紅水河雙線(xiàn)特大橋掛籃施工仿真分析

1、紅水河雙線(xiàn)特大橋掛籃施工仿真分析 易達(dá) 劉方華 崔大臣中交一公局柳南標(biāo) 【摘 要】本文通過(guò)MIDAS/Civil軟件對(duì)紅水河雙線(xiàn)特大橋主橋懸臂施工用掛籃進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，得出內(nèi)力和節(jié)點(diǎn)位移；并在承臺(tái)上預(yù)埋精軋螺紋鋼利用千斤頂通過(guò)理論計(jì)算的內(nèi)力值對(duì)掛籃反拉加載，進(jìn)一步驗(yàn)證位移和變形值，與軟件計(jì)算值進(jìn)行比較，通過(guò)軟件計(jì)算及反拉加載有利地保證了掛籃在懸臂施工中的結(jié)構(gòu)安全?！娟P(guān)鍵詞】掛籃 加載 MIDAS/Civil軟件 千斤頂 仿真分析 1 引言 傳統(tǒng)掛籃加載方法是通過(guò)外部荷載有序的分批施加在掛籃底模上，觀(guān)察掛籃的變形、結(jié)構(gòu)安全是否滿(mǎn)足施工要求，雖然技術(shù)成熟但是消耗成本高、時(shí)間長(zhǎng)，常規(guī)的掛籃加載需要3-

2、5天時(shí)間，對(duì)于高墩處掛籃的加載耗時(shí)就更長(zhǎng)了。采用MIDAS/Civil軟件不僅可以對(duì)掛籃結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、節(jié)點(diǎn)位移等進(jìn)行驗(yàn)算，還可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行三維動(dòng)畫(huà)分析；并可以根據(jù)算出的反力，運(yùn)用等效原理，利用掛籃與承臺(tái)之間張拉鋼絞線(xiàn)對(duì)掛籃進(jìn)行加荷、卸荷，在較短時(shí)間內(nèi)完成掛籃加載試驗(yàn)，相當(dāng)于對(duì)掛籃進(jìn)行了雙重模擬仿真分析。2 工程概況紅水河雙線(xiàn)特大橋是廣西新建鐵路柳州至南寧客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的重點(diǎn)控制性工程之一，全長(zhǎng)2250.728m，其中主橋跨越來(lái)賓市紅水河（級(jí)通航航道），橋跨組成為80m+144m+80m的變截面單箱單室連續(xù)梁。箱梁頂寬12.2m，底寬7.2m，翼緣板長(zhǎng)2.5m，主墩處0#塊梁高11m，中跨中部18m和邊

3、跨端部17.9m梁段為6m等高梁，除0#塊外其余梁段梁底下緣按二次拋物線(xiàn)Y=6+X2/696.2 m變化。腹板厚45cm100cm；底板厚48cm100cm；邊跨端塊處頂板厚度由50cm漸變至100cm，中支座附近頂板加厚為65cm，其余為50cm；箱梁頂面設(shè)2雙向橫坡，腹板設(shè)置上下兩排直徑為100mm的通氣孔。該橋箱梁懸臂澆注采用菱形掛籃進(jìn)行施工。箱梁0#塊梁段長(zhǎng)度為14m，邊合攏段長(zhǎng)度為4m，中合攏段長(zhǎng)度為2m；掛籃懸臂澆注箱梁最重塊段為1#塊，其重量為252.09t。名稱(chēng)砼(m3)重量(t)長(zhǎng)度(m)高度(cm)底板厚(cm)腹板(cm)頂板(cm)1#塊95.1252.09310509

4、5100652#塊90.5239.6931003901006518#塊58.3154.384600484550表1 懸澆塊參數(shù)匯總表3 掛籃整體采用Midas/Civil進(jìn)行仿真分析3.1主要技術(shù)參數(shù)砼自重GC26.5kN/m3；鋼彈性模量Es2.1×105MPa；各種鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：Q235鋼205Mpa；16Mn鋼295 Mpa；45#鋼360Mpa。3.2掛籃構(gòu)造掛籃為菱形掛籃，主桁由200×200×20×20mm的16Mn鋼箱型截面組成，前橫梁由40a槽鋼組成，底籃前、后托梁由40b槽鋼組成，底籃每側(cè)腹板下加強(qiáng)縱梁為3榀80×7、16a

5、和I36a型鋼組成的桁架，底籃底板下加強(qiáng)縱梁為8根I36a普通熱軋工字鋼，每側(cè)外滑梁為2根I36a普通熱軋工字鋼，內(nèi)滑梁為40a槽鋼，吊桿采用40、32和25 PSB785級(jí)精軋螺紋鋼,銷(xiāo)軸為70mm和90mm的45#鋼兩種，主桁后錨梁為22a槽鋼。整體掛籃CAD圖如下所示：圖1 紅水河特大橋掛籃前、后托梁及吊桿布置圖(單位：mm)圖2 紅水河特大橋掛籃側(cè)面圖(單位：mm)主桁系統(tǒng)重12.8t、行走系統(tǒng)重7.6t、底籃12.6t、提升系統(tǒng)重12.7t、外模重19.8t、內(nèi)模系統(tǒng)重12t、張拉操作平臺(tái)重2.5t，整個(gè)掛籃系統(tǒng)重80t，自重與載荷比為（以1#塊為例）0.317：1。Midas/Ci

6、vil中建模及荷載布置如下圖所示： 菱形掛籃整體模型 正面圖 側(cè)立面圖 圖3 Midas/Civil中掛籃模型圖采用MIDAS/Civil建模時(shí)，應(yīng)該注意如下事項(xiàng)： 為簡(jiǎn)化模型，1#塊頂板荷載和底腹板荷載分別以線(xiàn)荷載加到內(nèi)外滑梁和底籃縱梁上。在梁?jiǎn)卧r(shí)，應(yīng)統(tǒng)一從一個(gè)方向向另一方向建立梁?jiǎn)卧?，否則在布置縱梁0.5m-3.5m范圍內(nèi)的線(xiàn)荷載時(shí)會(huì)出現(xiàn)受力不一致的現(xiàn)象； 菱形主桁前后支點(diǎn)簡(jiǎn)化為鉸接點(diǎn)； 頂、底板上后吊桿結(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化為剛結(jié)點(diǎn)； 菱形主桁、前吊桿及底籃縱向桁架（上弦桿除外）均為桁架單元，其他為梁?jiǎn)卧?。如下圖所示：圖4 MIDAS中菱形掛籃桁架單元（左）和梁?jiǎn)卧ㄓ遥?.3前后托梁上縱梁線(xiàn)荷

7、載及內(nèi)外滑梁端點(diǎn)力分析3.3.1前后托梁上的縱梁線(xiàn)荷載取1#塊計(jì)算，1#塊梁段長(zhǎng)度為3m，重量為252.09t，施工機(jī)具及人群荷載為2.5kPa。箱梁梁段兩端高度分別為10.5m和10.03m，計(jì)算按平均值10.26m 取值。加強(qiáng)桁架縱梁間腹板寬1m（由3片加強(qiáng)桁架縱梁承受），加強(qiáng)桁架縱梁的間距為0.4m，加強(qiáng)桁架上弦桿為I40a工字鋼，邊斜桿及下弦桿為20a槽鋼，其他豎桿、斜桿為14a槽鋼，桁架長(zhǎng)5.5m，高1.2m。加強(qiáng)桁架縱梁上的均布荷載（按受力最大的中間一根桁架取值，無(wú)側(cè)模荷載）為：q桁=q砼+q人機(jī)+q振搗= 0.4×10.26×26.5+0.4×2.5

8、+4×0.4=111.4kN/m；底板下I36a工字鋼線(xiàn)荷載為：q工= q砼+q模+q人機(jī)+q振搗=0.68×0.95×26.5+0.68×1+0.68×2.5+0.68×4=22.2kN/m。底籃模型及荷載圖如下：圖5 MIDAS中底籃計(jì)算模型3.3.2內(nèi)、外滑梁前吊桿內(nèi)力及后錨點(diǎn)錨固力外滑梁承受翼緣板荷載和側(cè)模荷載,通過(guò)平衡方程求得外滑梁3m范圍內(nèi)的線(xiàn)荷載為20.6×6/3=41.2kN/m；內(nèi)滑梁承受頂板及內(nèi)模支架荷載，通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算得知內(nèi)滑梁3m范圍內(nèi)的線(xiàn)荷載為37.6×6/3=75.2kN/m。因此內(nèi)、外滑

9、梁前吊桿內(nèi)力及后錨點(diǎn)錨固力建模如下：圖6 MIDAS中內(nèi)、外滑梁吊桿及后錨力計(jì)算模型3.4整體模型支座反力分析圖7 整體掛籃模型支座反力和底板及頂板上后錨力從圖可知，掛籃主桁豎桿（受壓）下對(duì)應(yīng)的支座反力為1304.8kN，0#塊頂板即掛籃后錨力636.3kN，底板上后錨力為600kN。3.5整體模型桁架單元應(yīng)力分析圖8 掛籃桁架部分應(yīng)力圖從圖可知，掛籃主桁架受拉構(gòu)件最大應(yīng)力為82.33Mpa<200Mpa；主桁受壓構(gòu)件最大應(yīng)力為72.87Mpa<200Mpa；前吊桿（內(nèi)外滑梁前吊桿為單根25精軋螺紋鋼，腹板下前吊桿為單根40精軋螺紋鋼）最大拉應(yīng)力為222Mpa<785/2 M

10、pa；后錨桿（除底板后錨為雙根40精軋螺紋鋼外，其他為單根25精軋螺紋鋼）最大應(yīng)力為503Mpa/2<785/2Mpa；其他如腹板下桁架縱梁和底板下型鋼縱梁應(yīng)力均小于140Mpa。所以此掛籃及各桿件桁架應(yīng)力能滿(mǎn)足規(guī)范要求。3.6整體模型梁?jiǎn)卧獞?yīng)力分析圖9 掛籃梁?jiǎn)卧糠謶?yīng)力圖從圖可知，掛籃前后托梁、前橫梁及底板縱梁的最大應(yīng)力為136.98Mpa<140Mpa，因此各橫梁應(yīng)力能滿(mǎn)足要求。3.7掛籃位移分析圖10 掛籃主桁架位移圖從圖可知，掛籃主桁架最大位移為0.016m<L/150，前橫梁最大位移為0.023m<L/150,前托梁最大位移為0.03m<L/150,但

11、應(yīng)注意對(duì)前托梁對(duì)應(yīng)的底模標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整，比設(shè)計(jì)高出3cm來(lái)消除掛籃橫梁和吊桿等的變形影響。3.8節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)根據(jù)Midas分析出的掛籃主桁各桿桿端力，對(duì)掛籃各節(jié)點(diǎn)銷(xiāo)軸進(jìn)行抗剪計(jì)算分析得出：三角主桁斜拉桿銷(xiāo)軸選用90銷(xiāo)子（45鋼），主桁前吊帶銷(xiāo)軸及壓桿銷(xiāo)軸選用70銷(xiāo)子（45鋼）；行走軌道前支點(diǎn)處腹板兩側(cè)成對(duì)配置12mm厚的支承加勁肋，間距為0.5h0=200mm；前吊桿錨固的前橫梁腹板兩側(cè)成對(duì)布置12mm厚的橫向加勁肋；前、后托梁及底籃縱梁支點(diǎn)局部受壓區(qū)均成對(duì)配置10mm厚橫向加勁肋；前吊桿錨固端采用16a槽鋼+20mm厚鋼板+70mm高螺帽；底板后錨桿采用雙工20a+20mm厚鋼板+70mm高螺帽；

12、頂板內(nèi)滑梁吊桿及翼板吊桿錨固均采用20mm厚鋼板+70mm高螺帽。 4 千斤頂加載掛籃反拉進(jìn)一步仿真分析承臺(tái)施工時(shí)在承臺(tái)中掛籃前托梁對(duì)應(yīng)位置預(yù)埋32的PSB785級(jí)精軋螺紋鋼，每根前托梁對(duì)應(yīng)位置處2對(duì)。掛籃安裝完畢后，利用15.2高強(qiáng)度低松弛鋼絞線(xiàn)（1860Mpa）對(duì)掛籃底籃處的4根前吊桿進(jìn)行反拉加載。如下圖： 圖11 30#主墩頂掛籃反拉總體圖 圖12 承臺(tái)上精軋螺紋鋼預(yù)埋圖 圖13 底籃前吊點(diǎn)處反拉點(diǎn)細(xì)部圖 利用MIDAS/Civil軟件計(jì)算出來(lái)的底籃4根前吊桿內(nèi)力分別為280kN、184kN、184kN和280kN，如下圖：圖14 MIDAS/Civil計(jì)算的底籃前吊桿內(nèi)力圖（單位：kN

13、）實(shí)際反拉試驗(yàn)中將頂板和翼板荷載考慮進(jìn)來(lái)，利用MIDAS/Civil軟件計(jì)算出來(lái)的頂板和翼板前吊桿內(nèi)力分別為82kN和45kN，如下圖：圖15 MIDAS/Civil計(jì)算的頂板前吊桿內(nèi)力圖（單位：kN）所以反拉試驗(yàn)中，中間2個(gè)加載點(diǎn)張拉力分別為184+82=266kN，邊上2個(gè)加載點(diǎn)張拉力分別為280+45×2=370kN。每根鋼絞線(xiàn)的張拉控制力為1302×3.14×7.6×7.6=236kN，因此每個(gè)前吊點(diǎn)處的反拉點(diǎn)采用雙根鋼絞線(xiàn)加載。中間2個(gè)加載點(diǎn)每根鋼絞線(xiàn)張拉力為266/2=133kN,邊上2個(gè)加載點(diǎn)每根鋼絞線(xiàn)張拉力為370/2=185kN。加載試

14、驗(yàn)中采用水準(zhǔn)儀測(cè)量各點(diǎn)的位移，實(shí)測(cè)值與MIDAS/Civil計(jì)算值比較如下表：部位反拉加載實(shí)測(cè)位移（cm）MIDAS/Civil計(jì)算位移（cm）誤差（cm）掛籃主桁前端點(diǎn)1.81.60.2前橫梁端點(diǎn)1.81.70.1前橫梁跨中2.22.3-0.1前托梁兩側(cè)吊桿處3.12.90.2前托梁中間吊桿處3.230.2表2 MIDAS/Civil計(jì)算得出的位移與千斤頂反拉加載得出的位移比較表在前托梁下各吊桿加載點(diǎn)張拉鋼絞線(xiàn)施加荷載后理論值與實(shí)測(cè)值相比，最大絕對(duì)誤差為2mm，最小絕對(duì)誤差為1mm左右。因此本次的掛籃加載試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地模擬掛籃的實(shí)際受力情況，實(shí)測(cè)結(jié)果能滿(mǎn)足施工要求、指導(dǎo)施工中掛籃標(biāo)高的調(diào)整。

15、同時(shí)用MIDAS/Civil軟件算出理論位移值，更進(jìn)一步驗(yàn)證了反拉加載的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，為掛籃懸臂澆筑混凝土提供了良好的技術(shù)支持。5 主橋1#懸臂塊混凝土澆筑完成前后的位移對(duì)比有了上述軟件理論分析和千斤頂反拉仿真分析作為基礎(chǔ)，有利地保證了現(xiàn)場(chǎng)懸臂塊混凝土澆筑過(guò)程中掛籃結(jié)構(gòu)的可靠。根據(jù)上述仿真分析測(cè)得的位移值，在實(shí)際施工澆筑混凝土前對(duì)掛籃模板預(yù)調(diào)高了2cm彈性變形值（因?yàn)榉蠢虞d中的非彈性變形已經(jīng)基本消除，所以此處上調(diào)2cm即可），如下表所示：測(cè)點(diǎn)01234111230#墩T構(gòu)柳州端未考慮掛藍(lán)變形理論立模標(biāo)高（m）103.681 103.595 103.595 103.623 103.623 9

16、3.560 93.560 預(yù)設(shè)掛籃彈性變形h1（m)0.020.020.020.020.020.020.02考慮掛藍(lán)變形梁段立模標(biāo)高（m）103.701 103.615 103.615 103.643 103.643 93.580 93.580 該段灌筑后標(biāo)高(m)103.689 103.602103.601103.632103.63493.56893.562位移值h2(m)-0.012 -0.013 -0.014 -0.011 -0.009 -0.012 -0.018 南寧端未考慮掛藍(lán)變形理論立模標(biāo)高（m）103.751 103.665 103.665 103.693 103.693 93.

17、630 93.630 預(yù)設(shè)掛籃彈性變形h1（m)0.020.020.020.020.020.020.02考慮掛藍(lán)變形梁段立模標(biāo)高（m）103.771 103.685 103.685 103.713 103.713 93.650 93.650 該段灌筑后標(biāo)高(m)103.753 103.664 103.671 103.690 103.683 93.630 93.632 位移值h2(m)-0.018 -0.021 -0.014 -0.023 -0.030 -0.020 -0.018 說(shuō)明：1、梁段各測(cè)點(diǎn)標(biāo)高均為各梁段前端截面各點(diǎn)標(biāo)高；2、各測(cè)點(diǎn)位置詳見(jiàn)梁體測(cè)點(diǎn)布置示意圖如下所示：表3 30#主墩處1#塊梁段混凝土澆筑前后標(biāo)高實(shí)測(cè)表 從上表可知，混凝土澆筑完成后模板的沉降值除個(gè)別點(diǎn)外基本在2cm以?xún)?nèi)，和預(yù)提的2cm相吻合，也證明了掛籃模板系統(tǒng)