紅水河特大橋掛籃施工的精細(xì)化設(shè)計(jì)及仿真受力驗(yàn)算

彭濤 王富強(qiáng)

摘要：文章結(jié)合紅水河特大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)該項(xiàng)目施工中對(duì)掛籃的使用要求，對(duì)掛籃進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，并建立空間計(jì)算模型，對(duì)4種工況下的掛籃受力狀況進(jìn)行仿真受力驗(yàn)算，驗(yàn)證了該掛籃精細(xì)化設(shè)計(jì)的可靠性和科學(xué)性，為相似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：精細(xì)化;設(shè)計(jì);仿真;荷載組合;受力驗(yàn)算

0 引言

隨著我國(guó)交通事業(yè)的發(fā)展，高速公路的設(shè)計(jì)、施工中對(duì)線型的要求也越來(lái)越高，大型、特大型橋梁的比例也在提高。掛籃廣泛應(yīng)用于大型橋梁的施工中。雖然市場(chǎng)已經(jīng)有較為成熟的掛籃產(chǎn)品，但直接使用會(huì)出現(xiàn)不合理、不經(jīng)濟(jì)、不高效的問(wèn)題。本文結(jié)合賀州至巴馬高速公路（都安至巴馬段）K404+509.396紅水河特大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)本項(xiàng)目施工中對(duì)掛籃的使用要求，對(duì)掛籃進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，并在充分研究掛籃受力狀況后建立空間計(jì)算模型，在4種工況下進(jìn)行仿真受力驗(yàn)算，有效地解決上述問(wèn)題。

1 工程概況

紅水河特大橋橋長(zhǎng)511.5m。全橋采用雙幅分離式，共6跨，最大跨徑為185m，橋面全寬為29.6m。橋梁上部結(jié)構(gòu)為單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，箱梁腹板采用分段等厚規(guī)律變化，從梁端支點(diǎn)到跨中的厚度分別為1.2m、0.9m、0.7m和0.5m，按1.5次拋物線規(guī)律變化，均采用掛籃施工。紅水河特大橋主橋中跨箱梁一般構(gòu)造如圖1所示。

2 掛籃結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)

本文根據(jù)紅水河特大橋上部結(jié)構(gòu)及主梁的特點(diǎn)，結(jié)合橋梁主體結(jié)構(gòu)、構(gòu)件尺寸及荷載的情況，對(duì)掛籃結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，提高掛籃結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的安全性能，保證施工質(zhì)量。紅水河大橋主梁截面高，節(jié)段荷重，承載力大，故選擇菱形掛籃進(jìn)行施工。掛籃結(jié)構(gòu)主要由主桁架、橫梁底托、懸吊吊桿、行走及錨固、模板（底模架、內(nèi)外側(cè)模）等系統(tǒng)組成。掛籃結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

2.1 多風(fēng)條件下的主桁架系統(tǒng)精細(xì)化設(shè)計(jì)

本工程所在地屬于山區(qū)，風(fēng)速較大，每年6～9月為汛期，年平均基本風(fēng)速為24.4m/s，施工最大風(fēng)力可達(dá)6級(jí)，風(fēng)環(huán)境復(fù)雜。本工程主桁架弦桿前端的橫梁上設(shè)施工操作平臺(tái)，平臺(tái)上有1.5m高的安全護(hù)欄，確保橋梁掛籃在風(fēng)荷載作用下的抖振安全。為了提高主框架的穩(wěn)定性，豎桿之間采用中門框架連接。同時(shí)，為防止施工過(guò)程中由于風(fēng)力過(guò)大使得菱形掛籃搖晃導(dǎo)致施工質(zhì)量事故，在兩片菱形架外側(cè)設(shè)置纜風(fēng)繩，進(jìn)一步提高主桁架系統(tǒng)抗風(fēng)性能。

2.2 靜止及行走狀態(tài)兼顧的行走系統(tǒng)精細(xì)化設(shè)計(jì)

工程技術(shù)人員往往注重掛籃固定靜態(tài)時(shí)的承載能力，較少注意掛籃在行走過(guò)程中的受力。

本項(xiàng)目掛籃行走系統(tǒng)的行走軌道按有豎向預(yù)應(yīng)力和無(wú)豎向預(yù)應(yīng)力兩種情況考慮，分別設(shè)置不同的固定方式。前者可以通過(guò)梁本身的豎向預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行錨固;后者主要是通過(guò)在梁側(cè)腹板兩側(cè)位置預(yù)留錨固孔洞進(jìn)行錨固。通過(guò)計(jì)算在梁體兩側(cè)預(yù)留2個(gè)100mm的孔洞，將后錨件穿過(guò)預(yù)留的孔洞，利用螺母配合墊片進(jìn)行固定。上端通過(guò)橫梁固定在已完工梁段的末端。以上措施為掛籃行走過(guò)程中提供了安全儲(chǔ)備。

2.3 模板系統(tǒng)的精細(xì)化設(shè)計(jì)

模板系統(tǒng)作為掛籃結(jié)構(gòu)的重要組成部分，決定著混凝土結(jié)構(gòu)的成型尺寸和外觀質(zhì)量。直接使用市場(chǎng)的掛籃模板系統(tǒng)，會(huì)出現(xiàn)不合理、不經(jīng)濟(jì)、不高效的問(wèn)題。該項(xiàng)目模板系統(tǒng)根據(jù)模板的受力過(guò)程，在外模與底模支撐系統(tǒng)之間設(shè)置限位縱梁，調(diào)整支撐連接，使側(cè)模位置準(zhǔn)確，并且使側(cè)吊架的受力通過(guò)底模和外模傳遞。外模提升梁的前端固定在前上橫梁上，后端懸掛在完工箱梁的表面，卸模時(shí)松開錨固端，隨著平臺(tái)下降和前移。內(nèi)模板為專門定制，采用竹膠合板和方木板兩種材料制成的組合板。該模板內(nèi)模的支撐結(jié)構(gòu)可調(diào)整，并用拉桿與外模連接，使內(nèi)模系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)滑梁實(shí)現(xiàn)整體移動(dòng)。端模亦采用自制10mm鋼板，實(shí)現(xiàn)側(cè)模包端模方式，箱梁伸出端面采用結(jié)構(gòu)鋼筋固定。

2.4 其他組成部分的精細(xì)化設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的主梁截面高，節(jié)段荷重，承載力大，懸吊吊桿系統(tǒng)在脫模和移模過(guò)程受到較大的沖擊和振動(dòng)，并在施工過(guò)程中反復(fù)發(fā)生從而易導(dǎo)致疲勞斷裂，造成掛籃系統(tǒng)整體破壞。為了解決這一問(wèn)題，本項(xiàng)目的吊桿系統(tǒng)采用PSB830鋼筋與鋼吊帶結(jié)合的形式。掛籃前后承重的吊帶采用鋼吊帶，外側(cè)的長(zhǎng)吊桿為掛籃行走時(shí)的輔助結(jié)構(gòu)，采用PSB830鋼筋，由提升裝置控制底托系統(tǒng)的標(biāo)高。橫梁底支撐體系的底部縱梁與前后下橫梁焊接。在進(jìn)行下一段混凝土澆筑時(shí)，將后下橫梁通過(guò)后吊桿固定在澆注好的梁底板上，同時(shí)將前吊桿連接在前下橫梁與前上梁之間。

3 掛籃的結(jié)構(gòu)仿真受力驗(yàn)算

本文在上述的精細(xì)化設(shè)計(jì)后，根據(jù)設(shè)計(jì)的荷載，考慮不同施工條件下，采用MidasCivil2017版結(jié)構(gòu)仿真分析軟件對(duì)掛籃的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真受力驗(yàn)算，驗(yàn)算其強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。計(jì)算前，模擬掛籃幾何關(guān)系基于以下假設(shè)：（1）用梁?jiǎn)卧M外架的每個(gè)桿件;（2）每個(gè)桿件用中性軸的空間位置表示相應(yīng)模擬單元的幾何位置;（3）忽略相鄰桿件因搭接錯(cuò)位而產(chǎn)生的微小偏移。計(jì)算過(guò)程中材料的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

3.1 荷載組合及工況

根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)，使用荷載組合1和2進(jìn)行掛籃結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和抗傾覆驗(yàn)算，所有荷載按照線載荷施加。在確定的荷載組織下，按實(shí)際施工進(jìn)程，分4種具有代表性的工況進(jìn)行驗(yàn)算分析。

（1）作用于掛籃的荷載

①新澆混凝土荷載：澆筑梁段混凝土重量;

②模板自重：1.3kN/m2;

③掛籃自重：定義斷面尺寸取值;

④護(hù)欄自重：按1kN/m計(jì)算;

⑤施工機(jī)具及人群荷載：2.5kN/m2;

⑥傾倒和振搗混凝土荷載：4kN/m2;

⑦風(fēng)荷載：按施工最大風(fēng)力6級(jí)考慮，施加于最不利位置;

⑧掛籃沖擊荷載：0.3×掛籃自重;

⑨其他荷載：兜底防護(hù)按單支最大8000kN考慮。

（2）荷載組合

荷載組合1：1.2×（①+②+③+④+⑨）+1.4×（⑤+⑥+⑦）;

荷載組合2：掛籃行走，1.2×（②+③+④+⑨+⑦+⑧）;

荷載組合3：①+②+③+④+⑨。

其中：超載分項(xiàng)系數(shù)1.05、永久荷載分項(xiàng)系數(shù)1.2、可變荷載分項(xiàng)系數(shù)1.4、抗傾覆安全系數(shù)2、澆筑自錨固系統(tǒng)安全系數(shù)2。

（3）工況組合

工況一：1#梁混凝土施工完工，截面高度最大，混凝土重量最大。

工況二：9#梁混凝土施工完工，截面高度、長(zhǎng)度和混凝土重量均較大。

工況三：16#梁混凝土澆筑成型，梁長(zhǎng)最長(zhǎng)，混凝土重量最大。

工況四：16#梁段完成，掛籃從16#～17#梁段行走距離最長(zhǎng)。

3.2 掛籃各部分承擔(dān)荷載分析

根據(jù)精細(xì)化設(shè)計(jì)后分析掛籃各部分承擔(dān)荷載如下：

（1）外導(dǎo)梁和外滑梁將箱梁翼緣板混凝土和側(cè)模的重量分別傳至前一節(jié)已完工的箱梁翼板和掛籃主桁的前上橫梁。

（2）內(nèi)滑梁將箱梁頂板混凝土、內(nèi)模板支架和內(nèi)模板的重量分別傳至上一節(jié)已完工的箱梁頂板和主桁處的前上橫梁。

（3）箱梁底板、腹板混凝土、底板的重量，由相應(yīng)的底籃縱梁承擔(dān)，分別傳至上一節(jié)已完工的箱梁頂板和主桁處的前上橫梁。

采用條分法對(duì)以上荷載進(jìn)行計(jì)算，按條分區(qū)域及梁段長(zhǎng)度將腹板、底板、翼板荷載轉(zhuǎn)化為線荷載，最后分塊施加到對(duì)應(yīng)縱梁及導(dǎo)梁上。條分區(qū)域如圖3所示。

3.3 掛籃仿真受力驗(yàn)算

本文采用有限元分析程序MidasCivil進(jìn)行仿真受力驗(yàn)算。首先利用軟件對(duì)掛籃的主體構(gòu)造進(jìn)行三維空間分析和建模，然后將掛籃的總體結(jié)構(gòu)定義為整體空間桁架模型，通過(guò)簡(jiǎn)化計(jì)算，確定了界面尺寸和材料性能。各工況計(jì)算模型如圖4所示。

3.4 仿真受力驗(yàn)算結(jié)果

不同工況下掛籃結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果見表2。由仿真受力驗(yàn)算可知，計(jì)算組合應(yīng)力最大值為荷載組合1及工況三情況下吊桿計(jì)算組合應(yīng)力值250.4MPa，同時(shí)其計(jì)算拉應(yīng)力也為最大值69.3MPa。由此可知，該情況下精細(xì)化設(shè)計(jì)的掛籃彈性變形最大，但滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。計(jì)算剪切應(yīng)力最大值為荷載組合1及工況一情況下底托系統(tǒng)計(jì)算剪切應(yīng)力值為36.2MPa。通過(guò)分析掛籃施工中典型工況進(jìn)行仿真受力驗(yàn)算，不同工況下掛籃主桁架、吊桿、前上橫梁、底托系統(tǒng)等各部分強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。其中計(jì)算最大組合應(yīng)力<設(shè)計(jì)抗彎強(qiáng)度205MPa，計(jì)算最大剪切應(yīng)力<設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度120MPa，計(jì)算最大拉應(yīng)力<設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度295MPa。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)紅水河特大橋掛籃施工的相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)，通過(guò)精細(xì)化設(shè)計(jì)，在充分研究掛籃模板的使用要求和受力狀況后，對(duì)掛籃進(jìn)行了4種工況下仿真受力驗(yàn)算，得出了以下結(jié)論：

（1）針對(duì)多風(fēng)條件下的主桁架系統(tǒng)、掛籃錨固靜止及行走狀態(tài)下的行走系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高掛籃抗風(fēng)性能，為掛籃行走過(guò)程中提供了安全儲(chǔ)備。

（2）針對(duì)模板系統(tǒng)的精細(xì)化設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)置限位縱梁使側(cè)模定位精準(zhǔn)。內(nèi)模模板采用專門定制竹膠板和方木組合板，端模亦采用自制10mm鋼板實(shí)現(xiàn)側(cè)模包端模方式，優(yōu)化模板系統(tǒng)使其更合理、更經(jīng)濟(jì)、更高效。

（3）由仿真受力驗(yàn)算可知：荷載組合1及工況三情況下吊桿計(jì)算組合應(yīng)力值最大為250.4MPa，同時(shí)其計(jì)算拉應(yīng)力最大為69.3MPa;荷載組合1及工況一情況下底托系統(tǒng)計(jì)算剪切應(yīng)力最大為36.2MPa。均滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

（4）由仿真受力驗(yàn)算可知，不同工況下掛籃主桁架、吊桿、前上橫梁、底托系統(tǒng)等各部分強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了精細(xì)化設(shè)計(jì)的可靠性和科學(xué)性，可為相似工程提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]李 文.特大分離式雙主肋主梁斜拉橋掛籃設(shè)計(jì)與仿真計(jì)算[J]北方交通，2012（6）：110-112.

[2]肖向榮.前支點(diǎn)掛籃結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真分析[J].中外公路，2016（3）：139-143.

[3]陳國(guó)華.淺述懸臂連續(xù)梁掛籃法0#塊施工質(zhì)量控制要點(diǎn)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2017（1）：100-101.

[4]唐 翔.復(fù)合式前支點(diǎn)掛籃的設(shè)計(jì)和施工探討[J].交通科技，2017（3）：101-103.

[5]劉銀濤，蓋青山.蒙華鐵路黃河橋南引橋掛籃力學(xué)行為有限元分析[J].工程建設(shè)，2017，49（12）：6-11.

[6]靳會(huì)武.鎮(zhèn)山大橋44m寬橋面掛籃施工技術(shù)[J].公路，2019（11）：147-152.