菱形挂篮预压方案的仿真计算分析与比较

周勤华

（江阴市华士水利农机服务站，江苏 无锡 214421）

1 概述

挂篮悬臂浇筑施工法是1959年首先由前联邦德国迪维达克创造和使用，因此又称迪维达克施工法。挂篮悬臂施工技术含量高，设备投入少，施工方便，而且箱梁的应力和弯矩分布更加合理，施工过程中挂篮和模板可重复使用，无需大型吊机，不影响桥下正常交通，已成为修建大中跨径桥梁的一种极为有效的施工手段。随着挂篮施工在桥梁建设中的不断推广，挂篮形式也在不断发展创新，从结构形式看目前主要有：菱形挂篮、平行桁架式挂篮、三角形组合梁式挂篮、弓弦式挂篮、斜拉式挂篮等；从抗倾覆的受力方式看有：压重式、锚固式和半压重半锚固式；从移动方式看有：滚动式、滑动式和组合式。菱形挂篮可以看作平行桁架式挂篮的简化和改进，其上部结构为菱形，其菱形结构后端锚固于已浇梁段上，结构形式简单，无需平衡压重，自重较轻。

挂篮是悬臂施工的关键设备，它与施工进度、梁的线形、混凝土质量和人员安全密切相关。因此，在正式施工前必须对挂篮体系施工荷载情形进行预压试验，测得各级加载阶段的弹性变形值，准确把握挂篮本身的变形情况，为挂篮施工的节段抛高提供计算的依据。

桥梁挂篮加载预压方法主要有：砂袋堆载法、水箱加载法、张拉钢绞线加载法等。本文采用Midas Civil 2010有限元软件，模拟三种预压方案下挂篮的受力、变形情况，对比分析三种预压方案的优缺点，为工程施工提供一定的理论依据。

2 挂篮方案及三种预压方案仿真计算方法

图1所示是一常见的菱形挂篮，主要由桁片、吊杆、前后横梁、底模系、外滑梁、滑轨、前支点、后锚点等组成。桁片采用32a槽钢，前、后横梁采用40a槽钢，吊杆采用32 mm的精轧螺纹钢。为分析、比较三种常见预压试验方案，以此菱形挂篮为例，采用通用有限元软件Midas Civil 2010模拟三种常见预压方案，有限元模型见图2。下前横梁上设置观测点，设置在下吊点位置处，共设置6个观测点［见图1（b）中，梁段右侧依次还有观测点 4、5、6］，比较几种预压方案的变形情况。

进行有限元建模时，采用只承受拉力的桁架单元模拟吊杆，并且按面积相等原则将图1（b）中观测点1、2处的两根吊杆等效成一根吊杆。采用梁单元模拟桁片等其他部件，利用约束条件将桁片节点处模拟为铰接、刚接等情况。

3 三种常用预压方案的计算分析与对比

图1 挂篮结构示意图

3.1 实际梁段作用在挂篮的仿真计算及砂袋预压方案仿真计算

3.1.1 梁段重量在底模的分布计算

梁段混凝土重量在底模上分布情况可以近似采用分块方法计算。以一单箱3室的梁段为例，如图3所示，将梁段重量分为13个小块，其中第13块为底板重量平均分布在底模上，并通过底模下的纵梁传递到挂篮前、后下横梁上，8～12块重量传递到各自腹板下的底模上，1～7块的重量也通过腹板传递到底模。假设传递到中、边腹板的力分别为：F1、F2，F1、F2绕箱梁中心线位置的力矩与1～7各块重量绕箱梁中心线位置的力矩相等。根据力矩平衡可以求得F1、F2，计算得各分块号的重量及弯矩具体情况见表1。

根据表1，计算得1～7块传递到腹板的重量分别为：F1=95.5 kN和F2=293.8 kN，将 F1、F2和 8～13 分块重量相应叠加可以得到梁段重量在底模上的分布。

3.1.2 实际梁段作用在挂篮的仿真计算

采用3.1.1中方法计算得梁段重量在底模上产生的荷载大小，将荷载施加在底模纵梁上，采用梁单元加载。由计算可知，腹板下的底模所受荷载较大，其他部分荷载较为均匀，所加荷载具体见表2。

3.1.3 砂袋预压方案仿真计算

砂袋预压方案能够较真实地模拟实际梁体重量分布情况，仿真计算时可以采用3.1.2中荷载加载，仿真计算结果与实际梁段作用于挂篮的结果相同。

3.2 张拉钢绞线方案的仿真计算及合理张拉力的确定

张拉钢绞线的预压方案，方便易操作、受力大小易准确控制，加载周期短，在张拉时需要在挂篮下预先设置反力架作为钢绞线的锚固端，张拉端可以设置在下前横梁上。

张拉钢绞线预压方案的关键是张拉力的确定，本文主要分析两种张拉钢绞线预压方案。方案一：张拉端设置在下前横梁上各吊杆下吊点处（除最外侧下前横梁两端两根吊杆，此处为横梁端部，离底模较远受力很小），各点的张拉力均匀分布，张拉力的大小根据梁段重量以及梁段重心沿纵向距挂篮前支点和吊杆的距离确定；方案二：张拉力为3.1中模拟实际梁段作用于挂篮而计算得到的各吊杆力，张拉位置为各吊杆下吊点处的横梁上。

图2 Midas计算模型

图3 梁段重量在底模分布计算图

3.3 水箱预压方案的仿真计算

水箱预压方案对水箱的密封性和水箱侧壁的刚度要求很高，由于水的比重小于混凝土，预压时水箱高度要超过梁高。水箱预压相当于梁段重量均匀分布在梁底部分的底模上，建模时将梁段重量1586.96 kN均匀加载在梁段底板部分的底模上，重量简化成线荷载施加在底模纵梁单元上，加载长度为梁段长度。

3.4 三种预压方案的对比分析

3.4.1 预压方案仿真计算结果分析

运用有限元软件对各预压方式进行仿真模拟，得到桁片上吊点位置的变形值以及各观测点变形值，分别见表3和图4。实际梁段作用于挂篮的仿真结果为：边桁吊点变形值和中桁吊点变形值分别为-3.35 mm、-1.81 mm，观测点变形值显示由测点1到测点6大致呈凹型。

分析表3可知，水箱预压方案与梁段作用于挂篮的仿真结果相差最大，中桁吊点变形值相差1.07 mm，边桁吊点变形值相差1.07 mm。张拉钢绞线预压方案1与梁段作用于挂篮的仿真结果相差较大，中桁吊点变形值相差0.66 mm，边桁吊点变形值相差0.66 mm。张拉钢绞线预压方案2与梁段作用于挂篮的仿真结果最为接近，中桁吊点变形值完全相同，边桁吊点变形值仅相差0.01 mm。

表1 梁段重量在底模的分布计算表

表2 底模纵梁荷载表

表3 各预压方案的桁架吊点变形值

图4 各预压方案的观测点变形值对比

分析图4可知，张拉钢绞线预压方案1，观测点变形值显示由测点1到测点6呈凸型，其变形趋势与实际梁段作用下的变形不同。水箱预压方案，观测点变形值显示由测点1到测点6大致呈凹型，1、6测点的变形几乎为零，与梁段作用于挂篮的仿真结果相差9.7 mm，3、4测点的变形值相差6.8 mm。张拉钢绞线预压方案2，观测点变形值显示由测点1到测点6呈凹型，且数值大小与梁段作用于挂篮的仿真结果几乎完全重合。

三种预压方案中，砂袋预压可以按照实际梁段重量分布布置砂袋，砂袋预压能够较为准确地模拟实际梁段对挂篮的作用情况，水箱预压与实际梁段相差很大，张拉钢绞线预压方案2通过有限元计算得到的吊杆力来确定张拉力，与实际梁段对挂篮的作用最为接近。

3.4.2 三种常用预压方案的优缺点

通过计算分析，三种常用预压方案的优缺点详细总结见表4。砂袋预压能够接近实际梁段重量分布，但是施工难度大，易受天气影响，试验周期长。水箱预压方案虽然加载、卸载

4 结论

挂篮施工在大中跨度桥梁中有着非常广泛的应用，对其的研究探讨也在不断持续和深入。挂篮的预压试验非常重要，它不仅可以消除挂篮的残余变形，而且通过预压试验得到荷载与挂篮本身的变形关系，为后期悬臂浇筑线形控制提供可靠的依据。

本文讨论梁段重量在挂篮底模上分布情况的计算方法，通过有限元模拟计算，对比分析了三种常用挂篮预压方案与实际梁段加载的接近程度。水箱预压方案难以达到实际梁段方法简单，但是对水箱密封和刚度要求高，水箱高度也较高，具有一定危险性，该方案也难以取得同实际梁段重量分布接近的结果，故不推荐采用该种预压方案。张拉钢绞线的预压方案最方便、快捷，张拉力控制准确、易操作而且能够取得接近实际的预压效果，该方案的关键是张拉力和张拉位置的确定，本文建议采用模拟实际梁段作用于挂篮的仿真计算结果（吊杆力）作为张拉力值，张拉位置为各吊杆下吊点处的横梁上。加载的效果，砂袋预压接近实际情况，但是施工难度较大，张拉钢绞线预压方案施工简便、周期短、工作量少、预压力控制准确、不受天气影响、安全性较好，并且在模拟计算中接近实际梁段加载的效果。因此，张拉钢绞线预压方案是最为优选的预压方案。合理地确定张拉力和张拉力的位置是张拉钢绞线预压方案的关键，建议根据模拟计算得到的实际梁段作用于挂篮时的吊杆力来确定预压方案张拉力。

表4 三种常用挂篮预压方案优缺点对比