基于Midas_Civil悬臂施工菱形挂篮仿真分析_罗小伟.pdf

摘要：基于某桥梁工程实例展开分析，借助 Midas Civil 对该项目浇筑工序所用挂篮进行仿真模拟，确定了浇筑作业时挂篮的内力水平及变形情况，同时验算了挂篮结构的稳定性。结果表明，（1）挂篮悬浇梁能够起到节省材料的作用；（2）该桥箱梁的截面高度大，腹板混凝土荷载较大，底篮纵梁弹性变形接近容许值，采用分层浇筑至顶板对称施工，可以控制分层厚度；（3）挂篮施工时，需反复调整锚杆内锚固力和吊带装置；（4）挂篮施工受到风荷载侧向作用力影响时，需考虑保温材料荷载，为桥梁悬臂挂篮施工提供了指导和参考。关键词：菱形挂篮；Midas Civil 计算软件；仿真分析中图分类号：U445.466文献标志码：B文章编号：1009-7716（2023）01-0159-03基于 Midas Civil 悬臂施工菱形挂篮仿真分析收稿日期：2022-01-26作者简介：罗小伟（1995），男，本科，助理工程师，从事桥梁工程技术研究工作。罗小伟，宁丽艳，张 桥，韩福德，黄 刚（中建一局集团第二建筑有限公司，北京市 102600）DOI:10.16799/ki.csdqyfh.2023.01.0400引言随着城市立体交通网络的发展，出现了越来越多的城市跨线、跨河桥梁，挂篮悬臂浇筑施工因此被广泛使用1。研究表明，挂篮的承载能力、稳定性及变形性能对桥梁工程的质量起着决定性作用2。借助Midas Civil 完成建模、有限元分析即可对结构做出力学验算3，指导技术人员研判结构的可靠性，并为结构的进一步处理提供数据支持。1工程概况本文以某桥梁工程为例展开分析。该项目全长约 516.0 m，设计边中跨比为 0.6。桥梁上部结构选用连续箱梁，其材料选为预应力混凝土，预应力施加方向为纵、横双向。顶板设计宽度约为 12.2 m，且设计有坡度为 2%的单向坡；底板设计宽度约为 6.2 m，且设计有坡度为 2%的单向坡。同时，翼缘板悬挑伸出长度约为 3.0 m。本项目设计方案选用菱形挂篮悬臂浇筑，项目沿线共设置有 4 个 T 构、3 套挂蓝。其中，挂篮的设计宽度约为 15.0 m。箱梁按照施工的实际条件可在东、西半幅各 2 个主墩的墩顶处划分为 1 个支架现浇段，即 0 号区段。以 0 号区段为中心向箱梁两端分别划分 12 个挂篮悬浇段，即 112 号区段。其中，15 号区段、510 号区段和 1112 号区段分别长约 3.0 m、3.5 m 和 4.0 m。2挂篮设计计算2.1主要技术参数（1）混凝土自重 GC=25.0 kN/m3，混凝土湿重系数1.04。（2）钢弹性模量 ES=2.1105MPa。（3）各种钢材强度设计值参照 钢结构设计标准（GB 500172017），挂篮主桁、节点箱为 Q235 钢材，主销轴为 40Cr 钢材。钢吊带为 Q345 钢材，精轧螺纹钢型号为 PSB785。2.2挂篮构造（1）主桁系统。挂篮为菱形挂篮，主桁前上横梁杆件为 2 根40 工字钢加焊 2 cm 缀板组合受力，立柱杆件用 2 根 32 槽钢与 2cm 缀板焊接而成。每个腹板位置处设置 1 片主桁片，共 2 榀主桁片，横向平联将 2 片桁架片联结系连接起来构成一个整体。（2）底篮系统。底篮前下横梁使用 2 根40 工字钢，后下横梁使用 2 根40 工字钢，纵梁采用 HN350175 型钢，纵梁在底板位置处横向按 53 cm 间距布置，腹板底横向按 20 cm 间距布置。纵梁跟前、后横梁用焊接进行连接。（3）吊带及后锚系统。吊带采用 200 mm16 mm矩形钢吊带，前断面横梁共采用 6 根吊带，导梁采用2 根精轧螺纹钢。后断面底板 3 根精轧螺纹钢，顶板2 根精轧螺纹钢，翼缘板 2 根精轧螺纹钢。主桁架锚固时，每个节点箱后锚梁 3 组，共 6 根精轧螺纹钢。（4）行走系统。轨道采用 2 根 25a 槽钢，挂篮反扣轮作用上缘加焊 1 cm 厚钢板组合受力，轨道相邻节URBAN ROADS BRIDGES&FLOOD CONTROL第 1 期（总第 285 期）2023 年 1 月管理施工159段之间采用 4 组螺栓进行连接。轨道锚固钢筋采用长1.5 m 精轧螺纹钢筋，外露 25 cm，腹板锚固 1.25 m。（5）模板体系。采用定型钢模板。2.3有限元建模2.3.1结构空间几何模型假定本项目所建立的有限元模型满足以下假设：（1）以梁单元来代替实体挂篮结构中的杆件，杆件间的连接做释放梁端约束处理。（2）以杆件中性轴来表征单元的空间位置。（3）不考虑由于杆件搭接带来的空间错动，其模型如图 1 所示。2.3.2约束条件（1）一般支承a.菱形挂篮 2 个后锚点采用固定铰支座模拟，现场实际为 12 根精轧螺纹钢受力。b.以滑动铰支座来替代实体挂篮的前支点，同时做出横向约束。c.内滑梁及外导梁吊杆与混凝土面之间的连接采用固接进行模拟。（2）连接模拟a.对于前上横梁、底篮后下横梁与吊带或精轧螺纹钢接触为铰接，铰接采用释放梁端的抗弯刚度的方式模拟。b.在模拟分析中以刚接替代焊接，导致计算机分析的杆端弯矩略大于实际杆端弯矩。c.非接触点均看作刚接处理。2.3.3考虑的荷载（1）静荷载：挂篮、模板以及新浇混凝土的自重。（2）可变荷载：施工人员及施工机具运输或堆放的荷载、振捣混凝土时产生的竖向荷载、风荷载。2.4结构分析结果按照设计方案中可能出现的各类不利条件，结构分析主要针对底篮及主桁系统展开分析，且分别对挂篮前移（工况一）和重量最大区段的混凝土浇筑（工况二）两种不同工况下结构的强度展开验算，得到如下结果。2.4.1应力结果借助 Midas Civil 有限元分析软件对底篮、主桁以及悬吊系统做计算机分析，即可得到结构内应力水平（见表 1）。从工况一下的有限元分析中可以发现，主桁系统中应力峰值出现在前支点位置，其值为 44.7 MPa，应力分布如图 2 所示；底篮系统中应力峰值出现在下横梁腹板位置，其值为 74.1 MPa，应力分布如图 3 所示。从工况二下的有限元分析中可以发现，主桁系统中应力峰值出现在前支点位置，其值为 156.8 MPa，应力分布如图 4 所示；底篮系统中应力峰值出现在腹板对应纵梁跨中位置，其值为 200.4 MPa，应力分布如图 5 所示。罗小伟，等：基于 Midas Civil 悬臂施工菱形挂篮仿真分析图 1Midas Civil 中建立的挂篮模型表 1主要构件应力计算图 3工况一下底篮系统应力分布图 2工况一下主桁系统应力分布构件名称荷载工况/MPa最不利工况下的应力/MPa容许应力/MPa结论工况一工况二底篮下纵梁74.1200.4200.4205不满足下横梁27.4195.8195.8205满足主桁架44.7156.8156.8205满足吊带17.389.289.2295满足图 4工况二下主桁系统应力分布2023 年第 1 期160（下转第 165 页）2.4.2位移结果根据 桥梁悬臂浇筑施工技术标准 的要求：（1）挂篮最大允许变形量不超过 20 mm；（2）受载后挠曲的构件，其承载状态的弹性挠度不应大于 L/400；（3）受载后挠曲的构件，其空载状态的弹性挠度不应大于 L/250。当挂篮向前移动时，可先将后锚件拆除并下放底篮系统，使其能够自由活动。由工况一下的有限元分析可知，主桁系统中位移峰值出现在前上横梁与主桁纵梁连接位置，其值为 6.1 mm；底篮系统中位移峰值出现在前下横梁双拼工字钢端部，其值为 8.6 mm。由工况二下的有限元分析可知，主桁系统中位移峰值出现在前上横梁与主桁纵梁连接位置，其值为 17.6 mm；底篮系统中位移峰值出现在腹板位置纵梁跨中位置，其值为 32.9 MPa。2.4.3锚固系统计算在每榀主梁中设计有 3 组后锚筋，每组 2 根。后锚筋应力可按下式计算：单根吊杆拉力：N单=N/6=906.4/6=151 100N吊杆拉应力：=N单/A=151 100/804.2=187.9 MPa670 MPa2.4.4主构架销轴验算本工程挂篮设计销轴材料为 40Cr，直径 D=100mm，其许用剪应力为 534 MPa。依据规范规定销轴最小需满足 2 倍安全系数，求得允许剪应力=267 MPa即每个销轴所能承受最大应力为 267 MPa。销轴最大允许剪力F=（d2）2，得 F=2 096 kN即每个销轴所能承受最大轴力为 2 096 kN。由主桁内力图可知，主构架内产生的最大轴力为1 375.6 kN，则主桁销轴承受的最大剪力为 1 375.6 kN，小于F=2 096 kN，满足要求。此挂篮设计销轴拉板厚度为 30 mm，菱形架槽钢壁厚 10 mm，因此销轴拉板总厚度为 40 mm，按销轴所能承受最大轴力 F=1 375.2 kN 考虑：销轴板所受轴力为：P=F2=1 375 2002=687 600N销轴板厚度为 PD，求得 =28.5 mm。通过上述公式计算可知，在销轴所能承受的最大轴力下，销轴板总厚度 =28.5 mm，小于 40 mm，满足要求。2.5行走状态抗倾覆验算2.5.1后锚点焊缝验算反扣轮上部与主构架为满焊连接，焊缝强度验算如下：Nhelwffwf=200.7（340+400-220）1215=2 107 kN即 此 反 扣 轮 处 焊 缝 所 能 承 受 最 大 拉 力 N=2 107 kN。由模型分析得行走状态单侧菱形架后锚点最大反力为 148.8 kN，小于 2 107 kN，满足要求。2.5.2后锚点销轴强度验算单片主桁架反力由 2 个 55 mm 反扣轮销轴受力，材质为 40Gr，所能承受最大应力为 534 MPa。依据规范规定销轴最小需满足 2 倍安全系数，因此通过计算求得允许应力=267 MPa，即每个销轴所能承受最大应力 267 MPa。求得F=634.0 kN，即每个销轴所能承受最大轴力为 634.0 kN。依模型反力图可得，行走状态下挂篮后锚反扣轮处拉力为 148.8 kN，小于 634.3 kN。3结语本文以我国某工程为例，结合有限元分析软件展开仿真模拟，为挂篮的施工提供了指导，并对同类型工程的开展带来了相应的参考。根据该项目的数值模拟分析，可以得出以下结论：（1）挂篮自身重量为 80，其与悬浇梁段重量之比为 0.31，小于 0.5，能够起到节省材料的作用。（2）由于该桥箱梁的截面高度大，混凝土浇筑时，腹板混凝土荷载较大，底篮纵梁计算得出的弹性变形接近容许值。不同加载方式下结构的变形存在较大差异，所以在浇筑混凝土时，应当遵照“由中至边对称进行”“先底板，再腹板，后顶板”的基本原则。对于腹板较高的节段，可采用分层浇筑至顶板，分层时T 构两端左右腹板对称施工，控制分层厚度。（3）在浇筑工序施工之前，应当反复调整锚杆内锚固力至合适水平。（4）挂篮前移动时，拆除后锚梁后侧模落到滑梁罗小伟，等：基于 Midas Civil 悬臂施工菱形挂篮仿真分析图 5工况二下底篮系统应力分布2023 年第 1 期161（上接第 161 页）上滑动，放松吊带后底模下放，在该情况下挂篮的反压轮则扣压在轨道上便于吊篮移动。首先，应严格控制轨道的平整度和平直度，避免行走过程中产生较大晃动，保证挂篮施工作业人员安全。其次，为防止连接桁架的平联产生较大的内力，严格控制挂篮两榀桁架行走时产生的位移差。（5）当挂篮移动至合适位置后，需要及时调整吊带装置至合适状态。（6）挂篮行走时，风荷载会给挂篮侧向的作用力，如冬季施工需要对挂篮进行保温覆盖，则在挂篮稳定性计算需提前考虑保温材料荷载。参考文献：1 庄晓.大型菱形挂篮在高墩大悬臂条件下的安拆技术J.工程建设与设计，2020（15）:196-198.2 李扬奇.桥梁工程中大跨度箱形连续梁菱形挂篮悬灌施工技术J.低碳世界，2021，11（4）:244-245.3 何泉.桥梁工程中的挂篮施工技术要点探究J.工程建设与设计，2020（17）:166-167，173.图 5系梁、拱肋应变与变形实测计算结果综上所述，在本次吊杆更换施工过程中桥梁结构变形、应变均小于理论值，说明结构处于安全状态。吊杆更换完成后，系