连续梁桥悬浇挂篮结构数值模拟与试验分析

杨长清

（中铁二十二局集团有限公司，北京 100000）

0 引言

随着社会的不断进步，我国桥梁建设的速度也越来越快，同时对建造技术的要求也越来越高[1]。由于挂篮结构具有结构轻、拼装方便、传力清晰、行走平稳等优点[2]，因此挂篮施工技术在大跨度连续梁桥施工中应用广泛[3]。

2017年方淑君[4]将三角挂篮和菱形挂篮两种不同的挂篮结构形式进行对比分析，结论表明菱形挂篮的稳定性优于三角挂篮，就桁架和横梁的受力而言，菱形挂篮优于三角形挂篮。2018年李炜东[5]通过有限元分析软件建立三角挂篮模型，对挂篮主要构件进行强度、刚度分析，从而验证了在施工中采用有限元软件分析三角挂篮的可行性与正确性。2021年阮人杰[6]以嘉陵江右线大桥为工程背景，对三角形挂篮进行分析及研究，采用有限元软件对三角形挂篮的各个主要构件的强度、刚度、稳定性进行验算，从而为施工安全提供理论支持。

文中以某连续梁桥悬臂浇筑施工中采用菱形挂篮为工程背景，利用有限元分析软件对挂篮的主要构件进行刚度、强度及稳定性验算，根据相关规范判断其是否满足要求[7]，确保挂篮各构件在施工过程中的安全稳定[8]。

1 工程概况

某三跨连续梁桥跨径组合为（48+80+48）m，主梁为单箱三室预应力混凝土箱梁。箱梁顶宽28.0m，单侧悬臂长4.0m，根部箱梁底宽16m，跨中箱梁底宽19.8m。箱梁外侧腹板采用斜腹板，厚度为0.5～0.7m；内侧采用直腹板，厚度为0.5～0.7m；底板厚度由跨中的0.3m按1.8次抛物线渐变到支点附近的0.85m；边箱室顶板厚0.28m，根部加厚至0.9m；中箱室顶板厚度0.55m，根部加厚到0.85m。该桥最重块为4#块，重量为153.4t。最长块4m，梁顶宽12.2m，梁底宽6.4m。采用挂篮悬浇法施工，因此设计菱形挂篮[9,10]。连续梁桥总体布置见图1，箱梁典型横截面尺寸如图2所示。

图1 总体布置（单位：cm）

图2 箱梁横断面图（单位：cm）

2 挂篮结构分析

该菱形挂篮涉及到的主要参数如表1所示。

表1 主要技术参数

采用组焊的双I32#普通热轧槽钢制作菱形桁架的竖杆和前后斜杆，前后托梁及前横梁制作材料均为双I40工字钢组焊，底纵梁采用I32#工字钢，内外导梁采用组焊的双I36#普通热轧槽钢，挂篮吊杆采用PSB930Φ28精轧螺纹钢，腹板两侧使用吊带，规格为Φ25×80，材质为 Q345。

3 有限元模型

采用有限元软件Midas/Civil 2020建立菱形挂篮整体模型并进行计算，释放主桁架各节点连接销轴的自由度。该挂篮有限元模型共586个单元，644个节点，挂篮有限元模型如图3所示。

图3 挂篮整体计算模型

4 强度分析

4.1 荷载组合1

荷载组合：挂篮自重+施工机具及人群荷载+倾倒和振捣混凝土荷载+护栏荷载+混凝土荷载+模板自重。

挂篮的主桁架承重系统的强度和稳定性用该工况进行计算。混凝土浇筑的最不利荷载工况是混凝土浇筑完毕（混凝土胀模的影响需考虑在内），振动系统仍在振捣时，所以挂篮施工的动力附加荷载和人员机具荷载也要考虑进去。挂篮各构件的有限元软件计算结果如图4～图7所示。

图4 底托系统应力计算结果（单位：MPa）

图5 导梁系统应力计算结果（单位：MPa）

图6 前上横梁应力计算结果（单位：MPa）

图7 主桁架应力计算结果（单位：MPa）

由图4～图7所示，底托系统最大拉应力为178.5MPa，位于腹板下纵梁位置；导梁系统最大拉应力为136.4MPa；前上横梁最大压应力为86.1MPa；主桁架最大压应力为107.0MPa，均小于Q345弯曲强度设计值215MPa。各构件应力在荷载组合1下均在安全范围内。

4.2 荷载组合2

荷载组合：挂篮自重+施工机具及人群荷载+混凝土偏载+倾倒和振捣混凝土荷载+护栏荷载+模板自重。

该荷载组合适用于混凝土浇筑的最不利荷载工况，假设此时一侧混凝土已浇筑完毕（混凝土胀模的影响需考虑在内），而另一侧尚未浇筑，在这种情况下，两侧混凝土总重相差约10t，且人员机具仍在施工，所以挂篮结构还要承受人员机具荷载。

与载荷组合1相比较，该荷载组合只是一侧腹板处混凝土总量减少10t，其余均不变。因导梁在荷载组合1与荷载组合2中受力形式和荷载值没有发生变化，所以不再另行计算。经计算，底托系统最大拉应力为158.2MPa，位于较重侧腹板下纵梁位置；前上横梁最大压应力为81.3MPa；主桁架最大压应力为106.8MPa，均小于Q345弯曲强度设计值215MPa。各构件应力在荷载组合2下均在安全范围内。

4.3 荷载组合3

荷载组合：混凝土荷载+挂篮自重+模板自重+风荷载+护栏荷载。

若混凝土浇筑完毕后出现大风，则该荷载组合即适用，此时荷载包括混凝土自重（混凝土胀模的影响需考虑在内），风荷载和挂篮自重。主桁架最大压应力为107.3MPa。

4.4 荷载组合4

该荷载组合：挂篮自重+模板自重+冲击荷载+风载+护栏荷载。

当挂篮向前移动时，反扣装置为主桁在轨道上行走提供反力；其它结构未发生变化，底托横梁均由吊杆悬吊；外导梁仍有模板荷载作用。挂篮行走时，中门架和挂篮杆件应力计算结果如图8所示。

图8 挂篮行走应力图（单位：MPa）

如图8所示，挂篮结构中门架和挂篮杆件的最大应力为118.9MPa。

5 刚度分析

用混凝土荷载+模板自重+施工机具及人群荷载+挂篮自重+护栏荷载的荷载组合形式来计算挂篮系统的结构刚度。挂篮各构件有限元计算结果如图9所示。

图9 整体模型变形等值线图（单位：mm）

如图9所示，主桁架最大变形位于前横梁支点处，最大竖向变形量为10.8mm；前横梁最大位移位于一侧位置，变形值为3.54mm；导梁最大位移值为18.6mm（包含吊杆弹性变形）；底纵梁部分最大位移18.9mm；整体模型中最大变形在主桁架部分的前横梁支点处，最大竖向变形量为18.9mm。

6 挂篮抗倾覆分析

6.1 挂篮抗倾覆

主要计算混凝土浇筑和挂篮移动两种工况。

（1） 混凝土浇筑时的抗倾覆计算。

混凝土浇筑时，采用荷载组合1进行计算：挂篮自重+施工机具及人群荷载+倾倒和振捣混凝土荷载+护栏荷载+混凝土荷载+模板自重。

在混凝土浇筑时，因为精轧螺纹钢将挂篮主桁架后端锚固在已经浇筑好的梁体上，所以需要验算挂篮后锚点的安全性。主桁架反力计算结果如图10所示。

图10 主桁架反力模型（单位：N）

该荷载组合的后锚点拉力最大值为743.64kN。两侧的后锚点各采用4根直径32mm的精轧螺纹钢锚固，理论上可提供锚固力为：

其安全储备为：

（2） 挂篮走行工况抗倾覆计算

挂篮移动工况采用荷载组合4进行计算：挂篮自重+模板自重+冲击荷载+风载+护栏荷载。

由图11可知，荷载组合4的反扣装置拉力最大值为150.21kN。

图11 主桁架反力模型（单位：N）

对反扣轮装置的强度进行验算，结果如下：

用直径55mm的销轴将反扣装置由与主桁架连接，所以单片主桁架的反力按φ55mm的销轴单面受剪计算，销轴材质为40Cr钢，承受的最大剪力为：

N=σA=570×2374.6=1353.5kN

安全储备为：

K=1353.5÷150.21=9.01＞2

6.2 压杆稳定性计算

对于主桁架的稳定性验算，只需确保单根杆件受力在允许范围内，就不会发生失稳破坏。立柱稳定性验算公式：

构件长细比：

轴心受压杆件，查TB10110-2011《铁路混凝土梁支架法现浇施工技术规程》表F.0.2，构件轴心受压稳定系数φ=0.891，

故主桁架稳定性满足要求。

7 挂篮结构安全性试验

挂篮结构作为大跨度连续梁桥悬浇施工过程中的重要受力构件及模板系统，涉及到各个悬浇梁段的承重及线形控制。桥主跨80m，共有11个悬臂节段，为确保挂篮结构在每个悬臂节段具有足够的安全储备并验证结构计算的相关技术指标，并对桥开展了挂篮结构分级预压试验。

挂篮拼装完成后，进行静载预压试验，能够有效的消除其非弹性变形，测定其弹性变形与荷载的关系，为悬浇段立模标高提供数据，验证挂篮各部分结构安全性。由挂篮受力分析可知施工4#块时，主桁架受力最大。针对这一情况确定以4#块重量（153.4t）为基本加载荷载。挂篮的预压采用砂袋加载法。

每级加载对主要构件的变形和主要构件的应力。变形测量时，基准标高设在A0#块的顶部，在前、后下横梁布置测点以测量出各级荷载下挂篮的下沉量，并计算出挂篮前后支点在各个节段施工时产生的竖向荷载。每一级加载后，必须及时检查各杆件的连接情况和工作情况，及时作出是否继续加载的判断，根据试验结果整理出加载测试报告，将弹性变形值及非弹性变形值的测量结果用于指导施工。

由表2及图12可知，在挂篮分级预压的过程中，随着挂篮预压荷载的不断增大，1～4主要构件的结构变形不断增大，基本呈现均匀平缓的变化趋势。外荷载全部卸除后，残留变形较均匀且数值较小，表明挂篮在拼装过程中无构件拼接不紧密或连接件缝隙偏大的问题存在。由图12可知，挂篮卸载并偏于稳定后，得到的有效的挂篮结构变形（弹性变形）为16.4mm，小于结构计算分析得到的理论最大变形值18.9mm。表明该挂篮结构具有一定的安全性且结构刚度较小，可满足后续桥梁结构线形控制的精度控制要求。

表2 挂篮预压主要测点信息表mm

图12 挂篮预压试验数据分布

8 结语

通过对某三跨连续梁所采用的菱形挂篮结构进行结构计算及预压荷载试验对比分析，可得到以下主要结论：

（1） 采用有限元程序空间数值模拟及挂篮预压试验相结合的分析方法，可有效获取挂篮结构的力学指标及应用参数，能够作为提高结构安全性及桥梁线形控制的必要手段。

（2） 文中采用的菱形挂篮结构底托系统、导梁系统、主桁架、前上横梁等强度、刚度及稳定性均满足规范及使用要求。

（3） 文中采用的挂篮系统预压试验得到的弹性变形为16.4mm，小于结构计算分析得到的理论最大变形值18.9mm；且均满足规范要求的悬臂施工桥梁挂篮变形限值20.0mm的技术要求，可满足后续桥梁结构线形控制的精度要求。