掛籃荷載對(duì)獨(dú)塔斜拉橋主梁施工狀態(tài)影響分析

1、 掛籃荷載對(duì)獨(dú)塔斜拉橋主梁施工狀態(tài)影響分析The effect of cradle load on the girder construction states of single-tower cable-stayed bridges焦夢(mèng)瑩,方詩(shī)圣（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）摘要：斜拉橋主梁懸澆施工中主要承受的外荷載為掛籃施工荷載。本文結(jié)合某在建獨(dú)塔斜拉橋掛籃施工過程，采用Midas/civil有限元軟件模擬探討三種不同自重的掛籃方案對(duì)主梁施工狀態(tài)的影響，詳細(xì)對(duì)比不同掛籃荷載時(shí)主梁的應(yīng)力和變形，研究結(jié)果可為同類斜拉橋懸澆施工掛籃荷載設(shè)計(jì)提供參考。關(guān)鍵詞：獨(dú)塔斜拉

2、橋；掛籃荷載；懸澆施工；應(yīng)力；變形；有限元0 引言我國(guó)在大跨度橋梁建設(shè)中,普遍應(yīng)用鋼筋混凝土斜拉橋1，采用掛籃懸澆施工是斜拉橋主梁施工的方法之一2，與支架現(xiàn)澆、懸拼、頂推等其它方法相比，掛籃施工具有結(jié)構(gòu)輕、拼制簡(jiǎn)單方便，不受橋下通航、凈空、河道水位等限制等優(yōu)點(diǎn)3-4。實(shí)際中的斜拉橋由于施工進(jìn)度、合理索距等要求，懸澆節(jié)段較長(zhǎng)，且大多為寬幅橋面5-6，因此大節(jié)段懸澆往往對(duì)掛籃的自重和自身剛度提出了雙重要求7-8。施工規(guī)范9-10建議掛籃重量與梁段混凝土的重量比值宜控制在0.30.5之間，特殊情況下也不應(yīng)超過0.7。本文針對(duì)某在建獨(dú)塔斜拉橋采用掛籃懸澆施工，采用有限元軟件模擬對(duì)比三種不同掛籃荷載對(duì)主

3、梁受力和變形的影響，為該橋掛籃自重設(shè)計(jì)提供依據(jù)。1 工程概況背景橋梁為一座雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土獨(dú)塔斜拉橋，采用半漂浮體系，跨徑為124 + 124m。斜拉橋主梁采用等截面的雙邊箱梁結(jié)構(gòu)，梁高3m，橋面總寬32.5m；主塔總高為109m，橫橋?yàn)槎嘈膱A曲線型；斜拉索采用扇形布置，橋塔兩側(cè)各15對(duì)，主梁基本索距為7.0m，橋塔基本索距2.0m。該橋主梁施工方案為0#號(hào)塊采用托架現(xiàn)澆，1#17#號(hào)塊（其中1#3#長(zhǎng)為4.3m；4#17#長(zhǎng)為7.0m）采用掛籃懸澆施工，過渡墩6.65m長(zhǎng)現(xiàn)澆段采用支架現(xiàn)澆，合攏段為吊架合攏。主梁混凝土采用C50，標(biāo)準(zhǔn)懸澆梁段長(zhǎng)7.0m，混凝土重約為440t。 圖1 獨(dú)塔斜

4、拉橋跨徑總體布置圖 （單位：cm）2 有限元模型建立2.1 Midas橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型全橋采用Midas/Civil有限元軟件進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)施工仿真模擬。主梁和主塔皆采用空間桿系單元，斜拉索采用桁架單元。主梁?jiǎn)卧x散節(jié)點(diǎn)根據(jù)主梁懸澆實(shí)際位置和拉索錨固位置劃分共計(jì)198個(gè)梁?jiǎn)卧?0個(gè)桁架單元；根據(jù)實(shí)際施工方案共劃分為96個(gè)施工階段。邊界條件：墩底采用全固結(jié)約束，主墩和過渡墩支座根據(jù)實(shí)際考慮六個(gè)自由度的約束。圖2 有限元計(jì)算模型圖2.2 三種掛籃荷載掛籃荷載在模型中等效為豎向集中力和繞主梁橫軸的集中彎矩，施加于上一已澆梁段懸端節(jié)點(diǎn)11。集中力為掛籃自重P，等效彎矩為掛籃自重P與已澆梁段1/2長(zhǎng)度的

5、乘積。根據(jù)規(guī)范建議的“掛籃質(zhì)量與梁段混凝土的質(zhì)量比值宜控制在0.30.5之間，特殊情況下也不應(yīng)超過0.7” 9-10 。三種掛籃自重分別取為7m標(biāo)準(zhǔn)梁段重（440t）的0.3倍（132t）、0.5倍（220t）和0.7（308t）倍，則三種掛籃自重方案的等效荷載如表1。表1 三種掛籃方案等效荷載表掛籃方案掛籃自重質(zhì)量比掛籃等效荷載4.3m梁段7.0m梁段方案1132t0.31320 kN +2838kNm1320 kN +4620 kNm方案2220t0.52200 kN +4730 kNm2200 kN +7700 kNm方案3308t0.73080 kN +6622 kNm3080 kN

6、+10780 kNm 注：質(zhì)量比為掛籃自重與7m標(biāo)準(zhǔn)梁段自重比值。3 不同掛籃荷載對(duì)主梁施工的影響結(jié)果3.1 主梁截面正應(yīng)力變化對(duì)比由于主橋結(jié)構(gòu)對(duì)稱，選取主塔南側(cè)主梁的根部截面（2號(hào)截面）、1/4跨截面（6號(hào)截面）、跨中截面（11號(hào)截面）、3/4跨截面（18號(hào)截面）4個(gè)截面，針對(duì)三種不同掛籃荷載方案下所選截面頂緣和底緣正應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析。圖36為截面頂緣應(yīng)力變化對(duì)比圖；圖710為截面底緣應(yīng)力變化對(duì)比圖。其中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。 圖3 2號(hào)截面頂緣應(yīng)力變化對(duì)比圖 圖4 6號(hào)截面頂緣應(yīng)力變化對(duì)比圖 圖5 11號(hào)截面頂緣應(yīng)力變化對(duì)比圖 圖6 18號(hào)截面頂緣應(yīng)力變化對(duì)比圖 表2 三種方案下截面頂緣

7、施工時(shí)的最大拉應(yīng)力表 單位：MPa方 案截面頂緣最大拉應(yīng)力拉應(yīng)力允許值0.7ftk2號(hào)截面6號(hào)截面11號(hào)截面18號(hào)截面方案10.9200.1601.86方案21.800.220.7401.86方案32.570.961.6101.86隨著掛籃荷載的增大，施工中局部截面頂緣出現(xiàn)的拉應(yīng)力依次增大，成橋后的壓應(yīng)力儲(chǔ)備依次減小。懸臂越大時(shí)，遠(yuǎn)離主塔的主梁截面應(yīng)力受掛籃荷載影響越小。三種方案的18號(hào)截面頂緣應(yīng)力幾乎無差異。懸澆施工掛籃荷載對(duì)主梁根部的影響最大，頂緣拉應(yīng)力起著控制作用，方案三出現(xiàn)根部頂緣拉應(yīng)力超限。截面頂緣壓應(yīng)力最大值均不超過7MPa，小于規(guī)范0.7fck10。圖7 2號(hào)截面底緣應(yīng)力變化對(duì)比

8、圖 圖8 6號(hào)截面底緣應(yīng)力變化對(duì)比圖圖9 11號(hào)截面底緣應(yīng)力變化對(duì)比圖 圖10 18號(hào)截面底緣應(yīng)力變化對(duì)比圖 表3 三種方案下截面底緣施工時(shí)的最大壓應(yīng)力表 單位：MPa方 案截面底緣最大壓應(yīng)力壓應(yīng)力允許值0.7fck2號(hào)截面6號(hào)截面11號(hào)截面18號(hào)截面方案116.208.8811.406.3522.68方案217.2011.2014.406.4522.68方案318.0013.2017.006.5322.68由圖7圖10可知，各截面底緣的壓應(yīng)力隨著掛籃荷載的增大依次增大，整個(gè)過程中均未出現(xiàn)拉應(yīng)力。在跨中位置，底緣壓應(yīng)力為全主梁最大值出現(xiàn)位置，最大值為18.0MPa，掛籃荷載過大會(huì)對(duì)主梁施工中壓

9、應(yīng)力控制不利。由表3可知，掛籃荷載不同對(duì)主梁跨中附近截面影響較大，三種方案底緣壓應(yīng)力差值明顯，根部與遠(yuǎn)端截面差距較小。3.2 主梁豎向變形對(duì)比計(jì)算仍選取主塔南側(cè)主梁的根部截面（2號(hào)截面）、1/4跨截面（6號(hào)截面）、跨中截面（11號(hào)截面）、3/4跨截面（18號(hào)截面）4個(gè)截面，對(duì)三種掛籃荷載方案主梁4個(gè)截面的豎向變形進(jìn)行施工階段的對(duì)比分析。 圖11 2號(hào)截面豎向變形變化對(duì)比圖 圖12 6號(hào)截面豎向變形變化對(duì)比圖 圖13 11號(hào)截面豎向變形變化對(duì)比圖 圖14 18號(hào)截面豎向變形變化對(duì)比圖 表4 三種方案下截面施工中最大豎向變形表 單位：cm方 案2號(hào)截面6號(hào)截面11號(hào)截面18號(hào)截面 方案1-1.53

10、-7.21-15.52-24.72方案2-1.70-7.95-16.50-24.93方案3-1.85-8.94-17.89-25.12注：負(fù)號(hào)表示相對(duì)于原始主梁建模時(shí)位置向下。由圖11圖14及表4對(duì)比三種掛籃荷載作用下所選截面的豎向結(jié)構(gòu)位移可知，隨著掛籃荷載的增大，豎向位移變化差距較小，方案一與方案三最大的位移差距也在1cm以內(nèi)。因此不同掛籃荷載方案對(duì)主梁施工時(shí)位移變化的影響較小。4 結(jié) 語 （1）斜拉橋主梁懸澆施工的掛籃荷載不同對(duì)主梁截面的應(yīng)力影響較為明顯，較重的掛籃荷載可能會(huì)造成施工中主梁的應(yīng)力超限。經(jīng)分析，掛籃越輕巧，越有利于施工中主梁應(yīng)力控制和成橋后壓應(yīng)力儲(chǔ)備。（2）不同的掛籃荷載方案

11、對(duì)施工中的主梁豎向變形影響較小。（3）掛籃的設(shè)計(jì)應(yīng)注重輕型化，輕型掛籃雖然有利于主梁應(yīng)力控制，但掛籃輕型化設(shè)計(jì)同時(shí)保證自身剛度滿足施工要求值得進(jìn)一步綜合考慮。參考文獻(xiàn) 1 崔林釗. 六安市淠望路大橋牽索掛籃設(shè)計(jì)J工程與建設(shè)，2009，23(5)：667-6692 林元培. 斜拉橋M.北京：人民交通出版社,19943 向中富. 橋梁施工控制技術(shù)M北京：人民交通出版社，20014 范立礎(chǔ). 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋M北京：人民交通出版社，19995 盧元?jiǎng)偅鮿倌?，楊友? 寬幅部分斜拉橋箱梁掛籃設(shè)計(jì)要點(diǎn)J山西建筑，2012，38(26)：180-1826 王彬. 寬幅掛籃在混凝土梁橋施工中的應(yīng)用J長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，21(3)：32-347 林玉森，張運(yùn)波，強(qiáng)士中. 寬橋面掛籃設(shè)計(jì)與懸灌施工技術(shù)J鐵道工程學(xué)報(bào)，