（机械设计及理论专业论文）基于有限元的咸阳渭河特大桥菱形挂篮系统改造设计与研究.pdf

摘要 本论文针对成阳渭河特大桥施工设备菱形挂篮系统改造项目进行研究。 咸阳渭河特大桥是在建的郑西高速铁路客运专线西延重点工程西安至宝鸡段的国 家及陕西省重点工程项目。由于原材料供应紧张及工期紧等原因，施工单位决定采用原 朝阳大桥菱形挂篮系统进行施工，为了保证挂篮系统能够满足施工需求，对其进行必要 的改造设计。 本文在充分研究成阳渭河特大桥施工项目及其施工方案的基础上，利用有限元软件 对原菱形挂篮系统进行了试算分析，根据试算分析的结果对其进行了相应的改造设计， 提高了挂篮系统的稳定性与安全性，并对改造后的菱形挂篮系统重新建立有限元模型进 行了校核计算，得出改造后的挂篮系统能够满足咸阳渭河特大桥施工要求的结论，并通 过菱形主桁架的张拉试验证明了这一结论。 对咸阳渭河特大桥菱形挂篮系统改造项目进行了经济效益分析，该改造项目仅用钢 材2 6 0 余吨，比制作新的设备节省钢材1 3 0 0 余吨，共为国家及施工单位节约资金近2 0 0 0 万元，改造项目具有良好的经济性。 最后对菱形挂篮系统的设计及应用进行了研究，总结出挂篮设计及改造过程中的一 些新方法、新工艺，对挂篮的实际设计与施工应用有一定指导借鉴意义。 关键词：有限元，菱形挂篮，改造设计，力学分析，经济效益分析 a b s t r a c t n i st l l e s i sd o e sar e s e a r c h0 nt h er e f 0 | 皿d e s i 萨0 f a l l y 柚gw b i h eb r i d g e s c o n s t m c t i o ne q u i p m e n t r h 伽b i ch 强g i n gb a s k e ts y s t e m ) 【i 锄y 卸gw e i h eb r i d g ei so n ep a f to f t l l ez l l e n g x ih i 9 1 l s p e e dm i l w a yp a s s e n g e rl i n e s w e s t c me x t e n s i o n x i a nt 0b a o j i ，w h i c hi san a t i o n a lk e yp r o j e c ti ns h a a n x ip r 0 v i i l c c b e c a u s eo “h et i g l l ts u p p l y0 fr a wm a t e r i a l s 柚ds h o np r e p 撕n gt i m e ( a i i do t h e rr c a s o n s ) ， c o n s t n l c t i o no 玛锄证a t i o nd e c i d e st ou s et h ee x i s t i n gr h o m b i ch 锄西n gb a s k e ts y s t e ma p p l i e d i nc h a o y 柚gb r i d g c i no r d e rt oe n s u r et l l a tt l l eh a i l 百n gb 舔k c ts y s t e m 啪m e e tt h c c o n s t m c t i o nn e e d s ，s 咖en e c c s s a r yr e f o f md e s i g ni si m p l e m e n t e d b a s e d t h et h o r o u g l l 柚a l y s i so nx i 柚y a n gw 曲eb r i d g c sc o n s t m c t i o np r o j e c t 锄di t s c o n s t m c t i o np l 雒，t h et l l e s i sd o e sap i l o tc a l c u l a t i o nt 0t l l eh 柚g i n gb a s k e ts y s t e mw i t l lf 王l a s 0 f t w a r c a c c o r d i n gt 0t h er c s u l t so fp i l o tc a l c l l l a t i o n ，s 伽en e c c s s a r yr e f o md e s i g ni sc a r r i c d 伽t ，w h i c h 他m a r ! k 西b l yi m p r 0 v e st h es y s t e m ss t a b i l i t y 锄ds e c u r i t y a 矗e rd o i n gac h e c ：i 【i n g c a l c u i a t i o nt 0t h c 耐b m e dr h o m b i ch a n 酉n gb a s k e ts y s t e m sn e wf e a 1 0 d l c ，t h ec o n c l u s i o n i s 佗孔h e dt h a tt l l c 他f l o m e ds y s t e mi sa b l et om e e tt h eb r i d g e ，sc o n s t r u c t i o nr c q u i r c 】叽t ， w h i c hi sp r o v e db yt h er h o m b i cm a i n - t m s s e s t e n s i o nt e s t t h er e f o 咖d e s i 印se c o n o m i cb e n e f i to fr h o m b i ch a i l 垂n gb a s k e ts y s t e mf o r 觚y a n g w e i l l eb r i i i g ei s 锄a l y z e d c o m p a r e dt om a l 【i n gn e we q u i p m e n t ，t h er e f o 姗p r o j e c to n l yu s e s 2 6 0 to fs t e e l ，s a v i n ga b o u t1 3 0 0 to fs t e e l ，w h i c hi se q u i v a l e n tt os a v i n ga b o u tr m b2 0 m i l l i o n s t 1 l ep r o j e c th 嬲a 昏帕de c o n o m y f i n a l l yt h es t u d yi sd o n et 0r h o m b i ch a i l g i n gb 弱k e ts y s t 唧sd e s i g n 锄da p p l i c a t i o n s o m e n e wm e t h o d s 柚dt e c h n i q u e so nh a i l 百n gb a s k e t sd e s i 萨觚dr e f 0 咖a r cs u m m a r i z e d ， w h i c hi sb e n e f i tt 0h a n 酉n gb 勰k e t sd e s i 朗a i l da c t u a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：h 0 r h o m b i ch a l l 酉n gb a s k e t ，r e f o 咖d e s i 驴，r c s e a r c h ，e c o n o m i c 卸de f f i c i e n c y a n a l y s i s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明 确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：叩系亚东 抄7 年了月刁日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 川 川 年f 月翻日 j 年月多口日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文选题背景 1 1 1 引言【1 ，2 】 随着我国国民经济、科学技术的发展和综合国力的提高，桥梁建设在近2 0 一3 0 年间， 已步入高速发展时期，其标志就是在设计、施工、科研等各个方面都取得了丰硕的成果： 杭州湾跨海大桥、苏通大桥、润扬大桥、虎门大桥一座座现代化大型桥梁相继出现 在神州大地上。 我国桥梁无论是在结构类型、建桥材料、理论分析，还是在施工技术与控制、施工 机械与设备及管理等各方面都积累了丰富的经验。特别是2 0 世纪6 0 年代起，将桥梁悬 臂施工与设计从钢桥推广到预应力混凝土桥梁，为预应力混凝土悬臂桥梁、连续桥梁、 连续钢构桥、拱桥和斜拉桥等大跨径桥梁的发展，提供了有力的施工技术保障，彻底改 变了6 0 年代以前用满堂支架修建桥梁的传统施工方法，既加快工期、节省材料和费用， 又因悬臂施工方法的应用，开创了现代大跨度桥梁发展的新时代，使桥梁结构体系也得 到发展和完善。 桥梁悬臂施工主要是指桥梁上部结构在施工时，从桥墩顶开始，对称或不对称地分 段向两边施工，适用于桥梁的上翼缘承受拉应力的桥梁形式，如悬臂梁、连续梁、拱桥 及斜拉桥等。悬臂施工分为悬臂浇注法与悬臂拼装法。其中，悬臂浇注法是用挂篮就地 分段现浇，待每段混凝土养护并张拉预应力后，再将挂篮前移，以浇注下一节段之用。 悬臂拼装是将已制造好的钢梁杆件或预应力梁节段，用悬臂吊机悬吊于上部结构上进行 逐一拼装，一个节段拼装牢固后再拼装下一个节段，形成向桥跨中部逐渐增大的悬臂， 直至跨中合拢或拼至下一个墩台上去。据资料统计，国内外1 9 5 2 年以来1 0 0 m 以上的大 跨径桥梁中，采用悬臂浇注法施工的占8 0 左右，采用悬臂拼装法施工的占7 左右。 挂篮是悬臂现浇施工中的主要施工设备，利用挂篮进行悬臂浇注施工，具有以下优 点： 1 从施工设备方面看，对特殊设备投资少，仅需要可反复周转使用的挂篮及1 5 t 以上的起重设备即可； 2 从施工质量方面看，梁体的钢筋连续性及混凝土的整体性好； 3 从施工变形控制及稳定性安全方面看，在施工中易于对变形进行控制，可以逐 第一章绪论 节段调整挂篮标高，但应注意挂篮移动时的稳定性及施工安全措施； 4 从对自然环境的要求看，用挂篮现浇一般不受桥孔下的地形、地质、水文、船 只、建筑物或市区交通的影响，且不像悬臂拼装法那样需要大片的粱场； 5 从对桥梁的适应性看，挂篮对于修建变截面的桥梁更易操作。 1 1 2 我国桥梁悬臂施工机械发展的现状b q 桥梁悬臂施工机械种类很多，主要有龙门起重机、架桥机、造桥机、挂篮、桥粱运 输设备等大型设备和卷扬机、千斤顶、聚四氟乙烯板等小型器具，如图1 1 所示。 龙门起重机 架桥机 造桥机 挂篮 田1 1 悬臂桥梁旌工机械 龙门起重机的主要结构往往用万能杆件拼装而成，两台为一组，通常在悬臂拼装施 工中用来吊装箱梁。随着粱型的发展，特别是高速铁路线路选用箱梁后，对起重量有了 很大的要求，因此逐步采用了一些专用的龙门起重机。如0 3 0 0 啦0 们2 m 电动单粱龙门 起重机，是用于2 0 m ，2 4 m 跨度铁路双线整孔箱梁吊装的专用起重设各。 架桥机形式多样，有悬臂式、简支式和导梁式等几种形式。悬臂式架桥机一般由机 身、吊臂、行走部分、起重设备等4 大部分组成。但由于中心高，稳定性差，容易发生 翻机事故而在上世纪6 0 年代后期逐步被其它形式的架桥机所取代。简支式架桥机一般 2 长安大学硕士学位论文 由机臂、前后支撑、起重设备等几部分组成。随着桥梁形式的不断发展，起重吨位的不 断增大，这种形式的架桥机逐渐取代了悬臂式架桥机，从6 0 年代后期至今成为我国铁 路主要形式的架桥机。导梁式架桥机一般由主机和导梁构成。主机由机臂和支撑构成， 具有起重功能，导梁一般长度超过两跨桥长，具有纵移功能。由于工作性能及墩台受力 较好，因此导梁式架桥机更适合大吨位桥梁的架设。 造桥机是一种自带模板，利用模架梁支承，对混凝土梁进行逐孔现场浇注的施工机 械。实际上是一种自动化程度较高的可自行移位的混凝土制品工厂。与架桥机相比，它 是将制梁、运梁、架梁等工作合为一体的施工机械，具有节省制梁设备及场地投资，不 需要运梁设备、提梁机和架桥机，对路基和桥梁上部结构无任何影响等特点，但施工效 率相对较低。 挂篮是一种钢制的活动悬空结构物，它是悬臂浇注施工法的主要设备。顾名思义， “挂 是指可以移动的具有起重能力的设备总称；“篮 是指像吊篮一样可容纳梁体及 其设备和人操作的空间。对于1 0 0 m 以上大跨径桥梁，挂篮由于使用灵活，浇注的桥梁 整体性好等优点被广泛采用。 1 9 9 6 年1 2 月初建成通车的广东九江大桥，总体布置主桥部分的跨径组成为 ( 5 0 + 1 0 0 + 2 1 6 0 + 1 0 0 + 5 0 ) m ，主梁采用预应力混凝土变截面连续箱梁结构，采用悬臂拼装? 法施工；1 9 9 5 年1 1 月竣工的湖北省黄石长江大桥，主跨( 1 6 2 5 + 3 2 4 5 + 1 6 2 5 ) m ，为预应 ： 力连续刚构桥，采用悬臂浇注法施工，并创造了几孔同时合拢的施工方法。2 0 0 8 年5 月1 日正式通车的世界最长的跨海大桥杭州湾跨海大桥，全长3 6 公里，除北引桥陆地 区及滩涂区3 0 m 跨采用满堂支架浇注外，其余全部采用悬臂施工法修建，其间使用的桥 梁施工机械包括架桥机、造桥机、挂篮、大型浮吊等。上述实例证明，我国悬臂施工法 技术水平已达到国际先进水平，桥梁悬臂施工机械也处于领先地位并不断向大型化、专 业化、自动化方向发展。 1 2 挂篮悬臂浇注施工技术简介【5 1 挂篮是一个能沿梁顶滑动或滚动的承重构架，其锚固悬挂在已施工的前端梁段上， 在挂篮上可进行下一梁段的模板、钢筋、预应力管道的安设，混凝土灌注和预应力张拉， 灌浆诸作业。完成一个节段的循环后，挂篮即可前移并固定，进行下一节段的悬灌，如 此循环直至悬臂灌注完成。挂篮悬臂浇注施工如图1 2 所示。 3 第一章绪论 图l o 挂蛙悬臂浇注埔工 挂篮按构造形式可分为桁架式( 包括平弦无平衡重式、菱形、弓弦式等) 、斜拉式c 包 括三角斜拉式和预应力斜拉式) 、型钢式及混合式四种；挂篮按抗倾覆平衡方式可分为 压重式、锚固式和半压重半锚固式三种：按其移动方式可分为滚动式、滑动式和组合式 三种。几种主要挂篮的结构如图1 3 1 7 所示。其中菱形挂篮具有结构简单、自重轻及 受力合理等特点，因此应用广泛。 圈l j 平行桁架式挂篮 图l 三角形组合粱式挂篮 4 长安大学硕士学位论文 废板后 曲挂量面 后上横鬃 图1 5 弓弦式挂篮 b ) 挂t 正面 图1 6 滑动斜拉式挂篮 -。- ：斤顶j ii ；# ； i - 1 i ， 罱 b ， b纩飞彳 t 电l z 丝j 亡 兰 夕 产p 号习 引鼬 u 【u 胃 l_ r1 垂! 二_ 一 d r t tr：i丌t 民文采一i 图1 7 菱形桁架式挂篮 5 第一章绪论 1 3 课题来源及研究的目的和意义 本课题咸阳渭河特大桥菱形挂篮系统的改造设计由咸阳渭河特大桥项目部委托执 行，意在节约施工设备的投资及挂篮设计制作的前期准备时间，并确保工程安全顺利进 行。 咸阳渭河特大桥是在建中的郑西高速铁路客运专线西延重点工程西安至宝鸡段的 国家及陕西省重点工程项目。该桥桥体单跨总重约6 0 0 0 余吨，采用挂篮分段现浇施工 工艺，单段箱梁高度最高达9 6 m ，分段施工最大载荷2 0 0 t 以上。因工期紧，时值2 0 0 8 年上半年原材料供应紧张，钢材价格高腾达到7 0 0 0 余元t ，施工中共需使用1 0 套挂篮， 约需钢材1 6 0 0 t ，施工方将投入2 0 0 0 余万元资金购买原材料。为节约材料资金投入，缩 短施工设备准备时间，拟采用原泾河朝阳大桥菱形挂篮系统进行施工。该设备仅能完成 高度不超过6 m 、最大施工载荷不超过1 3 0 t 的单段箱梁浇注，为此，必须对该系统进行 改造设计。 挂篮作为悬臂现浇施工中的主要施工机械，普遍应用于大跨度连续箱梁施工中。然 而，目前国内挂篮的使用基本是一个工程一套挂篮的模式，即每新建一个工程就要专门 为之设计一套挂篮系统。这不仅浪费材料、人力、资金，还可能因为设计与加工周期长 而延误工程进度。因此，如何克服挂篮的一次性使用问题，降低施工成本，提高挂篮反 复利用率成为桥梁施工中急需研究的课题。 本文欲通过咸阳渭河特大桥菱形挂篮系统的改造设计，达到为施工单位节约资金的 目的，并详细介绍菱形挂篮系统的原结构、改造设计、有限元分析计算及其改造后在工 程中的应用情况，为更多挂篮的改造设计提供一定的参考，从而提高挂篮的使用范围， 改变以往挂篮一次性使用的现象，并对如何改造挂篮这一问题提出一些较好的建议，得 出一些有用的结论，对建设资源节约型社会作出贡献。 1 4 研究的主要内容 本文将主要围绕咸阳渭河特大桥挂篮系统的改造设计这一课题进行研究，对挂篮菱 形主桁架系统、吊挂系统、模板系统、走行及锚固系统等进行改造设计，并对整个挂篮 系统利用有限元软件进行力学分析计算，完成以下主要内容： 1 改造前后挂篮设计指标要求比较明确原挂篮的组成情况、设计指标等具体参 数；了解咸阳渭河特大桥施工图文件，明确各箱梁节段具体参数，确定挂篮系统改造设 6 长安大学硕士学位论文 计的技术指标。 2 原挂篮系统的力学计算利用有限元软件对原有挂篮系统施加咸阳渭河特大桥 箱梁浇注时的载荷，分析挂篮各部分受力状况，确定原挂篮不能满足施工要求的部位。 3 菱形挂篮系统的改造设计根据对原挂篮系统进行试算的结果，对菱形挂篮系 统各个组成部分：菱形主桁架系统、吊挂系统、模板系统、走行及锚固系统等进行改造 设计；确定挂篮系统的施工工艺。 4 改造后挂篮系统的有限元校核计算确定挂篮施工时的危险控制节段，利用有 限元软件对改造后的挂篮整体及各组成部分进行力学校核计算。 5 挂篮改造的经济效益分析分析咸阳渭河特大桥菱形挂篮系统改造项目的经济 效益，对其进行评估。 6 挂篮系统的研究与应用通过咸阳渭河特大桥挂篮系统的改造设计，研究挂篮 系统的设计及改造问题，提高挂篮系统的使用范围。 7 结论与展望通过咸阳渭河特大桥挂篮系统的改造设计过程，得出相应结论， 并对挂篮施工的发展前景做一定分析。 7 第二章菱形挂篮的基本结构及成阳渭河特大桥施工方案 第二章菱形挂篮系统的基本结构及成阳渭河特大桥施工方案 2 1 咸阳渭河特大桥项目简介 2 1 1 成阳渭河特大桥工程概况 郑西客运专线是我国中长期铁路规划中1 0 条客运专线中徐兰客运专线( 徐州郑州 西安宝鸡兰州) 最先开工的一段。郑西铁路客运专线全长4 8 4 5 1 8 公里( 其中正线长 4 5 6 6 3 9 公里) ，桥梁和隧道长度占全长的5 9 7 5 ，最大年输送能力8 3 4 0 万人，其中近 期约3 7 0 0 万人，设计行车速度：线下为3 5 0 公里时，线上为2 0 0 公里时，按双线建设， 全线占地2 8 9 0 3 亩，沿线共设车站1 3 个，建设工期4 年，计划2 0 0 9 年7 月投入试运营， 主要工程数量：土石方4 5 2 9 万立方米，级配碎石2 9 5 万立方米，概算总投资( 动态) 5 4 6 6 8 亿元。其中咸阳渭河特大桥属西安段西安枢纽配套工程系列，由于其跨度大，单 段施工箱梁载荷大，使施工难度相对较大。咸阳渭河特大桥项目为国家及陕西省重点建 设项目。 成阳渭河特大桥由铁道部第一勘察设计院设计，其中k h z q l l 标段中的 d k 4 7 5 + 2 踯铝d k 4 9 7 + 4 3 6 9 3 部分采用预应力混凝土连续箱梁结构，梁跨为 e 7 5 + 1 2 0 旧5 ) m 、f 7 5 + 2 1 2 0 + 7 5 ) m ，箱梁是单箱单室、变高度、变截面结构，箱梁顶宽1 3 4 m ， 底宽6 7 m 。箱梁底按1 8 次抛物线变化，施工时挂篮底模是直线型，箱梁底板实际为折 线模拟1 8 次抛物线，采用挂蓝方式有墩台向两侧对称进行施工。由于工期紧，时值2 0 0 8 年上半年，国内原材料供应紧张，钢材价格高腾达到7 0 0 0 余元t ，施工中共需使用1 0 套挂篮，约需钢材1 6 0 0 t ，为了节约工程设备的投资，拟采用朝阳大桥施工中的菱形挂 蓝系统进行施工，该桥单段箱梁高度最大约6 m ，施工载荷不超过1 3 0 t 。为保证施工设 备结构的安全稳定性，需对菱形挂蓝系统进行改造设计。 为了保证咸阳渭河特大桥菱形挂篮系统改造项目的顺利进行，制定以下工作流程： 首先熟悉原朝阳大桥菱形挂篮系统结构并根据咸阳渭河特大桥施工图设计文件制定 出咸阳渭河特大桥菱形挂篮系统的超载指标，然后利用a n s y s 软件对原挂篮系统进行 试算，确定原挂篮系统不能满足施工要求的部位，根据试算结果对菱形挂篮系统进行改 造设计，最后利用a n s y s 软件对改造后的菱形挂篮系统进行力学校核分析，并进行经 济效益的评价。 8 长安大学硕士学位论文 2 1 2 咸阳渭河特大桥挂篮系统超载要求指标 咸阳渭河特大桥混凝土连续箱梁采用单箱单室、变高度、变截面结构，箱梁顶宽 1 3 4 m ，底宽6 7 m ，箱梁底按1 8 次抛物线变化。由于桥梁箱体结构大，根据咸阳渭 河特大桥施工图设计文件，对成阳渭河特大桥挂篮系统提出超载要求指标，见表2 1 。 挂篮前移可采用千斤顶或液压顶推，施工作业载荷为5 0 k g m 2 ，最大面积约为6 0 m 2 ，共 计3 t 。由于挂篮为特殊设备，根据规划6 】要求挂篮整体及各部分安全系数不得低于1 2 5 。 表2 1 威阳渭河特大桥挂篮系统技术指标 项目咸阳渭河特大桥项目咸阳渭河特大桥 挂篮设计载荷 2 0 0 吨( 1 撑节段) 适用梁高 2 5 8 9 6 m 挂篮白重 7 5 吨( 含内外模板) 工作状态抗倾覆稳定系数 1 4 适用施工节段长 3 0 4 5 m 行走状态抗倾覆稳定系数 1 5 适用梁体宽度( 底顺) 6 9 1 3 4 m混凝土浇注动力系数1 2 2 2 菱形挂篮系统的基本结构 2 2 1 菱形挂篮系统的组成【5 】 菱形挂篮系统主要由菱形主桁架、吊挂系统、模板系统、走行系统及锚固系统等部 分组成。 1 菱形主桁架菱形主桁架是挂篮的主要承重结构，两片主桁架竖放于箱梁腹板 位置，其间用由槽钢及角钢组成的横联连接。菱形桁架的主桁杆件根据受力要求均采用 较大型号的槽钢组焊而成，杆端可用节点板栓接，也可采用焊接。主桁架前端在节点处 放置一根由2 根工字钢组焊成的横梁，上设6 个或8 个吊点，其中4 个用来吊内外模滑 梁，其余的用来吊底模平台。该横梁同时起到将两片桁架连成整体的作用。 2 前后吊带( 杆) 前吊带( 杆) 的作用是为底模平台提供前吊点，其承受几乎一半的 挂篮载荷。当待浇灌段混凝土重量较大时，一般采用吊带，否则用吊杆。吊带一般用1 6 m n 或性能更好的钢板并布设销孔而成，一般约每3 m 一段，分段间用销轴连接，以适应不 同梁高的需要。当采用吊杆时，钢材一般用冷拉级精轧螺纹钢筋。每根吊带或吊杆 在横梁上放2 台千斤顶通过扁担梁调整底模的标高。 后吊带( 杆) 从箱梁的底板预留孔中穿过，一般用1 6 m n 钢板上布调节孔或4 5 号钢棒 带螺帽制成，下端与底模平台相连，上端用2 台千斤顶和扁担梁或螺帽支承在箱梁底板 顶面上。后吊带( 杆) 的作用是承受挂篮约一半的载荷并将其传递给箱梁底板。 3 模板系统箱梁外侧模一般采用钢制大模板，并沿梁高分为3 块左右，以随梁 9 第二章菱形挂篮的基本结构及咸阳渭河特大桥施工方案 高变化拆装调整。外侧模支承在外模走行梁上，走行梁后端通过吊杆悬吊在已浇好的箱 梁顶板预留孔上，后吊杆与走行梁间设有后吊架，其上装有滚动轴承，挂篮走形时，外 模走行梁与外模一起沿后吊架滑行。 内模一般通过模架放置在两根内模走行梁上，走行梁前端吊在菱形主桁架横梁上， 后端通过预留孔吊在已浇梁段顶板上，内模架可沿走行梁滑行，除角隅处外，平面部分 可用组合钢模或木模钉铁皮。 底模由底模平台和底模板组成，底模平台分纵梁、横梁，一般由槽钢或工字钢等组 焊而成。 4 走行系统挂篮走行系统分为菱形主桁架走行系统及模板走行系统。模板系统 脱模后，内外模架落在走行梁上随整个挂篮系统一起走行。菱形主桁架走行系统布置为， 在两片桁架下的箱梁顶面铺设两根用钢板组焊的轨道，轨道用竖向预应力筋通过短梁固 定，轨道项面放置前后支座，支座与桁架节点栓接，前支座沿轨道滑行( 支座与轨道间 垫四氟乙烯板) ，后支座以反扣轮的形式沿轨道顶板下缘滚动，不需加设平衡重。走行 时用2 个手动葫芦纵向牵引，轨道分节以便向前倒用。悬臂灌注前，需用级精轧螺 纹钢筋将轨道上钢枕与桁架后节点锚固，使后支座反扣轮不受力。 5 锚固系统挂篮锚固系统一般采用级精轧螺纹钢筋，需将菱形主桁架前后节 点、内外模走行梁及轨道等通过箱梁预留孔锚固在已浇箱梁板上。 从总体看，菱形挂篮系统的载荷约一半通过前吊带( 杆) 传至已浇注梁段上，菱形主 桁架以铰接模式计算杆力，其前下节点支于箱梁顶板前侧，后下节点则通过竖向预应力 筋锚于梁上。 2 2 2 原朝阳大桥菱形挂篮系统简介 原朝阳大桥挂篮系统设计载荷1 3 0 t ，挂篮自重6 8 t ( 含内外模) ，适用梁体宽度( 底 顶) 6 5 1 2 5 m ，梁高2 5 8 巧3 7 m 。挂篮菱形主桁架由两片菱形架及前后门联组成，两片 菱形架为采用3 2 b 槽钢及钢板组焊成的箱体。底模系统由5 片纵梁、前后底横梁及底模 板组成。前底横梁通过前吊带与顶横梁连接，后底横梁通过后吊带与已浇箱梁的底面相 连。顶横梁由双拼4 0 a 工字钢组焊而成，连接于菱形主桁架前端的节点处。内外模板由 5 m m 钢板和钢框组焊成，两外侧模支承在两外导滑梁上，内模支承在两内导滑梁上， 内外模脱模后可沿导滑梁前移。走行装置由滑道、后钩板及千斤顶组成，滑道由双拼2 5 a 工字钢及1 0 m m 钢板组焊成i i 断面，滑道每隔o 5 m 与竖向预应力筋锚定。挂篮设前后 1 0 长安大学硕士学位论文 支座各2 个，前支座支承在滑道顶面，后支座以反扣的形式沿工字钢缘滑动。在灌注混 凝土时，挂篮后端用8 根口3 2 精轧螺纹钢锚固在已浇注箱梁上。由于朝阳大桥梁体较轻， 因此该挂篮系统只用了2 根前吊带。如图2 1 所示。 图2 1 原朝阳大桥挂篮系统 第二章菱形挂篮的基本结构及咸阳渭河特大桥施工方案 2 3 咸阳渭河特大桥施工方案【7 】 咸阳渭河特大桥设计最大单跨跨度为1 2 0 m ，设计分3 o m 、3 5 m 、4 o m 、4 5 m 4 种 长度进行悬臂浇注施工，其中3 o m 共8 段( 1 彬，3 5 m 共4 段( 5 、鳓，4 o m 8 段( 7 1 0 的， 4 5 m 8 段( 1 1 1 错) ，中间合拢段1 5 挣节段长2 o m 。咸阳渭河特大桥1 2 0 m 跨桥梁挂篮施工 方案见附录i l i 。 大桥整体施工流程如图2 2 所示。 2 4 本章小结 呻块施工 挂篮拼装、检验 1 掀施工 n 挂篮行走、锚固 浇注下一梁段 j l 悬臂段施工 l 挂篮拆除 l 合拢段施工 图2 2 大桥施工流程 本章对咸阳渭河特大桥施工项目进行了简介，并对其主要旌工设备菱形挂篮系统的 构造进行了详细介绍，给出了咸阳渭河特大桥的具体施工方案及施工流程。 长安大学硕士学位论文 第三章挂篮系统有限元建模及原菱形挂篮系统试算分析 a n s y s 软件是目前最流行的有限元软件之一，具有功能强大、兼容性好、使用方 便、计算速度快等优点，广泛应用于机械、土木、电子、压力容器、航空航天等工程领 域，其提供的参数化设计语言( a _ p d l ) 能通过参数化变量等功能模块设计修改有限元分析 过程，有效提高工作效率。 本文对挂篮不同节段的有限元分析就是利用了a p d l 参数化设计语言的参数化变 量、表达式与函数等功能，方便了不同节段挂篮及箱梁模型的建立，使分析流程更清晰， 效率更高。本文主要应用a n s y s 软件对菱形挂篮系统进行结构静力学分析。 3 1 挂篮系统有限元模型的建立【8 ，9 ，1 0 1 3 1 1 计算工况的确定 咸阳渭河特大桥是预应力混凝土连续箱梁结构，梁跨为( 7 5 + 1 2 0 + 7 5 ) m 、 ( 7 5 + 2 1 2 0 + 7 5 ) m ，箱梁是单箱单室、变高度、变截面结构，箱梁顶宽1 3 4 m ，底宽6 7 m 。 箱梁底按1 8 次抛物线变化，施工时挂篮底模是直线型，箱梁底板实际为折线模拟1 8 次抛物线，单段箱梁最大高度达9 6 m 。其中，3 0 m 的l 舞旌工节段的混凝土方量最大， 达到7 4 m 3 ；4 5 m 施工节段中1 1 # 节段的混凝土方量最大，达7 0 m 3 。因此，确定此两节 段为挂篮设计的控制节段。计算时考虑的载荷主要有：挂篮自重、箱梁自重、混凝土浇 注产生的动载荷、施工人员及施工机具载荷。由于规定挂篮在前移和浇注时，若遇6 级 以上大风应停止施工，故计算中不考虑风载。 咸阳渭河特大桥用于灌注箱梁的混凝土密度为2 6 1 0 l 【咖3 ，挂篮所用钢材密度 7 8 5 0 k g m 3 。施工人员及施工机具载荷为5 0 k g m 2 ，最大面积约为6 0 m 2 ，共计3 t 。挂篮 工作状态抗倾覆系数 1 4 ，行走状态抗倾覆系数 1 5 ，混凝土浇注动力系数1 2 。由于试 算是为了找出原菱形挂篮系统的不足之处，故只对原挂篮系统施加1 舞节段载荷进行试 算。 3 1 2 建模方案的确定 有限元求解过程中首要的环节是有限元模型方案的确定，建立的模型必须能如实的 反映出结构的力学特性，符合实际的工作状态，突出问题的重点，满足计算精度的要求。 对于任何结构，都有不止一种建模方案，必须正确合理的选择方案才能保证得到理想的 1 3 第三章挂篮系统有限元建模及原菱形挂篮系统试算分析大桥施工方案 计算结果。 菱形挂篮是一个较大的空间立体结构，受力状况复杂。虽然菱形挂篮结构左右对称， 但考虑到触临y s 软件本身强大的建模功能及利用a p d l 语言很容易实现模型的复制、 镜像等操作，故采用整体建模方案，这也有利于后处理中对模型整体情况的分析。 以左侧菱形主桁架前下节点为原点，以箱梁浇注方向为x 轴方向，竖直向上为z 轴方向建立力学模型。 3 1 3 材料特性参数的确定【1 l 】 菱形挂篮系统所使用的材料主要为普通碳素钢q 2 3 5 ，吊带采用1 6 m n ，锚固吊杆采 用口3 2 精轧螺纹钢。考虑到施工过程中灌注混凝土的动载及人员机具载荷的影响，混凝 土箱梁按1 4 倍加载，菱形挂篮系统按1 2 倍加载，即将箱梁自重及挂篮系统自重分别 提高1 4 倍和1 2 倍。在模型中对各杆件及箱梁施加的材料参数如下( 其中，口3 2 精轧螺 纹钢的材料参数为施工方提供的试验数据，见附录i ) ： 钢筋混凝土：弹性模量e = 4 1 0 4 m p a ，密度p = 3 6 5 4 k g ，m 3 ，泊松比九= 0 1 5 。 q 2 3 5 ：弹性模量e = 2 1 1 0 5 m p a ，密度p = 9 3 6 0 k 咖3 ，泊松比瑚3 ，许用应力 i s 】= 1 7 0 m p a 。 1 6 m n 钢：弹性模量e = 2 0 6 1 0 5 m p a ，密度p = 9 4 8 0 k g m 3 ，泊松比k o 3 ，许用应力 【s 】= 2 1 0 m p a 。 谚3 2 精轧螺纹钢：弹性模量e = 2 0 6 1 0 5 m p a ，密度p = 9 4 8 0 k g o ，泊松比九= 0 3 ，许 用应力【s 】= 9 0 8 m p a 。 在a n s y s 中定义材料参数命令如下： ! q 2 3 5 材料参数 m p ，e x ，1 ，2 1 e 1 1 m p ，d e n s ，1 ，9 3 6 0 m p ，p i t x y ，l ，0 3 11 6 m n 材料参数 m p ，e x ，2 ，2 0 6 e 1 1 m p ，d e n s ，2 ，9 4 8 0 m p ，p r x y ，2 ，0 3 1 4 1 精轧螺纹钢材料参数 m p ，e ) ( ，3 ，2 0 6 e 1 1 m p ，d e n s ，3 ，9 4 8 0 m p ，p r x y ，3 ，0 3 1 混凝土材料参数 m p ，e x ，4 ，4 e 1 0 m p ，d e n s ，4 ，3 6 5 4 m p ，p r x y ，4 ，0 1 5 长安大学硕士学位论文 3 1 4 单元类型的选择 用有限元法对结构进行分析时，应根据结构的受力特征和分析目标选择合适的单元 类型。单元选择包括单元类型的选择和单元精度的选择两方面内容，其原则是对同一问 题，所选单元应使计算精度高，收敛速度快，计算量小。常见的单元类型有杆、梁、板、 壳、平面、实体等。同一种单元类型，不同节点数的单元，精度是不同的。如平面问题 中，平面单元有三节点三角形、六节点三角形、四节点矩形等单元。一般来说，节点数 越多，单元精度越高，但计算量也越大。实际使用中，应综合考虑，在计算量允许的情 况下，尽可能选择精度较高的单元。 在a n s y s 中有丰富的单元库，使用时应根据各种结构的实际受力状况选择合适的 单元类型。菱形挂篮系统是一个典型的空间桁架结构，其组成单元均为等截面梁、杆单 元，而本文分析的重点在于菱形挂篮系统及其各部分的强度及刚度，因此，根据菱形挂 篮系统的实际结构选择b 删1 8 8 、u n 硒两种单元。箱梁实体在计算中只考虑其重力 对挂篮的作用，故选择常用的s o u d 4 5 实体单元。 b e a m l 8 8 是一个二节点的三维线性梁单元，能够承受拉力、压力、弯矩，默认每 个节点有6 个自由度，分别是沿x ，y ，z 的位移及绕其的转动。本文主要用b 洲1 8 8 单元来模拟挂篮系统中的菱形主桁架、底模梁及顶横梁等结构。u n k 8 是一种能应用于 多种工程实际的二节点杆单元，只能承受单轴的拉压力，每个节点上有沿x ，y ，z 方 向位移的三个自由度。u n k 8 单元主要用来模拟吊挂系统中的前后吊带( 杆) 、斜拉系统 中的斜拉杆及锚固系统中的各锚杆。s o u d 4 5 单元用于构造三维混凝土箱梁实体结构， 单元通过8 个节点来定义，每个节点有3 个沿着x ，y ，z 方向平移的自由度。 ! 定义单元类型 e t ，1 ，b e a m l 8 8 e t ，2 ，u n k 8 e t ，3 ，s o u d 4 5 3 1 5 单元划分 有限元分析中，单元划分是其中关键的一个步骤，单元划分的好坏直接影响到计算 的精度和速度。为了建立正确、合理的有限元模型，划分单元时应考虑如下一些原则： 1 s 第三章挂篮系统有限元建模及原菱形挂篮系统试算分析大桥施工方案 1 单元数量单元数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。通常， 单元数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算成本也会增加，所以在确定单元数量 时应权衡两个因素综合考虑。在划分单元时，应在保证计算精度的同时，尽量减少单元 数量。在决定单元数量时应考虑分析的类型：在静力分析时，如果仅是计算结构变形， 单元数量可以少一些。如需计算应力，则在精度要求相同的情况下应取相对较多的单元。 2 单元疏密单元疏密是指在结构不同部位采用大小不同的单元，这是为了适应 计算数据的分布特点。在计算数据变化梯度较大的部位( 如应力集中处) ，为了较好的反 映数据变化规律，需要采用比较密集的单元。而在计算数据变化梯度较小的部位，为减 小模型规模，则应划分相对稀疏的单元。这样，整个结构便表现出疏密不同的单元划分 形式。 综合考虑以上单元划分原则，结合实际情况，在菱形挂篮系统的有限元模型建立过 程中，主要采用人工划分的方法。底模桁架部位由于和箱梁接触，故加大划分密度，菱 形主桁架的主要杆件也适当的提高划分密度，而在吊带、锚杆等杆单元处就可以直接连 接节点生成单元。 3 1 6 建立模型 在用有限元法求解结构问题时，首先要从实际结构和研究的重点出发，在满足准确 性要求的前提下，对实际结构进行合理简化。简化的模型既要符合实际的结构受力状况， 又要突出所关心的重点部位。在简化模型的基础上，建立几何模型以满足有限元分析的 要求。例如，在进行有限元分析时，往往只要求了解某些部位和区域而不是整个结构的 应力分布情况，因此在建立几何模型时，就无需将所有特性做出来，特别是某些工艺孔 或槽等。对于某些结构较复杂但又不影响分析结果的特征，完全可以省略或以一个简单 的特征来替代。 鉴于此，在建立菱形挂篮系统的几何模型时，尽可能保证模型与实际结构相一致， 在使模型能够反映挂篮主要结构部位力学特性的原则下，对实际结构作如下简化：由于 挂篮外模及内模系统载荷主要作用在各自的导梁上，为了简化模型，将挂篮外模及内模 系统换算成相应载荷均布在各自导梁上；忽略各杆件间连接的螺栓孔、销孔及工艺孔槽 等对分析结果影响不大的微小结构；忽略了各联接处筋板的作用；不考虑焊缝处材料特 性的变化，认为焊接处材料与相邻结构的材料性能相同。对于螺栓联接处杆件的强度及 螺栓的强度计算则利用有限元计算结果进行手工计算。 1 6 长安大学硕士学位论文 由于菱形挂篮系统简化后的模型都是简单的线性单元，所以采用自底向上的建模方 式。对建模过程中的几个关键问题做如下处理： 1 不同施工工况的处理 由于挂篮施工过程中1 撑及1 1 # 箱梁都是控制节段，而这两个节段的截面尺寸是不同 的：1 桫节段箱梁高9 6 m ，长3 o m ，如图3 1 所示；1 1 舞节段箱梁高6 2 9 3 m ，长4 5 m ， 如图3 2 所示。 1i 一、 ，_ 一 _，1、 单位= c 、l 图3 1l 栉段箱梁横截面 m 图3 2n 撑节段箱梁横截面 为了节约建模时间及便于修改模型，利用a p d l 语言的参数化变量功能，在建模前 定义不同工况下箱梁的变量参数，如表3 1 所示： 1 7 第三章挂篮系统有限元建模及原菱形挂篮系统试算分析大桥施工方案 表3 1 箱梁变量参数的定义 变量值 变量符号 1 誊节段1 1 撑节段 梁高 h- 9 6_ 6 2 9 3 箱梁底板厚度 h 10 8 50 5 箱梁顶板厚度 h 21 20 4 箱梁腹板厚b0 90 5 5 箱梁长度w 3 o4 5 在建模前，只需在软件预处理时修改相应的变量值即可，如对1 群节段工况进行分析， 只需将下列命令流输入即可： h = 9 6 h 1 = o 8 5 h 2 = 1 2 b = o 9 w = 3 0 模型中其它相应参量的变化则可利用a p d l 的函数及表达式功能进行，例如对后 吊带的定义： ! a p d l ，表达式的应用 n ，2 【y 7 ，0 i 3 5 8 ，1 1 7 5 ，h o 3 n ，2 1 4 ，m 3 5 8 ，4 9 7 5 ，h 0 3 n ，7 7 2 ，- 0 3 5 8 ，1 1 7 5 ，h + 1 1 n ，7 7 5 ，o 3 5 8 ，4 9 7 5 ，h + 1 1 2 梁截面的定义 t y p e ，2 r ，2 m 忪t ，2 e ，7 7 2 ，2 0 7 e ，7 7 5 ，2 1 4 对于梁的截面形状，u 临y s 提供了几种通用横截面供用户选择，如在底模纵横梁 的建立过程中，用到的1 2 6 号槽钢、8 0 8 0 8 及5 0 5 0 6 的角钢等，这类通用横截 面的定义如下： 18 0 8 0 8 角钢截面的定义 s e c t y p e ，7 ，b e a m ，l s e c d a t e ，0 0 8 ，o 0 8 ，o 0 0 8 ，o 0 0 8 15 0 5 0 6 角钢截面的定义 1 8 s e c t y p e ，8 ，b e a m ，l s e c d 匕虹e ，o 0 5 ，0 0 5 ，0 0 0 6 ，0 0 0 6 1 矩形加强板截面的定义 s e c t y p e ，9 ，b e a m ，r e c t s e c d 气t e ，0 0 1 ，o 2 9 长安大学硕士学位论文 11 2 6 号槽钢截面的定义 s e c t y p e ，1 3 ，b e a m ，c h a n s e c d a t e ，o 0 5 3 ，o 0 5 3 ，o 1 2 6 ，0 0 0 9 ， 0 0 0 9 ，o 0 0 5 5 但是在菱形挂篮模型的建立过程中，大部分梁的横截面都是非通用的，此时需要创 建一个2 d 模型，然后利用s e c w r i t e 命令将其保存为宰s e c t 文件。在菱形挂篮系统 的建模过程中需要自定义的截面包括：菱形主桁架各杆的横截面、顶横梁横截面、前后 底横梁横截面、内外滑梁横截面等。例如菱形主桁架中双3 2 b 槽钢的自定义截面命令流 如下： | p r e p 7 1 定义m e s h 2 0 0 单元为