菱形挂篮预压方案的仿真计算分析与比较.docx

2013 年第 1 期江苏水利菱形挂篮预压方案的仿真计算分析与比较周勤华（江阴市华士水利农机服务站，江苏 无锡214421）摘要：运用有限元软件建立菱形挂篮的模型，计算分析 3 种常见菱形挂篮的预压方案，分析 3 种预压方法的优缺点，讨论了梁段重量在挂篮底模上分布的计算方法，以及张拉钢绞线预压方案中张拉位置和张拉力的确定方法， 为挂篮预压试验方法提供一定理论依据。关键词：菱形挂篮；仿真；预压试验中图分类号：TV745文献标识码：A文章编号：1007-7839（2013）01-0014-03概述挂篮悬臂浇筑施工法是 1959 年 首先由前联邦德国迪维达克创造和使用，因此又称迪维达克施工法。挂 篮悬臂施工技术含量高，设备投入 少，施工方便，而且箱梁的应力和弯矩分布更加合理，施工过程中挂篮和 模板可重复使用，无需大型吊机，不 影响桥下正常交通，已成为修建大中 跨径桥梁的一种极为有效的施工手 段 。随着挂篮施工在桥梁建设中的 不断推广，挂篮形式也在不断发展创 新，从结构形式看目前主要有：菱形 挂篮、平行桁架式挂篮、三角形组合 梁式挂篮、弓弦式挂篮、斜拉式挂篮 等；从抗倾覆的受力方式看有 ：压重 式、锚固式和半压重半锚固式；从移 动方式看有：滚动式、滑动式和组合 式。菱形挂篮可以看作平行桁架式挂 篮的简化和改进，其上部结构为菱 形，其菱形结构后端锚固于已浇梁段上，结构形式简单，无需平衡压重，自重较轻。挂篮是悬臂施工的关键设备，它 与施工进度、梁的线形、混凝土质量 和人员安全密切相关。因此，在正式 施工前必须对挂篮体系施工荷载 情形进行预压试验，测得各级加载阶段 的弹性变形值，准确把握挂篮本身的 变形情况，为挂篮施工的节段抛高提 供计算的依据。桥梁挂篮加载预压方法主要有： 砂袋堆载法、水箱加载法、张拉钢绞线 加 载 法 等 。 本 文 采 用 Midas Civil2010 有限元软件，模拟三种预压方案 下挂篮的受力、变形情况，对比分析三种预压方案的优缺点，为工程施工 提供一定的理论依据。系、外滑梁、滑轨、前支点、后锚点等组成。桁片采用 32a 槽钢，前、后横梁 采用 40a 槽钢，吊杆采用 32 mm 的精轧螺纹钢。为分析、比较三种常见预压试验方案，以此菱形挂篮为例，采 用通用有限元软件 Midas Civil 2010模拟三种常见预压方案，有限元模型见图 2。下前横梁上设置观测点，设置 在下吊点位置处，共设置 6 个观测点见图 1（b）中，梁段右侧依次还有观 测点 4、5、6，比较几种预压方案的变形情况。进行有限元建模时，采用只承受 拉力的桁架单元模拟吊杆，并且按面积相等原则将图 1（b）中 观 测 点 1、2处的两根吊杆等效成一根吊杆。采用 梁单元模拟桁片等其他部件，利用约 束条件将桁片节点处模拟为铰接、刚 接等情况。3 三种常用预压方案的计算分析与 对比1挂篮方案及三种预压方案仿真计2算方法图 1 所示是一常见的菱形挂篮， 主 要 由 桁 片 、吊 杆 、前 后 横 梁 、底 模（a）（b）图 1挂篮结构示意图作者简介：周勤华，男，工程硕士。规 划 与 设 计142013 年第 1 期江苏水利3.1 实际梁段作用在挂篮的仿真计算及砂袋预压方案仿真计算梁段重量在底模的分布计算 3.1.1梁段混凝土重量在底模上分布情况可以近似采用分块方法计算。以一 单箱 3 室的梁段为例，如图 3 所示，将梁段重量分为 13 个小块，其中第 13块 为底板重量平均分布在底模上，并通过底模下的纵梁传递到挂篮前、后下横梁上，812 块重量传递到各自腹板 下的底模上，17 块的重量也通过腹板传递到底模。假设传递到中、边腹板的力分别为：F1、F2，F1、F2 绕箱梁中 心线位置的力矩与 17 各块重量绕 箱梁中心线位置的力矩相等。根据力矩平衡可以求得 F1、F2，计算得各分 块号的重量及弯矩具体情况见表 1。 根据表 1，计算得 17 块传递到腹板的重量分别为 ：F1 =95.5 kN 和F2=293.8 kN，将 F1、F2 和 813 分块重 量相应叠加可以得到梁段 重量在底模上的分布。图 2 Midas 计算模型图 3梁段重量在底模分布计算图确定；方案二：张拉力为 3.1 中模拟实际梁段作用于挂篮而计算得到 的 各 吊杆力，张拉位置为各吊杆下吊点处 的横梁上。3.3 水箱预压方案的仿真计算水箱预压方案对水箱的密封性 和水箱侧壁的刚度要求很高，由于水的比重小于混凝土，预压时水箱高度要超过梁高。水箱预压相当于梁段重 量均匀分布在梁底部分的底模上，建模时将梁段重量 1586.96 kN 均匀加 载在梁段底板部分的底模上，重量简化成线荷载施加在底模纵梁单元上， 加载长度为梁段长度。3.4 三种预压方案的对比分析进行仿真模拟，得到桁片上吊 点 位置的变形值以及各 观测点变形值， 分别见表 3 和图 4。实际梁段作用于挂篮的仿真结果为：边桁吊点 变 形值 和 中 桁吊点变形值分别为 -3.35 mm、-1.81 mm，观测点变形值显示由测点 1 到测点 6 大致呈凹型。分析表 3 可知，水箱预压方案与 梁段作用于挂篮的仿真结果相 差 最大，中桁吊点变形值相差 1.07 mm，边 桁吊点变形值相差 1.07 mm。张拉钢 绞线预压方案 1 与梁段作用于 挂 篮的仿真结果相差较大，中桁吊点变形值相差 0.66 mm，边桁吊点变形值相 差 0.66 mm。张拉钢绞线预压方案 2与梁段作用于挂篮的仿真结果 最 为接近，中桁吊点变形值完全相同，边实际梁段作用在挂篮的 仿 真3.1.2计 算采用 3.1.1 中方法计算得梁段重量在底模上产生的荷载大小，将荷载 施加在底模纵梁上，采 用梁单元加 载。由计算可知，腹板下的底模所受 荷载较大，其他部分荷载较为均匀，所加荷载具体见表 2。3.1.3砂袋预压方案仿真计算 砂袋预压方案能够较真实地模 拟实际梁体重量分布情况，仿真计算 时可以采用 3.1.2 中荷载加载，仿真计算结果与实际梁段作用于挂篮 的结果相同。3.2 张拉钢绞线方案的仿真计算及 合理张拉力的确定张拉钢绞线的预压方案，方便易 操作、受力大小易准确控制，加载周 期短，在张拉时需要在挂篮下预先设 置反力架作为钢绞线的锚固端，张拉 端可以设置在下前横梁上。张拉钢绞线预压方案的关键是 张拉力的确定，本文主要分析两种张 拉钢绞线预压方案。方案一：张拉端设置在下前横梁上各吊杆下吊点 处（除最外侧下前横梁两端两根吊 杆， 此处为横梁端部，离底模较远受力很 小），各点的张拉力均匀分布，张拉力 的大小根据 梁段重量以及梁段重心 沿纵向距挂篮前支点和吊杆的距 离预压方案仿真计算结果分析 运用有限元软件对各预压方式 3.4.1表 2底模纵梁荷载表表 1 梁段重量在底模的分布计算表表 3各预压方案的桁架吊点变形值预压方案 变形值梁段作用于挂篮 仿真结果张拉钢绞线 预压方案 1张拉钢绞线 预压方案 2水箱预压边桁吊点变形值（mm）-3.35-4.01-3.36-2.28中桁吊点变形值（mm）-1.81-1.15-1.81-2.88纵梁位置梁单元荷载（kN / m）边腹板附近2 根底模纵梁76.74中腹板附近2 根底模纵梁36.40其他底模纵梁4.25分块号分块重量（kN）弯矩（kNm)142.923.622.01.8321.144.24148.1690.5521.1152.2610.489.37143.91520.2规 划 与 设 计152013 年第 1 期江苏水利结论挂篮施工在大中跨度桥梁中有 着非常广泛的应用，对其的研究探讨 也在不断持续和深入。挂篮的预压试 验非常重要，它不仅可以消除挂篮的 残余变形，而且通过预压试验得到荷载与挂篮本身的变形关系，为后期悬 臂浇筑线形控制提供可靠的依据。本文讨论梁段重量在挂篮底模 上分布情况的计算方法，通过有限元 模拟计算，对比分析了三种常用挂篮 预压方案与实际梁段加载的接 近 程 度。水箱预压方案难以达到实际梁段4图 4 各预压方案的观测点变形值对比桁吊点变形值仅相差 0.01 mm。分析图 4 可知，张拉钢绞线预压 方案 1，观测点变形值显示由测点 1 到测点 6 呈凸型，其变形趋势与实际梁段作用下的变形不同。水箱预压方案，观测点变形值显示由测点 1 到测 点 6 大致呈凹型，1、6 测点的变形几乎为零，与梁段作用于挂篮的仿真结果相差 9.7 mm，3、4 测点的变形值相 差 6.8 mm。张拉钢绞线预压方案 2， 观测点变形值显示由测点 1 到测点 6呈凹型，且数值大小与梁段作用于挂篮的仿真结果几乎完全重合。三种预压方案中，砂袋预压可以 按照实际梁段重量分布布置砂袋，砂 袋预压能够较为 准确地模拟实际梁 段对挂篮的作用情况，水箱预压与实 际梁段相差很大，张拉钢绞线预压方案 2 通过有限元计算得到的吊杆 力 来确定张拉力，与实际梁段对挂篮的作用最为接近。表 4三种常用挂篮预压方案优缺点对比，装袋、称 量 、拆除的劳动强度大， 先期施工的承台或箱梁都要设置、方法简单，但是对水箱密封和刚 度要求高，水箱高度也较高，具有一定 危险性，该方案也 难以取得同实际 梁段重量分布接近的结果，故不 推 荐采用该种预压方案。张拉钢绞线 的预压方案最方便、快捷，张拉力控制准确、易操作而且能够取得接 近 实际的预压效果 ，该方案的关键是 张拉力和张拉位置的确定，本文 建 议采用模拟实际梁段作用于挂篮 的 仿真计算结果（吊杆力）作为张拉力 值，张拉位置为各吊杆下吊点处 的 横梁上。加载的效果，砂袋预压接近实 际 情况，但是施工难度较大，张拉钢绞线 预压方案施工简 便、周期短、工作量 少、预压力控制准确、不受天气影响、 安全性较好，并且在模拟计算中接近 实际梁段加载的效果。因此，张拉钢绞线预压方案是最为优选的预 压 方 案。合理地确定张拉力和张拉力的位 置是张拉钢绞线预压方案的关键，建 议根据模拟计算得到的实际梁 段 作 用于挂篮时 的吊杆力来确定预压 方 案张拉力。三种常用预压方案的优缺点 3.4.2通过计算分析，三种常用预压方案的优缺点详细总结见表 4。砂袋预 压能够接近实际梁段重量分布，但是施工难度大，易受天气影响，试验周 期长。水箱预压方案虽然加载、卸载Simulation Analysis and Comparison of Preloading for Rhombic Hanging BasketZHOU Qinhua（Huashi Agricultural Water Conservancy Machinery Service Station，Jiangyin，Wuxi 214421，Jiangsu）Abstract: Three familiar preloading experiment schemes of rhombic hanging basket were simulated with finite element method.Based on the result of simulation, advantages and disadvantages of those three schemes were analyzed and compared. Calculation method of girder weight loading on the bottom mould was discussed, and the method of determining tensioning position and tensioning force in steel spiral rope preloading experiment was brought forward. Theoretical foundation of preloading experiment scheme of rhombic hanging basket was provided.Key words: Rhombic hanging basket；Numerical simulation；Preloading experiment预压方式优点缺点水箱预压加