挂篮荷载对独塔斜拉桥主梁施工状态影响分析

1、 挂篮荷载对独塔斜拉桥主梁施工状态影响分析The effect of cradle load on the girder construction states of single-tower cable-stayed bridges焦梦莹,方诗圣（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）摘要：斜拉桥主梁悬浇施工中主要承受的外荷载为挂篮施工荷载。本文结合某在建独塔斜拉桥挂篮施工过程，采用Midas/civil有限元软件模拟探讨三种不同自重的挂篮方案对主梁施工状态的影响，详细对比不同挂篮荷载时主梁的应力和变形，研究结果可为同类斜拉桥悬浇施工挂篮荷载设计提供参考。关键词：独塔斜拉

2、桥；挂篮荷载；悬浇施工；应力；变形；有限元0 引言我国在大跨度桥梁建设中,普遍应用钢筋混凝土斜拉桥1，采用挂篮悬浇施工是斜拉桥主梁施工的方法之一2，与支架现浇、悬拼、顶推等其它方法相比，挂篮施工具有结构轻、拼制简单方便，不受桥下通航、净空、河道水位等限制等优点3-4。实际中的斜拉桥由于施工进度、合理索距等要求，悬浇节段较长，且大多为宽幅桥面5-6，因此大节段悬浇往往对挂篮的自重和自身刚度提出了双重要求7-8。施工规范9-10建议挂篮重量与梁段混凝土的重量比值宜控制在0.30.5之间，特殊情况下也不应超过0.7。本文针对某在建独塔斜拉桥采用挂篮悬浇施工，采用有限元软件模拟对比三种不同挂篮荷载对主

3、梁受力和变形的影响，为该桥挂篮自重设计提供依据。1 工程概况背景桥梁为一座双索面预应力混凝土独塔斜拉桥，采用半漂浮体系，跨径为124 + 124m。斜拉桥主梁采用等截面的双边箱梁结构，梁高3m，桥面总宽32.5m；主塔总高为109m，横桥为多心圆曲线型；斜拉索采用扇形布置，桥塔两侧各15对，主梁基本索距为7.0m，桥塔基本索距2.0m。该桥主梁施工方案为0#号块采用托架现浇，1#17#号块（其中1#3#长为4.3m；4#17#长为7.0m）采用挂篮悬浇施工，过渡墩6.65m长现浇段采用支架现浇，合拢段为吊架合拢。主梁混凝土采用C50，标准悬浇梁段长7.0m，混凝土重约为440t。 图1 独塔斜

4、拉桥跨径总体布置图 （单位：cm）2 有限元模型建立2.1 Midas桥梁结构计算模型全桥采用Midas/Civil有限元软件进行桥梁结构施工仿真模拟。主梁和主塔皆采用空间杆系单元，斜拉索采用桁架单元。主梁单元离散节点根据主梁悬浇实际位置和拉索锚固位置划分共计198个梁单元和60个桁架单元；根据实际施工方案共划分为96个施工阶段。边界条件：墩底采用全固结约束，主墩和过渡墩支座根据实际考虑六个自由度的约束。图2 有限元计算模型图2.2 三种挂篮荷载挂篮荷载在模型中等效为竖向集中力和绕主梁横轴的集中弯矩，施加于上一已浇梁段悬端节点11。集中力为挂篮自重P，等效弯矩为挂篮自重P与已浇梁段1/2长度的

5、乘积。根据规范建议的“挂篮质量与梁段混凝土的质量比值宜控制在0.30.5之间，特殊情况下也不应超过0.7” 9-10 。三种挂篮自重分别取为7m标准梁段重（440t）的0.3倍（132t）、0.5倍（220t）和0.7（308t）倍，则三种挂篮自重方案的等效荷载如表1。表1 三种挂篮方案等效荷载表挂篮方案挂篮自重质量比挂篮等效荷载4.3m梁段7.0m梁段方案1132t0.31320 kN +2838kNm1320 kN +4620 kNm方案2220t0.52200 kN +4730 kNm2200 kN +7700 kNm方案3308t0.73080 kN +6622 kNm3080 kN

6、+10780 kNm 注：质量比为挂篮自重与7m标准梁段自重比值。3 不同挂篮荷载对主梁施工的影响结果3.1 主梁截面正应力变化对比由于主桥结构对称，选取主塔南侧主梁的根部截面（2号截面）、1/4跨截面（6号截面）、跨中截面（11号截面）、3/4跨截面（18号截面）4个截面，针对三种不同挂篮荷载方案下所选截面顶缘和底缘正应力进行对比分析。图36为截面顶缘应力变化对比图；图710为截面底缘应力变化对比图。其中拉应力为正，压应力为负。 图3 2号截面顶缘应力变化对比图 图4 6号截面顶缘应力变化对比图 图5 11号截面顶缘应力变化对比图 图6 18号截面顶缘应力变化对比图 表2 三种方案下截面顶缘

7、施工时的最大拉应力表 单位：MPa方 案截面顶缘最大拉应力拉应力允许值0.7ftk2号截面6号截面11号截面18号截面方案10.9200.1601.86方案21.800.220.7401.86方案32.570.961.6101.86随着挂篮荷载的增大，施工中局部截面顶缘出现的拉应力依次增大，成桥后的压应力储备依次减小。悬臂越大时，远离主塔的主梁截面应力受挂篮荷载影响越小。三种方案的18号截面顶缘应力几乎无差异。悬浇施工挂篮荷载对主梁根部的影响最大，顶缘拉应力起着控制作用，方案三出现根部顶缘拉应力超限。截面顶缘压应力最大值均不超过7MPa，小于规范0.7fck10。图7 2号截面底缘应力变化对比

8、图 图8 6号截面底缘应力变化对比图图9 11号截面底缘应力变化对比图 图10 18号截面底缘应力变化对比图 表3 三种方案下截面底缘施工时的最大压应力表 单位：MPa方 案截面底缘最大压应力压应力允许值0.7fck2号截面6号截面11号截面18号截面方案116.208.8811.406.3522.68方案217.2011.2014.406.4522.68方案318.0013.2017.006.5322.68由图7图10可知，各截面底缘的压应力随着挂篮荷载的增大依次增大，整个过程中均未出现拉应力。在跨中位置，底缘压应力为全主梁最大值出现位置，最大值为18.0MPa，挂篮荷载过大会对主梁施工中压

9、应力控制不利。由表3可知，挂篮荷载不同对主梁跨中附近截面影响较大，三种方案底缘压应力差值明显，根部与远端截面差距较小。3.2 主梁竖向变形对比计算仍选取主塔南侧主梁的根部截面（2号截面）、1/4跨截面（6号截面）、跨中截面（11号截面）、3/4跨截面（18号截面）4个截面，对三种挂篮荷载方案主梁4个截面的竖向变形进行施工阶段的对比分析。 图11 2号截面竖向变形变化对比图 图12 6号截面竖向变形变化对比图 图13 11号截面竖向变形变化对比图 图14 18号截面竖向变形变化对比图 表4 三种方案下截面施工中最大竖向变形表 单位：cm方 案2号截面6号截面11号截面18号截面 方案1-1.53

10、-7.21-15.52-24.72方案2-1.70-7.95-16.50-24.93方案3-1.85-8.94-17.89-25.12注：负号表示相对于原始主梁建模时位置向下。由图11图14及表4对比三种挂篮荷载作用下所选截面的竖向结构位移可知，随着挂篮荷载的增大，竖向位移变化差距较小，方案一与方案三最大的位移差距也在1cm以内。因此不同挂篮荷载方案对主梁施工时位移变化的影响较小。4 结 语 （1）斜拉桥主梁悬浇施工的挂篮荷载不同对主梁截面的应力影响较为明显，较重的挂篮荷载可能会造成施工中主梁的应力超限。经分析，挂篮越轻巧，越有利于施工中主梁应力控制和成桥后压应力储备。（2）不同的挂篮荷载方案

11、对施工中的主梁竖向变形影响较小。（3）挂篮的设计应注重轻型化，轻型挂篮虽然有利于主梁应力控制，但挂篮轻型化设计同时保证自身刚度满足施工要求值得进一步综合考虑。参考文献 1 崔林钊. 六安市淠望路大桥牵索挂篮设计J工程与建设，2009，23(5)：667-6692 林元培. 斜拉桥M.北京：人民交通出版社,19943 向中富. 桥梁施工控制技术M北京：人民交通出版社，20014 范立础. 预应力混凝土连续梁桥M北京：人民交通出版社，19995 卢元刚，王胜男，杨友安. 宽幅部分斜拉桥箱梁挂篮设计要点J山西建筑，2012，38(26)：180-1826 王彬. 宽幅挂篮在混凝土梁桥施工中的应用J长安大学学报，2004，21(3)：32-347 林玉森，张运波，强士中. 宽桥面挂篮设计与悬灌施工技术J铁道工程学报，