大跨度連續(xù)梁橋菱形掛籃優(yōu)化設(shè)計

師新虎, 李樹鼎， 黃亞磊

[摘要]菱形掛籃是橋梁懸臂施工過程中的常見輔助結(jié)構(gòu)，但其變形通常較大，容易超出規(guī)范限值。以某典型連續(xù)梁橋的菱形掛籃為例，基于Midas/civil有限元分析軟件，從菱形掛籃吊桿的布置方式、主桁架的截面尺寸以及菱形掛籃吊帶的材料等3個方面對菱形掛籃進行了優(yōu)化設(shè)計，進一步研究3種改進方案對菱形掛籃施工安全及整體受力性能的影響。結(jié)果表明：適當增大掛籃主桁架箱形截面腹板尺寸可以有效地提升掛籃主桁架的強度安全系數(shù)并降低掛籃的豎向撓度；網(wǎng)狀吊桿布置可以有效地減小吊桿的組合應力峰值、主構(gòu)件的剪應力峰值以及前上橫梁的剪應力峰值，但同時也會增大其組合應力峰值；從強度方面來看增大掛籃主桁架箱形截面腹板尺寸優(yōu)于其他2種改進方案。

[關(guān)鍵詞]連續(xù)梁橋； 菱形掛籃； 網(wǎng)狀吊桿； 組合應力； 優(yōu)化設(shè)計

[中國分類號]U445.463? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]A

0引言

隨著社會的發(fā)展，菱形掛籃在連續(xù)梁橋中應用也越來越多，相比三角掛籃，它具有受力小，承載能力大，澆筑梁塊大，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定好等優(yōu)點，但其構(gòu)件較多，重量較大［1］?；诹庑螔旎@受力的合理性，菱形掛籃在橋梁施工中仍有較廣泛的應用［2］。菱形掛籃的主受力桁架為菱形結(jié)構(gòu)，可認為是在平行桁架式掛籃的基礎(chǔ)上簡化而來。菱形主桁架結(jié)構(gòu)較簡單，受力明確，各構(gòu)件均是拉壓桿件，節(jié)點受力，不存在受彎現(xiàn)象，具有較大的承載能力，工作系數(shù)一般在0.3～0.6之間［3］。掛籃結(jié)構(gòu)的靜力性能分析是確保橋梁施工安全的最基本的內(nèi)容。在施工階段，為了保證橋梁安全施工，必須分析整個掛籃結(jié)構(gòu)在不同受力條件下其內(nèi)力及變形。尤其對于掛籃的后錨系統(tǒng)及主桁架而言對其進行強度、剛度、穩(wěn)定性計算十分重要［4］。確保整個掛籃體系安全可靠也是橋梁安全施工的重要部分，鑒于此，國內(nèi)不少學者對施工掛籃進行了優(yōu)化設(shè)計來盡可能改善掛籃整體的受力性能。靳曉燕等［5］對王家河大橋的菱形掛籃進行了改進設(shè)計以及對其施工關(guān)鍵技術(shù)進行了專門的研究。結(jié)果表明改進后的菱形掛籃具有足夠的承載能力且變形較小，可以滿足施工要求。肖向榮［7］為改善前支點掛籃的局部受力及提高主梁施工進度， 對前支點掛籃的張拉機構(gòu)、止推器、反頂輪、頂升機構(gòu)等結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果表明：改進后的前支點掛籃整體受力滿足要求。安德權(quán)［6］對菱形掛籃進行了優(yōu)化設(shè)計與檢算，提高了菱形掛籃的經(jīng)濟價值和施工安全質(zhì)量。

以上學者在一定程度上雖然豐富了掛籃的優(yōu)化設(shè)計，但對大跨度連續(xù)梁橋［8-9］的菱形掛籃的吊桿布置方式、主桁架的截面形式以及吊桿的材料等方面并未作詳細地改良。因此，本文以改善掛籃整體受力性能（強度、剛度、穩(wěn)定性）為出發(fā)點，對大跨度菱形掛籃的主桁架、吊桿等關(guān)鍵構(gòu)件進行優(yōu)化設(shè)計，提高菱形掛籃的經(jīng)濟價值和施工安全質(zhì)量，從而為實際工程提供參考。

1工程概況

某預應力混凝土連續(xù)梁橋主跨為（42+66+42） m，橋位場區(qū)類型為Ⅱ類場地，最大墩高為16 m，其1#塊主梁采用箱形混凝土截面，材料采用C60混凝土。箱梁典型橫斷面如圖1所示，其采用掛籃的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本文以上述橋梁為研究背景，以其在橋梁施工過程中的菱形掛籃為研究對象對該掛籃進行分析，分別計算恒載、活載對結(jié)構(gòu)受力性能的影響。

2有限元模型建立

基于 Midas/Civil 2019軟件平臺建立菱形掛籃有限元模型，掛籃桿件均采用空間梁單元模擬。模型中充分考慮了各部件的實際空間位置，新澆注梁重、人員機具荷載、混凝土澆注沖擊荷載通過建立板單元以面荷載形式加載。掛籃有限元模型如圖3所示。

2.1荷載及材料參數(shù)

混凝土容重：26.5 kN/m3；人員及機具荷載：1.5 kN/m2；混凝土振搗：2.0 kN/m2；混凝土傾倒：2.0 kN/m2；模板及支架荷載：按混凝土容重的25%計算，具體荷載參數(shù)如表1所示。菱形掛籃的主桁架、底板縱梁、橫梁主要構(gòu)件材料均采用Q235鋼，其具體參數(shù)見表2。

2.2菱形掛籃系統(tǒng)優(yōu)化

原掛籃設(shè)計主桁架豎向變形最大值為11 mm，掛籃側(cè)模吊梁豎向變形最大值為17.12 mm，而掛籃底模縱梁的豎向變形值最大為20.68 mm，超出容許的20 mm，因此，在施工前掛籃需加載預壓，準確確定掛籃的彈性變形量，在主梁立模時應考慮此變形。

原菱形掛籃設(shè)計滿足強度、穩(wěn)定性要求，此節(jié)不再贅述，因原掛籃底?？v梁的豎向撓度超規(guī)范限值，故對菱形掛籃進行優(yōu)化設(shè)計以滿足施工安全及整體受力性能要求。本文主要通過3種方式對掛籃受力性能進行優(yōu)化：①改變主桁架的截面尺寸；②改變吊帶的布置方式；③改變吊帶材料。表3給出了菱形掛籃具體的優(yōu)化設(shè)計方案。

3優(yōu)化方案效果對比

3.1優(yōu)化方案各主構(gòu)件強度對比

表4給出了基本荷載組合下（1.2× （ Q1+Q2+Q5） +1.4×（Q3+Q4））的組合應力峰值與最大剪應力強度驗算對比分析。圖4（a）給出了掛籃主構(gòu)件在組合應力情況下的強度安全系數(shù)對比，圖4（b）給出了掛籃主構(gòu)件在剪應力情況下的強度安全系數(shù)對比。

從表4可以看出：方案一、方案三掛籃主構(gòu)件的強度驗算都滿足要求，因方案二中吊桿采用Q235鋼，其吊桿的峰值應力為216.33 MPa，Q235鋼的屈服應力為235 MPa，因此強度驗算中方案二的吊桿不滿足強度要求。對比分析3種掛籃的改造方案，網(wǎng)狀吊桿布置可以有效地減小吊桿的組合應力峰值、主構(gòu)件的剪應力峰值以及前上橫梁的剪應力峰值，其中前上橫梁的剪應力峰值減小了10.8%；改變吊桿帶的材料可以減小前上橫梁的剪應力，但同時也會增大其組合應力峰值，除此之外，其吊桿的峰值應力雖然明顯降低，但超過強度容許值215 MPa；改變主桁架的箱形截面的腹板厚度即適當增大腹板的厚度可以顯著降低掛籃主桁架的峰值組合應力與剪應力，依次分別減小1.5%與21.3%，前上橫梁的剪應力峰值減小約10.87。從強度方面來看方案三優(yōu)于前2種改造方案。

從圖4（a）與圖4（b）可以看出方案三在組合應力情況下其強度安全系數(shù)最低在3.0以上，在剪應力情況下其強度安全系數(shù)最高達到13.8。

3.2優(yōu)化方案各主構(gòu)件剛度對比

經(jīng)優(yōu)化后，3種優(yōu)化方案掛籃底?？v梁的豎向變形均控制在20 mm以內(nèi)，其中方案三掛籃底?？v梁的豎向變形值為19.29 mm，方案三優(yōu)化效果較方案一、方案二更加明顯，通過優(yōu)化設(shè)計，掛籃剛度滿足了規(guī)范要求，確保了橋梁施工安全的可行性。

3.3優(yōu)化方案主桁桿件穩(wěn)定性能對比

3種優(yōu)化方案下掛籃主框架的最大軸力均發(fā)生在主框架前節(jié)點斜桿上，相較方案一與方案二，方案三主框架前斜桿軸力值達到最大，約為410.88 kN，方案二軸力值最小，約為406.09 kN，根據(jù)式（1）、式（2）可計算結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)。

λ＝μ×h/i（1）

N≤φ·A·f（2）

式中：λ為為構(gòu)件長細比；i為構(gòu)件回轉(zhuǎn)半徑；h為構(gòu)件長；φ 為穩(wěn)定系數(shù)；μ取值1.2。

根據(jù)構(gòu)件截面特性及相關(guān)參數(shù)計算得到2種優(yōu)化方案掛籃的穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，其中方案二得到掛籃主框架的穩(wěn)定性能要高于方案一與方案三。

4結(jié)論

基于Midas/Civil軟件平臺對優(yōu)化后的菱形掛籃進行了靜力性能分析與對比，從結(jié)構(gòu)強度、剛度、穩(wěn)定性3方面分析得出結(jié)論：

（1）對于菱形掛籃而言，在所有關(guān)鍵構(gòu)件的應力峰值中，吊桿帶的組合應力最大，掛籃底?？v梁的剪應力最大。對于本算例而言，掛籃主桁架前方斜立柱處于受壓狀態(tài)其穩(wěn)定性安全系數(shù)可達到5.76，較為安全。

（2）增大掛籃主桁架箱形截面腹板尺寸對菱形掛籃受力性能的改進效果較為明顯，其菱形掛籃的強度、剛度及其穩(wěn)定性均達到規(guī)范要求。冗余的安全系數(shù)較大，其中強度安全系數(shù)大于3.0，穩(wěn)定性安全系數(shù)大于5.6，掛籃的變形最終控制在了20 mm以內(nèi)。

（3）掛籃主桁架是掛籃的關(guān)鍵受力構(gòu)件，其可靠性關(guān)系到掛籃主體的可靠性，適當加大掛籃主框架箱形截面腹板尺寸可以有效提升掛籃主桁架的強度安全系數(shù)以及降低掛籃的豎向撓度，但同時增大了掛籃整體的剛度。

參考文獻

［1］任海濤.三角掛籃與菱形掛籃懸臂施工對比分析［J］.工程建設(shè)與設(shè)計，2019（9）：207-209.

［2］郭杰.懸澆施工箱梁橋菱形掛籃設(shè)計與受力分析［J］.公路與汽運，2019（5）：104-107.

［3］朱召賢，張清旭.菱形掛籃主桁架有限元優(yōu)化分析［J］.建筑機械，2019（8）：63-65+4.

［4］余細強.黃龍帶特大橋菱形掛籃設(shè)計與施工［J］.工程建設(shè)與設(shè)計，2018（15）：193-195.

［5］靳曉燕，史智.王家河大橋菱形掛籃改進設(shè)計及施工關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.公路工程，2018，43（3）：125-130.

［6］安德權(quán). 上下雙室連續(xù)剛構(gòu)渡槽菱形掛籃結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化研究［D］.鄭州：鄭州大學，2018.

［7］肖向榮.前支點掛籃結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與仿真分析［J］.中外公路，2016，36（3）：139-143

［8］尹曉強.大跨度箱形連續(xù)梁菱形掛籃懸灌施工技術(shù)［J］.交通世界，2018（22）：88-89.

［9］張鵬，王中.菱形掛籃在某橋梁懸臂梁施工中的應用研究［J］.重慶建筑，2018，17（7）：53-55.