挂篮施工设计计算方法应用探究

挂篮施工设计计算方法应用探究
谢遂
【摘要】目前,在桥梁建设连续刚构的结构施工中,经常采用挂篮的施工方法,挂篮结构的设置直接影响到整个工程的安全、质量、进度和投入,必须进行认真的设计计算.文章结合凤台淮河公路二桥建设工程中主桥挂篮结构的设计计算,总结出计算方法,为以后类似项目的结构计算予以借鉴.
【期刊名称】《工程与建设》
【年(卷),期】2017(031)002
【总页数】3页(P261-263)
【关键词】挂篮;设计计算;方法
【作者】谢遂
【作者单位】淮南市公路管理局,安徽凤台 232100
【正文语种】中文
【中图分类】U445.4
凤台淮河公路二桥上部主梁为预应力混凝土连续刚构结构,主跨97 m+176 m+97 m,标准节段分为2.5 m、3 m、3.5 m、4 m四种类型。

主桥标准横断面为双箱双室结构,主梁顶板全宽15.95m,底宽10.95 m,悬臂长2.5 m,最大梁高10 m,腹板厚度由0.9 m过渡到0.5 m,底板厚度由1.2 m按抛物线变化至0.32 m,顶板厚度由0.8 m采用阶梯型渐变到0.28 m。

主梁2#～26#段采用挂篮悬臂浇筑法施工,其中2#～7#节段长2.5 m,8#～16#节段长3 m,17#～22#
节段长3.5 m,23#～26#节段长4 m。

挂篮整体结构为一弹性支承空间刚架,通过简化构件计算,确定构件截面尺寸及性质,拼接成整体结构并运用Ansys软件进行有限元分析计算[1]。

2.1 有限元模型的建立
根据本挂篮结构的特点,采用Ansys软件对结构强度进行计算分析,主要桁架结构采用beam188单元模拟,桁架结构中仅受轴力杆件采用link10单元模拟。

根据该挂篮结构形状的特点,在Ansys建模过程中,采用了全局坐标系、局部坐标系、辅助坐标系等多种坐标系。

其节点、单元信息最后全部统一在全局坐标系下。

本文定义的全局坐标系按照笛卡尔直角坐标系的右手法则建立。

以两根后连杆末端截面中心连线的中点为坐标原点,纵桥向方向为X轴方向,垂直向上的方向为Y轴正方向。

Z轴方向由右手法则确定[2-3]。

2.2 计算荷载
混凝土荷载:根据《<公路桥涵施工技术规范>实施手册》(JTG/T F50-2011) 5.2.6,混凝土荷载取26 kN/m2。

经计算,2.5 m最重节段2#节段混凝土重量2
696.5kN,3 m最重节段8#节段混凝土重量2544.6 kN,3.5 m最重节段17#节段
混凝土重量1 899 kN,4 m最重节段23#节段混凝土重量1 618.2 kN[4-6]。

模板荷载:外模板和内顶模板按照设计重量;内侧模板估算,估算荷载取1.0 kN/m2; 人群及施工荷载:根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2001) 4.2.2,人群及施工
荷载取2.0 kN/m2;
风荷载:工作状态:8级风;非工作状态:12级风。

2.3 变形控制
(1) 主梁简支段挠度取值范围≤L/500,外伸悬臂端挠度取值范围≤L/250;
(2) 根据《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50-2011)5.2.7规定,模板面板变形
f≤1.5 mm;
(3) 根据《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50-2011)5.2.7规定,模板内外楞变形f≤L/500。

2.4 计算工况
工况I:挂篮位于2#节段位置(2.5 m最重节段,混凝土重269.65 t),混凝土浇注但未凝固,风向竖直向下(8级风),计算挂篮工作状态的受力和变形。

工况II:挂篮位于8#节段位置(3 m最重节段,混凝土重254.46 t),混凝土浇注但未凝固,风向竖直向下(8级风),计算挂篮工作状态的受力和变形。

工况III:挂篮位于17#节段位置(3.5 m最重节段,混凝土重189.8 t),混凝土浇注但未凝固,风向竖直向下(8级风),计算挂篮工作状态的受力和变形。

工况IV:挂篮位于23#节段位置(4 m最重节段,混凝土重161.82 t),混凝土浇注但未凝固,风向竖直向下(8级风),计算挂篮工作状态的受力和变形。

工况V:挂篮位于新浇节段端部位置,混凝土浇注完成并达到规定强度,挂篮行走到位,风向竖直向下(8级风),计算挂篮行走状态的受力和变形。

工况VI:挂篮位于8#节段位置,混凝土浇注完成尚未凝固,遭遇12级阵风,风向竖直向下,计算挂篮在非工作状态下整体稳定性。

工况VII:挂篮位于行走状态,遭遇12级阵风,风向竖直向下,计算挂篮在非工作状态下整体稳定性。

根据计算分析,工况II为控制工况,计算模型及结果如图1～图3所示。

主要结构电算结果见表1。

综上,挂篮强度和刚度满足要求。

2.5 挂篮抗倾覆性计算
倾覆性计算分为两种工况:
工况VI:挂篮位于8#节段位置,混凝土浇注完成尚未凝固,遭遇12级阵风,风向竖直向下,计算挂篮在非工作状态下整体稳定性。

计算荷载;挂篮系统自重;风荷载。

混凝
土荷载:2 544.6 kN。

挂篮抗倾覆能力:5.7>2.0
由计算可知,挂篮在浇注状态抗倾覆性满足要求。

工况VII:挂篮位于行走状态,遭遇12级阵风,风向竖直向下,计算挂篮在非工作状态下整体稳定性。

计算荷载;挂篮系统自重;风荷载。

挂篮抗倾覆能力:2.9>2.0
行走状态下挂篮整体抗倾覆性满足使用要求。

3.1 挂篮后锚固的强度验算
3.1.1 主桁后锚锚杆强度计算
由有限元计算可知,主桁锚固系统最大受力F=537.5 kN。

考虑偶然因素的影响,取不平衡系数1.1,单根锚杆最大受力P1=537.5×1.1÷4=147.8 k N。

锚杆最大应力为:
吊杆和锚杆均选用的是强度为830 MPa的Φ32高强精轧螺纹钢,故安全系数为: 主桁后锚锚杆强度均满足要求[7-9]。

3.1.2 主桁锚梁计算
此时F=537.5 kN,考虑偶然因素的影响,取不平衡系数1.1,锚梁最大受力
P2=537.5×1.1=591.3 kN,建立锚梁有限元模型如图,计算结果如图4～6所示。

由上述计算可知,工况II下主桁锚梁最大变形0.39 mm,结构最大应力
σmax=158.7 MPa<[σ]=175 MPa,锚梁强度满足要求。

锚梁与主桁连接销轴直径d=80 mm,材料为40Cr。

销轴抗剪计算
销轴所受剪力Q=1.1×537.5÷2=295.6 kN:
78.4 MPa<[τ]=227 MPa
销轴抗剪强度满足要求。

3.2 前支点计算
3.2.1 支撑架计算
支撑架为Q235板材焊接件,考虑偶然因素的影响,取不平衡系数为1.1。

在工况II 下,支承架受竖直向下荷载F=1 064.4×1.1=1 171 kN。

通过计算可知,工况II支撑架最大变形为0.56 mm。

结构最大应力为σmax=144.6 MPa<[σ]=175 MPa,支撑架强度满足要求[10]。

3.2.2 支撑架与主梁连接销轴计算
支撑架与主梁连接销轴直径d=125 mm,材料为40Cr。

销轴抗剪计算,销轴所受剪力Q=1.1×1 064.4÷2=585.4 kN
60.6 MPa<[τ]=208 MPa
销轴抗剪强度满足要求。

根据以上的计算结果,本挂篮的各计算值均满足规范要求,挂篮在浇注混凝土和行走时均安全可靠。

【相关文献】
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[2] 胡健.钢结构高空作业用挂篮计算方法[J].科技传播，2012(1)：110，104.
[3] 尹成虎，黄羚.挂篮施工力学计算模型分析与实现[J].公路与汽运，2012(5)：190～193.
[4] 苏成，陈太聪，韩大建，等.崖门大桥主梁牵索挂篮施工模拟计算[J].桥梁建设，2013(1)：12～15.
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