基于Midas/civil的现浇箱梁菱形挂篮结构验算

摘要:挂篮悬浇施工是目前中大跨径混凝土箱梁桥最主要的施工手段。本文用Midas/civil有限元软件，对金清港大桥（60+100+60m的连续梁桥）的菱形挂篮进行了建模分析，对该种类型挂篮在施工中对各构件受力和变形情况进行了结构验算。对建模和分析过程中的一些关键问题给出建议，以供同类问题参考。

关键字：Midas，菱形挂篮，结构验算

中图分类号： O571.21 文献标识码： A 文章编号：

1前言

目前，我国桥梁工程中挂篮法施工现浇混凝土箱梁广泛应用,挂篮结构形式多样, 菱形挂篮因具有结构简洁、受力明确、整体刚度较大、变形小、加工制作简单、安装方便、适用性强和成本低的优点被广泛应用。对于挂篮的验算，目前采用最多的是对挂篮各个构件采用结构力学方法的验算。由于荷载的不确定性以及各个构件受力模式的不确定性，导致此法计算结果很不精确。加上此法为独立的、分离的验算各个构件，没有对挂篮整体采用有效系统的分析，可能使整体的计算结果偏于不安全。故采用有限元软件midas/civil对挂篮整体在空载、施工过程中的设计、验算是很有必要的。

2工程实例概况

金清港大桥上部结构采用60+100+60m三跨预应力混凝土变截面连续箱梁，分左右双幅。单幅箱梁采用单箱单室截面，纵、横、竖三向预应力体系，为全预应力混凝土构件。根部梁高5.8m，跨中及端部梁高2.5m，箱梁高度按1.8次抛物线变化，箱梁顶板宽16.25m，底板宽8.25m，翼缘板悬臂长4.0m，箱梁顶板设单向2%横坡，底板横桥向为水平。为增强箱梁抗扭性能，在墩顶0#块设置了两个厚0.7m的横隔板而且在跨中设置两道厚0.2m的横隔板，此外在边跨端部设1.5m的端横梁。

在中跨合拢前，主梁锚固与主墩顶，相当于连续钢构体系。箱梁采取挂篮悬臂浇筑施工，各单“T”箱梁除0、1号块外，分为13对梁段。1-9#段长3m，10-14#段长4m。0#与1#支架现浇，2#~14#悬臂现浇，最重梁段为2#块，混凝土数量为55.48m3，箱梁中心高度5.431m，腹板厚度0.725m，底板厚度0.7m。

3挂篮计算方法和主要内容

3.1挂篮构造

挂篮为菱形挂篮，菱形桁片由2[32a普通热轧槽钢组成的方形截面杆件构成，竖向平联桁架采用2[14a，竖向平联连接杆为[10，A3杆上剪刀撑为[20a，后锚平联为[20a，前上横梁由2I60普通热轧工字钢上下满焊10mm厚钢板组成，底模前、后下横梁由2I40普通热轧工字钢组成，底模纵梁为H350型钢，吊杆采用930的φ32精轧螺纹钢。模板采用钢模板，面板为6mm钢板，模板下横肋采用[8槽钢，传给底模纵梁H350型钢。内外滑梁采用2[36a，外导梁为2[32a。行走轨道为I30，后锚压梁2I25a。

3.2验算内容

1.各构件的强度和刚度进行验算；

2.锚杆锚固部分混凝土局部受压验算；

3.桁架整体抗倾覆验算。

3.3有限元模型

采用桥梁通用空间有限元软件Midas Civil，建立了包括模板在内的有限元模型，共848个节点，1055个单元，除模板采用板单元模拟、锚杆与吊杆采用桁架单元模拟外，其余均采用梁单元模拟；假定挂篮轨道与混凝土梁端为一体，主桁架与混凝土梁由锚杆连接，其余部分焊接部分按照弹性连接模拟，

由初步对比分析可知，挂篮底纵梁、下后横梁、底模后锚杆、前吊带、上下前横梁以及挂篮主桁架在2#梁段浇注施工阶段受力最大，故分别对2#梁段施工阶段挂篮相应构件进行强度、刚度验算。荷载传递路径：

本计算书根据各自的荷载情况对底纵梁、前上（下）横梁、后下横梁、外导梁、外（内）滑梁、前后吊杆、主桁架、模板及底模横肋等各构件的强度和刚度进行验算。本计算书假定挂蓝轨道与已浇梁端为一整体，紧密接触且无位移。

混凝土重量荷载根据容重施加。翼缘部分混凝土由模板传至横向外导梁，顶板部分混凝土通过内模板传递给内滑梁，腹板混凝土、底板混凝土通过底模传至底板纵梁。程序会自行计算模型中构件自重，未建出的模板及支架重量按2.5kN/m2计算。作用在挂蓝上的活载主要为人员及机械重量，混凝土振捣的震动力等，根据有关资料及工程经验，按照操作平台按3.5kN/m2进行计算。总之，荷载有（1）人工机具：2.5kN/m2；（2）混凝土振捣荷载:1.0kN/m2；（3）模板及支架：2.5kN/m2；（4）混凝土容重：26.25kN/m3；（5）各构件自重：计算程序自行考虑。其中，（1）、（2）为活荷载，（3）、（4）、（5）为恒载根据验算内容的具体情况，采用两种荷载组合进行验算，具体系数如表3.1。

表3.1 挂篮荷载组合

4挂篮验算结果

4.1各构件的强度和刚度进行验算

通过有限元模型的加载计算，分别提取底模纵梁、前后下横梁、前上横梁、主桁架、滑梁导梁、钢模板等在上述荷载组合下的强度和刚度验算。这里不做详细评述，以主桁架为例做以说明。吊杆、锚杆最大应力为315MPa，满足规范要求。

表4.1 主桁架应力及位移

由以上表可见，构件拉、压应力均未超过规范设计值，满足规范要求；剪应力均未超过规范设计值，满足设计要求；轴力引起的应力比较小，最值为79.86MPa，远远小于A5的临界应力σcr=6264.5 MPa，所以构件不会发生失稳破坏；挠度最大值11.6mm为跨径的1/457，结构变形小于跨径的1/400，满足规范要求。

4.2锚固部分混凝土局部受压验算

梁体混凝土在吊杆、锚杆的锚固处局部受压，其最大压力为253845.6N，下预埋钢板为14×14cm，需要验算下部钢板下的混凝土的局部受压强度，即，小于混凝土抗压强度设计值，满足设计规范要求。

4.3挂篮浇筑混凝土状态抗倾覆验算

挂篮在浇筑混凝土状态进行抗倾覆验算就是不计活载，把自重和混凝土湿重作为变量的屈曲分析。挂篮的特征值及失稳模态描述如下图表4.2，一阶特征值下失稳模态如图4.1。挂篮抗倾覆安全系数为55,大于规范规定的安全系数2，满足规范要求。

表4.2挂篮浇筑混凝土状态各阶模态及屈曲方式

4.3挂篮行走状态抗倾覆验算

挂篮在行走时要解除后锚杆约束，后锚点行走小车以反扣轮的形式，沿轨道顶板下缘滚动。计算时从新建立模型，改变加载模式，进行屈曲分析。最终，挂篮行走系统抗倾覆安全系数为52,大于规范规定的安全系数2，满足规范要求。

5结语

1、以金清港大桥为工程背景，通过有限元软件midas/civil验算工程中采用的菱形挂篮的强度、刚度、稳定性。文中详细介绍了挂篮的传力机理以及荷载选取形式，为以后实际工程中挂篮的整体验算提供参考。

2、对挂篮最大荷载以及行走时进行屈曲分析，验算挂篮在自重、施工荷载等组合作用下整体的抗倾覆性。

参考文献：

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雷俊卿. .桥梁悬臂施工与设计[M].北京:人民交通出版社.2000年

中华人民共和国交通部.《公路桥涵设计通用规范规范》(JTGD 60-2004)[S].北京:人民交通出版社.2004

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