果可為類似結構類型橋梁的施工與分析提供參考。

1 掛籃簡介

掛籃材料：鋼材彈性模量：E=2.06e5 MPa;密度：γ=7 850 kg/m;泊松比：ν=0.3;線膨脹系數：α=0.000 012;鋼材按容許應力取值，臨時結構提高30%。

掛籃主要技術參數：懸臂澆注箱梁梁段最大重量（1#）塊：468 t，懸臂澆注箱梁梁段1#塊分段長度：3 m，掛籃允許懸臂澆注梁段最大長度：4.5 m。

掛籃設計基本參數：梁段混凝土重量：26 kN/m，新澆砼動力系數取1.2，施工人員、料具、堆放荷載g1=1.5 kN/m2，振搗混凝土產生的荷載g2=2.0 kN/m2，傾倒混凝土產生的荷載g3=2.0 kN/m2，沖擊附加系數系數取1.4。

掛籃構造如圖1所示：

2 結構分析結果

2.1 對外滑梁的計算

箱梁翼緣板砼及箱梁側模重量通過外導梁、外滑梁分別傳至前一節段已施工完的箱梁翼板和掛籃主桁的前上橫梁承擔。

箱梁翼板部分混凝土一側面積值為1.5 m2塊長3 m，合計方量4.5 m2。由此計算箱梁翼板混凝土載荷：4.5 m3×26 kN/m=124.67 kN，另外箱梁側模載荷90 kN。考慮荷載組合，1.2×（混凝土荷載+滑梁自重荷載+模板荷載）+1.4×施工荷載（g2+g3）+1.4×人群和機具荷載（g1）（滑梁自重荷載在模型中考慮），計算得荷載值305 kN，此部分荷載組合2支外模滑梁線載荷為305 kN/2/3 m=51 kN/m。

外滑梁結構為雙36b槽鋼組焊，材質為Q235b。根據滑梁的支承情況建立Nastran有限元模型。其中外滑梁最大組合應力σmax=107 MPa <215 MPa，滿足要求。外滑梁豎向位移δmax=4.9 mm<5 000/400=12.5 mm，滿足要求（由于滑梁尾部不參與實際工作，固上撓12.4 mm忽略不計）。

2.2 對內滑梁的計算

箱梁頂板砼及箱梁內模、骨架重量通過內滑梁分別傳至前一節段已施工完的箱梁頂板和掛籃主桁的前上橫梁承擔。

箱梁頂板部分混凝土面積平均值為2.6 m2塊長3 m，合計方量為7.8 m3，計算得到箱梁頂板混凝土載荷202.8 kN，另外考慮箱梁內模及骨架載荷31.5 kN。考慮荷載組合計算得298.29 kN，此部分荷載組合內模滑梁線載荷為50 kN /m。

內滑梁結構為雙36b槽鋼組焊，材質為Q235b。根據滑梁的支承情況建立Nastran有限元模型。

其中內滑梁最大組合應力σmax=81 MPa<215 MPa，滿足要求。內滑梁豎向位移δmax=4.7 mm<5 000/400=12.5 mm，滿足要求（由于滑梁尾部不參與實際工作，固上撓15.2 mm忽略不計）。

2.3 對砼底板下部縱梁的計算

箱梁底板砼重量及底模板通過底縱梁分別傳至前一節段已施工完的箱梁底板和掛籃主桁的前上橫梁承擔。

箱梁底板部分混凝土面積平均值為4.3 m2塊長3 m，合計方量12.9 m3，計算得到箱梁底板混凝土載荷335.4 kN，均分到單位面積上為23.9 kN/m2，箱梁底模載荷2.5 kN/m2。考慮荷載組合計算得底板處縱梁上的均布荷載為（底板下縱梁橫向布置間距約為0.515 m）q=60×0.55=33 kN/m。

底板縱梁結構為工25b工字鋼，材質為Q235b。根據底板縱梁的支承情況建立有限元Nastran模型。

其中底板縱梁最大組合應力σmax=132 MPa<215 MPa，滿足要求。底板縱梁豎向位移δmax=10.1 mm<5 000/400=12.5 mm，滿足要求。

2.4 前后吊掛系統計算

前后吊桿均采用Φ32精軋螺紋鋼筋，后吊桿均采用Φ32精軋螺紋鋼筋，PSB830精軋螺紋鋼設計要求應力取750 MPa。

計算得吊桿最大組合應力σmax=402 MPa<750 MPa，滿足要求。

2.5 主桁菱形架系統計算

菱形桁架桿件均為40#b雙槽鋼組焊，材質為Q235b。根據桁菱形架支承情況建立有限元Nastran 模型。

計算得主桁架桿件最大組合應力σmax=121 MPa<215 MPa，滿足要求。主桁前上支點豎向位移δmax=12.3 mm<20 mm，滿足要求。

3 抗傾覆穩定性驗算

3.1 掛籃施工狀態下抗傾覆安全系數驗算

由Nastran分析模型可知后支座反力為1 151 kN。

錨精軋螺紋鋼設計數量為4，則每根精軋螺紋鋼受力為1 151/4=287 kN。Φ32精軋螺紋鋼筋所受最大應力為：

τmax=F/Sd

其中Sd為精軋螺紋鋼筋斷面面積為：

3.14×16=804 mm2

可得：τmax=287 000 N/804 mm2=356 N/ mm2=356 MPa

PSB830精軋螺紋鋼筋，設計抗拉應力值fpd=750 MPa，而fpd/τmax=750 MPa/356 MPa =2.2≥2，綜上所示，施工狀態下抗傾覆穩定性滿足要求。

3.2 行走狀態下抗傾覆驗算

菱形架行走狀態下受力包含以下幾部分：懸掛部分結構自重320 kN，模板及施工設備人員重量180 kN;單片菱形架受力為（320+180 kN）/2=250 kN×1.2=300 kN，后錨反力為366 kN;單片菱形架有4個后錨反扣輪，受力為：366 kN/4=91.5 kN。反扣輪軸直徑為66 mm，材質為45#鋼調質，受力模型為短懸臂梁。分析支架最大剪力：

τmax=91 500 N/3.14×30×30 mm=91 500 N/2 826 mm=32.38 MPa

45#鋼最大剪應力取100 MPa的掛籃行走狀態下抗傾覆穩定性為：100/32.38=3.09≥2。綜上所示，行走狀態下抗傾覆穩定性滿足要求。

4 結論

目前國內的超寬變截面矮塔斜拉橋項目比較少[6]，隨著今后城市交通的發展，交通量日益增大，橋面寬度增大是橋梁發展的必然趨勢[7]，隨之帶來的是超寬橋梁掛籃結構的一系列設計與施工問題。本文通過Nastran有限元軟件對臨泉泉河大橋超寬掛籃進行了建模仿真分析，確保了掛籃結構的可靠性與穩定性，對橋梁設計與施工起到了指導價值，可供同類型的超寬掛籃參考借鑒。

參考文獻：

[1]王進，宋毅榮.大跨度預應力混凝土橋梁掛籃施工技術[J].交通世界，2018（18）：104-105.

[2]李海東.山區高墩橋懸澆法掛籃施工風致響應研究[D]. 河北工程大學，2019.

[3]吳婷.矮塔斜拉橋菱形掛籃系統結構改進及其施工關鍵技術研究[D].江蘇科技大學，2016.

[4]田超.橋梁工程中的掛籃施工技術研究[J].四川水泥，2021（4）：224-225.

[5]胡會軒.懸臂掛籃技術在橋梁施工中的應用探索[J].中國建筑金屬結構，2013，27（4）：230-233.

[6]馬曉旭.超寬橋面懸澆連續梁掛籃設計及施工安全探討[J].浙江建筑，2017，34（2）：43-48.

[7]陳云輝.超寬連續剛構懸臂施工掛籃仿真分析[J].西部交通科技，2012（9）：35-39.