迎客大桥牵索挂篮施工总体计算分析

王 美 坡

(华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510641)

迎客大桥牵索挂篮施工总体计算分析

王 美 坡

(华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510641)

结合在建的迎客大桥斜拉桥牵索挂篮施工实例，通过简化构件计算，确定了构件截面尺寸及性质，拼接成整体结构并运用ANSYS软件进行了有限元分析计算和优化设计，模拟挂篮各种工况下的应力和变形，为牵索挂篮施工提供了参考。

斜拉桥，牵索挂篮，有限元模型，工况

1 工程概况

迎客大桥主梁采用双幅设计，仅在桥塔处通过主塔横梁连为一体。单幅主梁为整体开口梁板式π形断面，双向预应力混凝土结构，纵向设置横隔板，横隔板标准间距为8 m。为形成单幅桥面单向2%横坡，主梁两个梁肋采用不等高设计，内侧肋高2.65 m，外侧肋高2.20 m，梁肋底部齐平，横断面上处于水平位置。梁肋标准宽度为1.8 m，在塔梁固结段，由于承受较大轴力和弯矩，肋板加宽至2.8 m。主梁标准节采用挂篮浇筑，主梁标准断截面如图1所示。挂篮整体模型如图2所示。

2 模型的简化

有限元分析建模中，通常必须对实体作一些合理的简化。在建模过程中，作了以下假设与简化：

1)工作平台、内外模板结构等没有在有限元模型中进行体现，而是将它们视为分布质量加载到各节点、单元上；

2)箱梁之间的焊缝及螺栓连接，在有限元建模中用单元共节点模拟，其截面参数由其单元截面参数代替，销轴连接采用接点耦合或连接单元方式模拟；

3)斜拉索与挂篮之间的张拉连接简化为梁单元与杆单元的直接连接，斜拉索预张力通过设置单元预应变模拟；

4)挂篮行走装置和止推装置等在结构计算中忽略，挂篮的约束加在精轧螺纹钢和主纵梁上；

5)挂篮所受荷载按箱梁截面及模板等在各箱梁的分布状况简化为均布荷载加载在各节点上。

3 计算工况的设定

工况Ⅰ：挂篮位于中跨2号节段，混凝土浇筑完成(混凝土重3 490 kN)但未凝固，风向竖直向下(风速13.6 m/s)，二次张拉单索索力1 400 kN(成桥索力2 197 kN)，计算挂篮工作状态的受力和变形。

工况Ⅱ：挂篮位于中跨16号节段，混凝土尚未浇筑，风向竖直向下(风速13.6 m/s)，斜拉索初张拉完成，初张拉单索索力1 510 kN(成桥索力4 450 kN)，计算挂篮工作状态的受力和变形。

工况Ⅲ：挂篮位于中跨16号节段，混凝土浇筑完成(混凝土重3 490 kN)但未凝固，风向竖直向下(风速13.6 m/s)，二次张拉单索索力2 440 kN(成桥索力2 197 kN)，计算挂篮工作状态的受力和变形。

工况Ⅳ：挂篮位于新浇梁段最外端位置并锚固好，空载未挂索，风向竖直向下(风速13.6 m/s)，计算挂篮工作状态的受力和变形。计算挂篮顶升机构受力。

工况Ⅴ：挂篮行走至新浇梁段最外端位置，风向竖直向下(风速13.6 m/s)，计算挂篮行走状态的受力和变形。

工况Ⅵ：挂篮位于2号节段，定位并锚固好，初张拉设定单索索力值650 kN，未浇混凝土，风向竖直向上(风速32.6 m/s),计算挂篮初张拉状态的稳定性。

4 变形控制

1)根据GB/T 14406—93通用门式起重机，主梁简支段挠度取值范围≤L/700，外伸悬臂端挠度取值范围≤L/350；

2)根据JTG/T F50—2011公路桥涵施工技术规范5.2.7规定，模板面板变形f≤1.5 mm；

3)根据JTG/T F50—2011公路桥涵施工技术规范5.2.7规定，模板内外楞变形f≤L/500。

5 材料特性

承载平台各截面几何属性见表1。

表1 承载平台各截面几何属性 mm

6 各工况总体计算分析

6.1 以工况Ⅰ图示为例

挂篮位于中跨2号节段，混凝土浇筑完成(混凝土重3 490 kN)但未凝固，风向竖直向下(风速13.6 m/s)，二次张拉单索索力1 400 kN(成桥索力2 197 kN)，计算挂篮工作状态的受力和变形。

计算模型及结果如图3～图5所示。

提取有限元计算数据，各部件工况Ⅰ最大应力计算结果如表2所示。

表2 工况Ⅰ各部件最大应力(取各最不利构件应力值)

约束反力：

1)主纵梁前锚杆组：单组1 465 kN↓(共两组，每组6根φ40精轧螺纹钢)；

2)主纵梁后锚杆组：单组0 kN↓(共两组，每组6根φ40精轧螺纹钢)；

3)主纵梁左右止推机构：单边802 kN←(共两边)；

4)张拉机构：单边1 650 kN↑(共两边)；

5)顶升机构：单边102 kN↓(共两边)。

由上述计算可知，工况Ⅰ下挂篮最大竖向位移20.23 mm。结构最大应力出现在1.8 m宽拱架拱圈端部位置，σmax=91.2 MPa<[σ]=175 MPa，挂篮强度满足要求。

6.2 各工况分析对比

各工况分析对比见表3～表5。

表3 各工况作用下对比(一)

表4 各工况作用下对比(二)

表5 挂篮系统主要控制结果汇总

综上，各构件折算应力均小于材料许用应力，强度满足要求；简支梁挠度均小于L/700，悬臂梁挠度均小于L/350。结构刚度满足要求。

6.3 挂篮稳定性计算

工况Ⅶ：挂篮位于2号节段，定位并锚固好，初张拉设定单索索力值650 kN，未浇混凝土，风向竖直向上(风速32.6 m/s),计算挂篮初张拉状态的稳定性。

工况Ⅵ是挂篮的非工作状态工况，该工况需要校核挂篮整体抗倾覆稳定性。力学模型为初张拉单索索力值650 kN，拉索水平投影夹角10.579°，竖直投影夹角60.841°，未浇混凝土，风向垂直向上。风荷载作用在模板上。由有限元计算可知挂篮主体结构总重1 400 kN(包括拱架)，以两主纵梁末端截面中心的中点为坐标原点，挂篮重心坐标为：XC=0；YC=729；ZC=10 100。单位为mm，X为横桥向方向，Y为高度方向，Z由右手定则确定。校核以中支点垫块为倾覆线。

在各种荷载中产生倾覆力矩的荷载主要是风荷载和拉索张力的竖直方向分力。挂篮自重荷载、后锚杆组拉力、拉索张力的水平方向分力和模板荷载产生稳定力矩。由计算可知，风荷载设计值w=1.683 kN/m2，后锚杆组极限受力按6 000 kN计。自重产生的稳定力矩按下式计算：

其中，Gi为部件i自重，kN；Li为部件i重心到倾覆线距离，m。

将数据代入公式得：

Mw1=1 400×2.1+450×4.5=4 965 kN·m。

后锚杆组拉力产生的稳定力矩为：

Mw2=6 000×8=48 000 kN·m。

挂篮总稳定力矩为：

经计算，工况Ⅵ下风荷载大小Pw=318 kN，则风荷载产生的倾覆力矩为：

MQ1=PwL=318×4.5=1 431 kN·m。

拉索张力竖直方向分力产生的倾覆力矩为：

MQ2=650×2×cos10.579×sin60.841×7.97=8 894 kN·m。

挂篮总倾覆力矩为：

MQ=MQ1+MQ2=10 325 kN·m。

挂篮稳定力矩与倾覆力矩之比为：

挂篮整体抗倾覆性满足使用要求。

7 结语

随着现浇混凝土斜拉桥的大规模施工,牵索挂篮施工得到了广泛的应用。迎客大桥牵索挂篮施工总体计算分析经实践证明具有现场实际指导意义,该计算分析过程能为今后的类似斜拉桥挂篮施工计算提供有益的参考。

[1] JTG 041—2000，公路桥涵施工技术规范[S].

[2] 周水兴.路桥施工计算手册[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3] 李照众.斜拉桥牵索挂篮有限元分析[J].自然科学学报，2001(10):57-59.

[4] 赵新华.仓安路斜拉桥总体施工技术[J].山西建筑，2007，33(17):161-162.

Analysis on the overall calculation of Yingke bridge cable hanging basket construction

Wang Meipo

(CivilEngineeringandTransportationCollege,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China)

Combining with the built Yingke bridge cable hanging basket construction examples, through the simplifying members calculation, determined the member section size and nature, spliced into overall structure and made finite element analysis and optimization design using ANSYS software, simulated the stress and deformation of hanging basket under various construction conditions, provided reference of cable hanging basket construction.

cable-stayed bridge, cable hanging basket, finite element model, construction condition

2015-01-08

王美坡(1987- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)08-0177-03

U445

A