某斜拉大橋牽索式掛籃結(jié)構(gòu)

大橋牽索式掛籃結(jié)構(gòu)分析摘要介紹**大橋牽索式掛籃構(gòu)造，在此基礎(chǔ)上，按主梁施工的要求，選取多種工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)計算結(jié)果，對掛籃受力不利的工況提出預(yù)警，并給施工監(jiān)控單位拉索索力調(diào)整提供了重要參考。關(guān)鍵詞砼斜拉橋牽索式掛籃結(jié)構(gòu)分析１．工程概況**大橋是一座獨(dú)塔雙索面漂浮體系斜拉橋，大橋全長965ｍ，其中主跨252ｍ，邊跨175ｍ。斜拉橋結(jié)構(gòu)為雙索面、密索、扇型索面，塔墩固結(jié)，主梁漂浮的體系。斜拉索為平面鋼絞線斜拉索，江、岸側(cè)各有40對索（不含0號索）。梁上標(biāo)準(zhǔn)索距6ｍ，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長6ｍ，重約310噸，其對應(yīng)梁段號為A1～A16、J1～J39，采用牽索式掛籃懸臂澆注施工；邊跨密索區(qū)索距3ｍ，節(jié)段長3ｍ，于每個主肋內(nèi)側(cè)設(shè)單箱單（雙）室，箱內(nèi)填數(shù)量不等的片石（卵石）砼壓重，同時于邊跨尾部設(shè)置配重橫梁，邊跨密索區(qū)采用搭架現(xiàn)澆施工。大橋主梁采用分離式雙主肋截面，并于兩主肋之間設(shè)置兩道小縱梁，其間通過橋面板與橫隔梁相互連為整體形成正交異性板。斜拉索錨于主肋上，拉索處主肋高2.5ｍ，寬1.7ｍ，索塔根部部分主肋加寬至2.2ｍ，小縱梁0.9ｍ，寬0.5ｍ。行車道部分設(shè)1.5%的雙向橫坡，人行道部分設(shè)1%橫坡，全寬30ｍ，頂板厚0.25ｍ，每一節(jié)段設(shè)一道橫隔梁。按設(shè)計要求，本橋合龍順序為先邊跨，后中跨。按施工設(shè)計要求,主塔兩側(cè)標(biāo)準(zhǔn)梁段的懸臂澆筑需采用牽索式掛籃。２．結(jié)構(gòu)分析設(shè)計時，按施工荷載對掛籃主要構(gòu)件進(jìn)行局部計算，設(shè)計完成后用通用有限元程序?qū)旎@結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核。分析依據(jù)：省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院——《**大橋兩階段施工圖設(shè)計》、四川路橋集團(tuán)**大橋項目經(jīng)理部——《**大橋牽索式掛籃設(shè)計圖》以及**大橋監(jiān)控單位意見。掛籃包括以下幾部分：2.1承重系統(tǒng)主要包括兩根鋼箱主縱梁及前、中、后橫梁和加勁桁片組成。主縱梁采用Q345B和Q235B鋼板工廠組焊而成，斷面為1700x1800mm，頂板為24mm，側(cè)板和加勁板為16mm，底板為20mm。主縱梁前端為弧形首。中橫梁為工字形鋼梁，高1700mm，寬30mm；后橫梁由φ152x5mm鋼管與L75X75X8型鋼焊成加勁桁架，中后橫梁僅起增加掛籃整體剛度作用，受力較小，長2X3m，高度為1.653m，前橫梁因兼作橫隔梁澆注支架，故采用箱梁形式，斷面為600x1200mm，頂板為16mm，側(cè)板和加勁板為12mm，底板為16mm。前橫梁前端設(shè)型鋼桁架作為操作腳手架平臺。計算時用空間梁單元模擬主縱梁、中后橫梁與前橫梁，前、中后橫梁與主縱梁之間以剛臂聯(lián)系，不考慮型鋼桁架腳手架平臺對結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)，僅將其重量作為均布荷載添加到前橫梁上。2.2提升錨固及止推系統(tǒng)主要包括吊桿（即錨桿）和抗剪塊，行走掛鉤僅承受掛籃自重，澆注時由吊桿（前后錨桿）與斜拉索共同承受掛籃與節(jié)段砼重量。提升千斤頂采用液壓驅(qū)動螺旋千斤頂，以確保安全和調(diào)位方便，提高自動化。吊桿采用直徑φ80mm圓鋼。剪力鍵為分離式，設(shè)置于主縱梁上尾部，通過預(yù)留孔道，用8根精軋螺紋鋼將抗剪塊與預(yù)埋在已澆砼梁主肋上的鋼套箱緊密貼合，以抵消斜拉索的水平分力。計算時用空間桿單元模擬吊桿，吊桿與主縱梁之間以剛臂聯(lián)系，由于施工時預(yù)先將前后錨桿錨緊，故在剛臂位置將錨桿約束，實際上吊桿的應(yīng)力通過約束反力反算獲得，吊桿單元僅起施加自重的作用；由于剪力鍵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅以桿單元模擬剪力鍵前端部分，根據(jù)求得的反力可校核剪力鍵其余部分強(qiáng)度。圖1掛籃結(jié)構(gòu)總體布置圖（一）2.3定位調(diào)整系統(tǒng)掛籃縱橫向定位依靠設(shè)于主縱梁尾部的定位輪，每套掛籃設(shè)2個定位輪，掛籃平面位置可通過千斤頂調(diào)整。計算時用空間梁單元模擬定位輪，定位輪與主縱梁之間以剛臂聯(lián)系。2.4走行系統(tǒng)掛籃前移采用連續(xù)作用液壓千斤頂作動力，用于掛籃走行時的承重掛鉤通過高強(qiáng)度螺栓與主縱梁側(cè)面連接，走行面設(shè)置涂油鋼板，在主縱梁尾部設(shè)反力輪，以保證掛籃行走水平。計算時用空間梁單元模擬掛鉤及反力輪，掛鉤、反位輪與主縱梁之間以剛臂聯(lián)系。2.5模板系統(tǒng)頂板內(nèi)模采用鋼管系桿拱架，主拱管為無縫鋼管，為二次拋物線拱，矢跨比1/10。拱架在掛籃前移前下放至橫梁底標(biāo)高以下，掛籃移到位后再將拱架提升至標(biāo)高位置。主拱管上設(shè)鋼管立柱，立柱頂面設(shè)槽鋼分配梁，其上鋪以鋼板作為底模。主梁、小縱梁及橫梁側(cè)模均為大塊鋼模。小縱梁支架由兩塊槽鋼構(gòu)成，上鋪鋼板作為其底模。計算時用空間梁單元模擬拱架主拱管、立柱、平聯(lián)及分配梁，用空間桿單元模擬拱架系桿，利用轉(zhuǎn)動自由度釋放模擬鉸結(jié)構(gòu)。未考慮模板面板對結(jié)構(gòu)剛度貢獻(xiàn)，僅將其與主梁、小縱梁及橫梁側(cè)模當(dāng)作均布荷載施加至掛籃相應(yīng)位置。所有的其它設(shè)施，如鋼絲網(wǎng)平臺、提升牛腿及滑道等，均按集中或均布荷載施加至掛籃相應(yīng)位置。圖2掛籃結(jié)構(gòu)總體布置圖（二）3．工況分析3.1設(shè)計荷載根據(jù)施工圖設(shè)計要求，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段采用的牽索式掛籃承載力310t，空掛籃約重150t，設(shè)計時考慮沖擊系數(shù)1.1，施工機(jī)具及人群荷載150kg/m2。3.2施工工況主梁懸澆施工工序如下：掛籃安裝就位并錨固，完成加載實驗。安裝斜拉索轉(zhuǎn)換裝置，單根鋼絞線束掛索、張拉并使其受載均勻，將多根鋼絞線束束為一根斜拉索，同時安裝內(nèi)側(cè)模板。綁扎鋼筋，安裝預(yù)應(yīng)力管道，安裝外側(cè)模板。按設(shè)計值第一次整體張拉斜拉索到一定值?？刂茠旎@標(biāo)高到設(shè)計值，此時掛籃尾端因受拉而有離開梁底的趨勢，需將后錨點(diǎn)錨緊，防止掛籃脫位。檢查斜拉橋拉索錨環(huán)是否離開模板上的錨墊板，其間距應(yīng)大于4cm，如有差異，應(yīng)通過千斤頂進(jìn)行調(diào)節(jié)。檢查掛籃連接情況及模板、鋼筋安裝情況，使其均滿足設(shè)計要求。懸臂澆筑肋板及橫隔梁混凝土，從掛籃前端分層向后澆，并預(yù)留下一段掛籃錨固孔，此時掛籃尾端受向上的壓力，檢查梁底與掛籃間的支墊，以保持掛籃的正確位置。第二次張拉斜拉索，觀測掛籃前支點(diǎn)標(biāo)高，檢查是否符合設(shè)計要求。澆筑頂板及小縱梁混凝土?；炷琉B(yǎng)生，待強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計規(guī)定值（85%設(shè)計強(qiáng)度）后，拆除外側(cè)模板，施加預(yù)應(yīng)力。將斜拉索錨固端的錨環(huán)緊密地錨固在梁體錨墊板上，松開牽索系統(tǒng)的錨固螺栓，千斤頂回油，解除牽索系統(tǒng)與斜拉索的連接，通過錨環(huán)將斜拉索由牽索系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至梁體結(jié)構(gòu)上，從而實現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換。第三次張拉斜拉索至設(shè)計值，并進(jìn)行錨固。解除錨固系統(tǒng)的后錨點(diǎn)及水平反力支座對掛籃的約束；降下中支點(diǎn)千斤頂，使梁體與掛籃脫離，做好掛籃前移準(zhǔn)備。鋪好行走滑板，將掛鉤落在行走滑板上；將1000KN自動連續(xù)千斤頂平放在滑板前端的頂座上，并將牽引的精軋螺紋鋼一端與千斤頂連接，另一端與掛籃掛鉤相連。千斤頂同時反復(fù)頂拉，使掛籃前移，反向設(shè)倒鏈以保安全，掛籃尾部通過行走滾輪前進(jìn)。掛籃前移到位進(jìn)行下一節(jié)段的施工。根據(jù)主梁懸澆施工工序，并考慮到第一段懸澆時掛籃未完全安裝完成的特殊情況，確定27種荷載工況，為節(jié)省篇幅，僅列出幾種有代表性的工況：表1工況分析一（針對第一懸澆節(jié)段）工況序號工況描述1-2掛籃提升到位。前前后錨桿錨緊緊，拱架系桿桿施加20t預(yù)緊力。單單根鋼絞線索索張拉完成，張張拉應(yīng)力水平平控制在0.1σb（55.8T豎向力，12.722t水平力）。1-3掛籃提升到位。前前后錨桿錨緊緊，拱架系桿桿施加20t預(yù)緊力。單單根鋼絞線索索張拉完成，張張拉應(yīng)力水平平控制在0.15σb（83.7t豎向力，19.1t水平力）。1-7掛籃懸澆。前后錨錨桿錨緊，剪剪力鍵與預(yù)埋埋鋼箱緊密貼貼合，掛鉤不不參與結(jié)構(gòu)受受力，拱架系系桿施加20t預(yù)緊力。斜斜拉索整體張張拉，張拉應(yīng)應(yīng)力水平控制制在0.1σb（55.8t豎向力，12.722t水平力），一一節(jié)段砼澆注注完成，考慮慮1.1倍沖擊系數(shù)數(shù)。1-8掛籃懸澆。前后錨錨桿錨緊，剪剪力鍵與預(yù)埋埋鋼箱緊密貼貼合，掛鉤不不參與結(jié)構(gòu)受受力，拱架系系桿施加20t預(yù)緊力。斜斜拉索整體張張拉，張拉應(yīng)應(yīng)力水平控制制在0.15σb（83.7t豎向力，19.1t水平力），一一節(jié)段砼澆注注完成，考慮慮1.1倍沖擊系數(shù)數(shù)。表2工況分析二（針對第二懸澆節(jié)段）工況序號工況描述2-1掛籃在已澆砼梁上上行走。此時時掛鉤落在主主梁上，反力力輪頂在主梁梁底部，橫向向限位輪與主主梁側(cè)面緊密密貼合。2-2掛籃提升到位。前前后錨桿錨緊緊，拱架系桿桿施加20t預(yù)緊力，預(yù)預(yù)備澆注。2-3掛籃提升到位。前前后錨桿錨緊緊，拱架系桿桿施加20t預(yù)緊力。單單根鋼絞線索索張拉完成，張張拉應(yīng)力水平平控制在0.1σb（54.655t豎向力，17.0t水平力）。2-4掛籃提升到位。前前后錨桿錨緊緊，拱架系桿桿施加20t預(yù)緊力。單單根鋼絞線索索張拉完成，張張拉應(yīng)力水平平控制在0.15σb（82.0t豎向力，25.5t水平力）。2-5掛籃懸澆。前后錨錨桿錨緊，剪剪力鍵與預(yù)埋埋鋼箱緊密貼貼合，掛鉤不不參與結(jié)構(gòu)受受力，拱架系系桿施加20t預(yù)緊力。斜斜拉索整體張張拉，張拉應(yīng)應(yīng)力水平控制制在0.1σb（54.655t豎向力，17.0t水平力），一一節(jié)段1/2砼澆注完成成。2-6掛籃懸澆。前后錨錨桿錨緊，剪剪力鍵與預(yù)埋埋鋼箱緊密貼貼合，掛鉤不不參與結(jié)構(gòu)受受力，拱架系系桿施加20t預(yù)緊力。斜斜拉索整體張張拉，張拉應(yīng)應(yīng)力水平控制制在0.15σb（82.0t豎向力，25.5t水平力），一一節(jié)段1/2砼澆注完成成。2-7掛籃懸澆。前后錨錨桿錨緊，剪剪力鍵與預(yù)埋埋鋼箱緊密貼貼合，掛鉤不不參與結(jié)構(gòu)受受力，拱架系系桿施加20t預(yù)緊力。斜斜拉索整體張張拉，張拉應(yīng)應(yīng)力水平控制制在0.2σb（109.33t豎向力，34.0t水平力），一一節(jié)段1/2砼澆注完成成。2-8掛籃懸澆。前后錨錨桿錨緊，剪剪力鍵與預(yù)埋埋鋼箱緊密貼貼合，掛鉤不不參與結(jié)構(gòu)受受力，拱架系系桿施加20t預(yù)緊力。斜斜拉索整體張張拉，張拉應(yīng)應(yīng)力水平控制制在0.1σb（54.655t豎向力，17.0t水平力），一一節(jié)段砼澆注注完成，考慮慮1.1倍沖擊系數(shù)數(shù)。2-9掛籃懸澆。前后錨錨桿錨緊，剪剪力鍵與預(yù)埋埋鋼箱緊密貼貼合，掛鉤不不參與結(jié)構(gòu)受受力，拱架系系桿施加20t預(yù)緊力。斜斜拉索整體張張拉，張拉應(yīng)應(yīng)力水平控制制在0.15σb（82.0t豎向力，25.5t水平力），一一節(jié)段砼澆注注完成，考慮慮1.1倍沖擊系數(shù)數(shù)。2-10掛籃懸澆。前后錨錨桿錨緊，剪剪力鍵與預(yù)埋埋鋼箱緊密貼貼合，掛鉤不不參與結(jié)構(gòu)受受力，拱架系系桿施加20t預(yù)緊力。斜斜拉索整體張張拉，張拉應(yīng)應(yīng)力水平控制制在0.2σb（109.33t豎向力，34.0t水平力），一一節(jié)段砼澆注注完成，考慮慮1.1倍沖擊系數(shù)數(shù)。表3工況分析三（考慮第40懸澆節(jié)段）工況序號工況描述4-1掛籃懸澆。前后錨錨桿錨緊，剪剪力鍵與預(yù)埋埋鋼箱緊密貼貼合，掛鉤不不參與結(jié)構(gòu)受受力，拱架系系桿施加20t預(yù)緊力。斜斜拉索整體張張拉，張拉應(yīng)應(yīng)力水平控制制在0.2σb（123.55t豎向力，258.00t水平力），一一節(jié)段砼澆注注完成。圖3掛籃結(jié)構(gòu)計算模型4．主要結(jié)構(gòu)受力計算結(jié)果經(jīng)計算，得到掛籃主要構(gòu)件應(yīng)力及變形如表4所示。表4主要結(jié)構(gòu)受力計算結(jié)果（一）工況號結(jié)果工況1-2工況1-3工況1-7工況1-8工況2-2工況2-3工況2-4工況2-5主縱梁最大應(yīng)力（MPa）-33.3-62.4-99.5-40.641.6-32.2-60.8-34.3安全系數(shù)9.55.13.27.87.69.85.29.2主縱梁最前端豎向變位（mm）5.6511.2-10.82-5.3-7.26.813.9-5.0前橫梁最大應(yīng)力（MPa）-27.93-28.1110.4110.2-28.2-28.1-28.167.9前橫梁跨中豎向變變位（mm）-6.82-2.63-56.91-52.65-16.7-5.94-0.57-34.2前橫梁跨中-端部部豎向相對變變位（mm）11.0011.0048.3548.2511.111.111.130.0前錨桿最大應(yīng)力（MPa）-36.9-99.23229.4166.458.6-87.14-42.3880.57安全系數(shù)21.37.93.424.7213.49.018.59.7后錨桿最大應(yīng)力（MPa）263.5568-850.2-544.6-40.9839.1979.58-43.17主拱管最大應(yīng)力（MPa）-16.7-21.02-95.14-96.5319.1-16.6-20.9-72.0安全系數(shù)14.111.22.472.43-16.414.211.23.3拱頂跨中豎向變位位（mm）-0.063.53-35.08-31.614.38.425.45-24.6拱頂跨中-拱腳豎豎向相對變位位（mm）3.532.2827.4727.58-8.44.013.620.8單根前錨桿軸力（kN）-185.7-498.81153836.53.5-438-213405單根后錨桿軸力（kN）211.9456.8-683.8-438.0294.5197.0400.0-217.0注：懸澆第一節(jié)段時，后錨桿暫以精軋螺紋鋼代替。續(xù)表4主要結(jié)構(gòu)受力計算結(jié)果（二）工況號結(jié)果工況2-1工況2-6工況2-7工況2-8工況2-9工況2-10工況4-1主縱梁最大應(yīng)力（MPa）25.3-22.1-37.4-100.6-55.0-27.7-47.1安全系數(shù)12.514.38.43.15.711.46.7主縱梁最前端豎向變位（mm）-18.22.09.0-15.4-8.4-1.45.47前橫梁最大應(yīng)力（MPa）-32.867.968.0110.2110.2110.2101.3前橫梁跨中豎向變變位（mm）-28.9-28.8-23.5-60.5-55.1-49.8-40.8前橫梁跨中-端部部豎向相對變變位（mm）13.430.030.148.2348.148.344.4掛鉤最大應(yīng)力（MPa）72.44-1.65安全系數(shù)4.3190.9前錨桿最大應(yīng)力（MPa）046.8513.3156.27122.6589.068.8安全系數(shù)016.859.05.026.48.811.4后錨桿最大應(yīng)力（MPa）0-30.4437.00-113.6-73.61-32.6-25.7安全系數(shù)025.821.26.910.723.830.5主拱管最大應(yīng)力（MPa）-17.7-75.4-78.7-95.2-96.4-99.7-98.1安全系數(shù)13.33.13.02.52.42.362.4拱頂跨中豎向變位位（mm）-17.6-19.90-15.34-38.4-33.4-29.2-22.2拱頂跨中-拱腳豎豎向相對變位位（mm）3.420.7820.927.4527.127.625.3單根前錨桿軸力（kN）0235.567785.5616.5447.5346.0單根后錨桿軸力（kN）0-153.0186.0-571.0-370.0-164.0-129.0注：(1)拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)；變位值以掛籃初始位置作為參考點(diǎn)。(2)Q345鋼屈服強(qiáng)度偏安全取為315Mpa（36mm>t>26mm），抗剪強(qiáng)度為182.7Mpa；Q235鋼屈服強(qiáng)度取為235Mpa，抗剪強(qiáng)度為136.3Mpa，40Cr鋼屈服強(qiáng)度值為785Mpa；(3)不考慮止推系統(tǒng)與砼梁間摩擦力對抵抗拉索水平分力的貢獻(xiàn)，只考慮受剪鋼錠承受全部水平力；(4)第一段懸澆時，后錨桿暫以φ32的精軋螺紋鋼代替，其抗拉強(qiáng)度為750Mpa，單根破斷力為600kN，對于掛籃這樣的重要結(jié)構(gòu)，其使用荷載考慮不超過400kN，即拉應(yīng)力不應(yīng)超過498MPa；(5)對工況2-1，砼梁對一側(cè)的掛鉤與反力