結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器在掛籃設(shè)計(jì)檢算中的應(yīng)用

鄭文飛

(中鐵十五局集團(tuán)第一工程有限公司，陜西西安　710000)

結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器在掛籃設(shè)計(jì)檢算中的應(yīng)用

鄭文飛

(中鐵十五局集團(tuán)第一工程有限公司，陜西西安710000)

摘要:以福平鐵路平原特大橋工程為例，介紹了掛籃的總體設(shè)計(jì)方案，結(jié)合掛籃的主要指標(biāo)及設(shè)計(jì)參數(shù)，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器程序，對(duì)掛籃各主要桿件進(jìn)行了計(jì)算分析，解決了掛籃設(shè)計(jì)中的檢算問(wèn)題，保證了掛籃的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全。

關(guān)鍵詞:橋梁，掛籃，結(jié)構(gòu)檢算，結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器

0　引言

在橋梁施工中，往往會(huì)采用掛籃作為連續(xù)梁橋或連續(xù)剛構(gòu)橋的施工設(shè)備，而掛籃的結(jié)構(gòu)檢算是安全使用掛籃的必要條件，本文通過(guò)在工程實(shí)踐中，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器對(duì)掛籃進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算，能有效保證設(shè)備結(jié)構(gòu)自身和施工的安全。

1　工程概況

福平鐵路平原特大橋位于平潭縣平原鎮(zhèn)境內(nèi)，全長(zhǎng)1 010.06 m，其中跨越規(guī)劃蘇平路處設(shè)計(jì)采用3跨( 48 + 80 + 48) m連續(xù)梁。該梁為雙線預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室直腹板連續(xù)箱梁。墩頂0號(hào)塊長(zhǎng)度為8 m，全橋箱梁頂寬為12.6 m，箱梁底寬6.4 m、防護(hù)墻內(nèi)側(cè)凈寬9.46 m。箱梁橫截面為單箱單室，各控制截面梁高分別為:端支座處和跨中處為3.80 m，中支點(diǎn)處梁高6.40 m。其中0號(hào)塊采用滿(mǎn)堂支架現(xiàn)澆，1號(hào)～10號(hào)段采用掛籃懸澆施工，11號(hào)段為合龍段。各節(jié)段的具體尺寸見(jiàn)表1。

表1　連續(xù)梁各節(jié)段尺寸一覽表

2　掛籃總體設(shè)計(jì)

掛籃作為混凝土箱梁的施工設(shè)備，由底模、側(cè)模、內(nèi)模、前懸吊、后懸吊、主構(gòu)架、走行錨固等部分組成。掛籃總體布置圖見(jiàn)圖1。

圖1　掛籃總體布置圖

3　掛籃主要指標(biāo)及計(jì)算參數(shù)

3.1掛籃主要指標(biāo)

梁段最大重量:152 t;梁段最大分段長(zhǎng)度:4 m;掛籃自重:55 t。

3.2主要計(jì)算參數(shù)

1)梁段混凝土重量: 2.6 t/m3;人群及機(jī)具荷載: 2.5 kPa;鋼材彈性模量Es=2.1×105MPa。

2)材料容許應(yīng)力:

3)荷載系數(shù)。

考慮箱梁混凝土澆筑時(shí)脹模等因素的超載系數(shù): 1.05;澆筑混凝土?xí)r的動(dòng)力系數(shù): 1.2;掛籃空載行走時(shí)的沖擊系數(shù): 1.3;澆筑混凝土和掛籃行走時(shí)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù): 2.0;恒載分項(xiàng)系數(shù): 1.2;活載分項(xiàng)系數(shù): 1.4。

3.3計(jì)算組合及工況

1)荷載組合: a.混凝土重+掛籃自重+施工、人群機(jī)具+動(dòng)力附加系數(shù)(強(qiáng)度計(jì)算) ; b.混凝土重+掛籃自重+施工、人群機(jī)具(剛度計(jì)算) ; c.掛籃自重+沖擊附加系數(shù)(行走穩(wěn)定性)。

2)計(jì)算工況:根據(jù)梁段長(zhǎng)度、重量、梁高等參數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)按以下幾種工況進(jìn)行計(jì)算:

工況一: 1號(hào)梁段混凝土灌注完成工況，此工況梁段高度最大、混凝土重量最大。

工況二: 4號(hào)梁段混凝土灌注完成工況，此工況梁段較長(zhǎng)、混凝土重量較大。

工況三: 8號(hào)梁段混凝土灌注完成工況，此工況梁段最長(zhǎng)、混凝土重量較大。

工況四: 1號(hào)梁段混凝土灌注完成，掛籃由0號(hào)～1號(hào)梁段走行工況。

4　工況一的掛籃結(jié)構(gòu)檢算

4.1縱梁1的計(jì)算

縱梁1由三根40b工字鋼組合而成，其截面特性為: E =2.1×105MPa，A =282.21 cm2，I =68 343 cm4，W =3 417 cm3。

混凝土荷載: q1=206.4 kN/m。

模板荷載: q2=1.28 kN/m。

縱梁1自重荷載: q3=16.92 kN/m。

人群機(jī)具等臨時(shí)荷載: q4=3.73 kN/m。

總荷載: q = q1+ q2+ q3+ q4=228.33 kN/m。

首先，根據(jù)縱梁1的受力情況建立計(jì)算簡(jiǎn)圖，如圖2所示。

圖2　縱梁1計(jì)算簡(jiǎn)圖（單位：cm）

然后，根據(jù)計(jì)算簡(jiǎn)圖，打開(kāi)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器軟件，按如下步驟進(jìn)行操作:

第一步，輸入各結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

第二步，輸入各桿件單元連接方式。

第三步，輸入各支座約束方式，如支座類(lèi)型、支座性質(zhì)、支座方向等。

第四步，輸入荷載條件，如荷載類(lèi)型、大小等。

第五步，輸入材料性質(zhì)，如抗拉剛度、抗彎剛度等。

以上步驟完成后，得出如圖3所示力學(xué)模型。

圖3　縱梁1力學(xué)模型

第六步，求解，包括內(nèi)力計(jì)算、位移計(jì)算等，經(jīng)計(jì)算得出如下結(jié)果:

最大剪應(yīng)力:τ= Nmax/A =15.9 MPa＜85 MPa，計(jì)算通過(guò)。

最大彎曲應(yīng)力:σw=Mmax/W =128.1 MPa＜145 MPa，計(jì)算通過(guò)。

最大位移值: 2.4 mm，滿(mǎn)足要求。

4.2縱梁2的計(jì)算

縱梁2由一根40b工字鋼組合而成，其截面特性為:

混凝土荷載: q1=37.7 kN/m。

模板荷載: q2=1.36 kN/m。

縱梁2自重荷載: q3=5.64 kN/m。

人群機(jī)具等臨時(shí)荷載: q4=3.97 kN/m。

總荷載: q = q1+ q2+ q3+ q4=48.67 kN/m。

依照4.1所示的步驟，經(jīng)計(jì)算得:

最大剪應(yīng)力:τ= Nmax/A =10.2 MPa＜85 MPa，計(jì)算通過(guò)。

最大彎曲應(yīng)力:σw=Mmax/W =81.9 MPa＜145 MPa，計(jì)算通過(guò)。

最大位移值: 1.6 mm，滿(mǎn)足要求。

同樣縱梁3計(jì)算通過(guò)，且N后支點(diǎn)=81.7 kN，N前支點(diǎn)=63.5 kN。

4.3前下橫梁的驗(yàn)算

前下橫梁由兩根40b工字鋼組合而成，其截面特性為:

根據(jù)前面計(jì)算可知，主縱梁作用給前下橫梁的荷載分別為:

前下橫梁自重荷載: q =3 kN/m。

依照4.1所示的步驟，經(jīng)計(jì)算得:

最大剪應(yīng)力:τ= Nmax/A =9.9 MPa＜85 MPa，計(jì)算通過(guò)。

最大彎曲應(yīng)力:σw=Mmax/W =43.9 MPa＜145 MPa，計(jì)算通過(guò)。

最大位移值: 0.1 mm，滿(mǎn)足要求。

4.4后下橫梁的驗(yàn)算

后下橫梁由兩根40b工字鋼組合而成，其截面特性為:

根據(jù)前面計(jì)算可知，主縱梁作用給后下橫梁的荷載分別為:

前下橫梁自重荷載: q =2.52 kN/m。

依照4.1所示的步驟，經(jīng)計(jì)算得:

最大剪應(yīng)力:τ= Nmax/A =24.2 MPa＜85 MPa，計(jì)算通過(guò)。

最大彎曲應(yīng)力:σw=Mmax/W =125.4 MPa＜145 MPa，計(jì)算通過(guò)。

最大位移值: 9.7 mm，滿(mǎn)足要求。

4.5外滑梁的驗(yàn)算

外滑梁由兩根30槽鋼組焊而成，其截面特性為:

混凝土荷載: q1=38.66 kN/m。

模板及支架荷載: q2=17.82 kN/m。

外滑梁自重荷載: q3=1.23 kN/m。

計(jì)算荷載: qA= q1+ q2=56.48 kN/m，qB= q3=1.23 kN/m。

依照4.1所示的步驟，經(jīng)計(jì)算得:

最大剪應(yīng)力:τ= Nmax/A =6.67 MPa＜85 MPa，計(jì)算通過(guò)。

最大彎曲應(yīng)力:σw=Mmax/W =87.65 MPa＜145 MPa，計(jì)算通過(guò)。

最大位移值: 6.6 mm，滿(mǎn)足要求。

4.6內(nèi)滑梁的驗(yàn)算

內(nèi)滑梁由兩根30槽鋼組焊而成，其截面特性為:

混凝土荷載: q1=40.6 kN/m。

模板及支架荷載: q2=10.3 kN/m。

內(nèi)滑梁自重荷載: q3=1.03 kN/m。

計(jì)算荷載: qA= q1+ q2=50.9 kN/m，qB= q3=1.03 kN/m。

依照4.1所示的步驟，經(jīng)計(jì)算得:

最大剪應(yīng)力:τ= Nmax/A =7.6 MPa＜85 MPa，計(jì)算通過(guò)。

最大彎曲應(yīng)力:σw=Mmax/W =110.76 MPa＜145 MPa，計(jì)算通過(guò)。

最大位移值: 8.9 mm，滿(mǎn)足要求。

4.7前上橫梁的驗(yàn)算

前上橫梁由兩根40b工字鋼組焊而成，其截面特性為:

其中，前上橫梁上的作用荷載分別為:

依照4.1所示的步驟，經(jīng)計(jì)算得:

最大剪應(yīng)力: T = Nmax/A =10.1 MPa＜85 MPa，計(jì)算通過(guò)。

最大彎曲應(yīng)力:σ=Mmax/W =52.87 MPa＜145 MPa，計(jì)算通過(guò)。

最大位移值: 4.2 mm，滿(mǎn)足要求。

4.8主構(gòu)架的驗(yàn)算

其壓桿1、壓桿2、壓桿3截面特性為:

拉桿1、拉桿2截面特性為:

依照4.1所示的步驟，經(jīng)計(jì)算得主構(gòu)架各桿受力計(jì)算結(jié)果如下:

最大壓應(yīng)力:σ= N壓桿3/A =46.1 MPa＜140 MPa，計(jì)算通過(guò)。

最大拉應(yīng)力:σ= N拉桿1/A =55.94 MPa＜140 MPa，計(jì)算通過(guò)。

最大位移值: 9.1 mm，滿(mǎn)足要求。

其中受壓構(gòu)件還需進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

其中的受壓桿件是由30槽鋼組焊而成，其截面特性為:

壓桿計(jì)算長(zhǎng)度L =5.385 m，兩端鉸接的軸心受壓構(gòu)件計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)μ=1.0，rmin=0.102 8 m。

長(zhǎng)細(xì)比λmax=μL/r =52.38＜［λ］=150，則查表得φ=0.857。

軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定性折減后應(yīng)力是σ= Nmax/(φA) = 53.84 MPa＜140 MPa，計(jì)算通過(guò)。

4.9后錨固計(jì)算

從主構(gòu)架的計(jì)算結(jié)果可知，主構(gòu)架后錨力大小是274 kN。

后錨是用四根后錨扁擔(dān)通過(guò)八根φ32的精扎螺紋鋼跟梁體錨固在一起，而走行軌道則是通過(guò)混凝土梁的豎向預(yù)應(yīng)力筋錨固在箱梁上，連接構(gòu)造見(jiàn)圖4。

1)后錨扁擔(dān)計(jì)算。

后錨扁擔(dān)梁承受所有后錨荷載的力，總計(jì)274 kN，共四根后錨扁擔(dān)，平均每根承受68.5 kN，乘以1.3的不均勻系數(shù)得89.05 kN。

其截面特性為:

圖4　掛籃后錨結(jié)構(gòu)圖

依照4.1所示的計(jì)算步驟，經(jīng)計(jì)算得:

最大剪應(yīng)力:τ= Nmax/A =6.74 MPa＜85 MPa，計(jì)算通過(guò)。

最大彎曲應(yīng)力:σw=36 MPa＜140 MPa，計(jì)算通過(guò)。

最大位移值: 0.03 mm，滿(mǎn)足要求。

2)后錨精軋螺紋鋼計(jì)算。

單根Ф32精軋螺紋鋼筋［F］=550 kN，后錨精軋螺紋鋼承受的最大拉力為89.05/2 = 44.5 kN。傾覆穩(wěn)定系數(shù): 550/44.5 = 12.4＞2.5，計(jì)算通過(guò)。

4.10其他桿件計(jì)算

鋼吊帶的計(jì)算較為簡(jiǎn)單，這里不再贅述。

5　其他工況的掛籃結(jié)構(gòu)檢算

其他工況依照工況一的方法進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，各桿件部位均滿(mǎn)足要求。

6　結(jié)論

基于前述計(jì)算，得到以下結(jié)論:

1)掛籃主桁架，前橫梁構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定都能滿(mǎn)足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

2)掛籃吊桿以及錨固系統(tǒng)驗(yàn)算表明，精軋螺紋鋼吊桿以及后錨吊桿都能滿(mǎn)足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。整個(gè)掛籃的檢算結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

7　結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)采用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器對(duì)掛籃結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行檢算，總結(jié)提供了掛籃設(shè)計(jì)和檢算的一種方法，旨在為類(lèi)似的工程提供有意義的參考。

參考文獻(xiàn):

［1］楊文淵.路橋施工常用數(shù)據(jù)手冊(cè)［M］.第2版.北京:人民交通出版社，2001:800-802.

［2］周水興，何兆益，鄒毅松，等.路橋施工計(jì)算手冊(cè)［M］.北京:人民交通出版社，2011:411-416，724-798.

［3］GB 50205—2001，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范［S］.

The application of structural mechanics solver in hanging basket design checking

Zheng Wenfei
( The First Engineering Limited Company，China Railway 15th Bureau Group，Xi’an 710000，China)

Abstract:Taking the Fuping railway Pingyuan super bridge engineering as an example，this paper introduced the overall design scheme of hanging basket，combining with the main indexes and design parameters of hanging basket，using the structural mechanics solver program，calculated and analyzed each main bar of hanging basket，solved checking problems in hanging basket design，ensured the structure design safety of hanging basket.

Key words:bridge，hanging basket，structure checking，structural mechanics solver

作者簡(jiǎn)介:鄭文飛(1978-)，男，工程師

收稿日期:2015-11-20

文章編號(hào):1009-6825( 2016) 04-0191-03

中圖分類(lèi)號(hào):U442

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A