挂篮施工力学计算模型与实现

PAGEPAGE5挂篮施工力学计算模型分析与实现摘要挂篮是桥梁施工的一种常用临时设备，正确实现挂篮施工力学计算是确保挂篮施工安全的基础，但如何实现挂篮力学计算目前学术界和工程界还没有统一认可的标准。根据三角型挂篮的结构及受力特征对挂篮各组成构件进行规划分解，得到了一系列彼此独立又相互联系的简支梁、连续梁或平面刚架等简单结构及其相关力学计算模型，并可方便地借助路桥施工计算专家系统RBCCE计算实现，得到能够反映挂篮实际受力和变形情况的力学计算结果，实现了挂篮施工力学计算过程的简单化、标准化和高效率。关键词桥梁挂篮计算施工分类法：文章编号：冤1侄阿引辰言逐挂薄篮纷是港预筑应漏力体混讨凝蕉土槽连赵续瓦梁量或沫连膜续办刚框构饥悬殃臂关施改工裕中冰常筹用积的师临无时绍设发施候，践主爱要削由换主们构仙架策、境悬座吊永系尿统与、楼模佳板铺系缺统师、催走查行蹈系盗统缝和痛锚决固掌系掀统书构扫成渔，巷其欠类垒型民丰策富顶多男样剖，漆可究以肿是分三拣角川形启、贩菱甩形类、来平个行昂弦套桁厉架蹦、却弓绍弦寺桁暗架召及急斜采拉贵式蒙挂杠篮拳型炉式扇；饥锚兔固造方答式糊可廊以稻是荐锚找固爷式历、堂压启重劲式扑或恨半鞠锚赞固乐半故压扭重技式纤方膏式书进特行剧锚岗固溉；伸走钩行牛时躁可害以炒滑烈动敬式颤、枝滚基动迷式攻或毒滑病动方与漆滚船动州组高合玩式寺等偷；堆另券外垃，俊挂缴篮昏的毯悬忌吊届系钞统袖可递以锐采电用离精飞扎秒罗堂纹搏钢它筋梯或葱钢摇带垦形移式兴等拥[睡1誓]甩[盖2俊]墙[诉3动]脊。绣因意具社有留结饥构屯简战单爸、替受肉力装明依确毯、席重序量侨轻堡、牙刚卫度帽大气的才特盲点冷，无目墙前茎常腾用雹的组挂幅篮浆型柳式荐主浴要搂为旧精恳扎达罗银纹框钢新悬眉吊召和背锚欧固森的吨三蹈角缺形辣及银菱敲形挨挂四篮范。范工借程暮上鞭大塘多射数聋挂较篮胃尽傍管搜类化型醒不糕同清，假标各准翻化站程粒度快低搜，勿但祥具直有把相煌同则或裁类球似择的刑力猾学渴特容征辽。金正狗确湖把租握宰挂衬篮春在暴混疲凝没土积浇震注肿或牢走萌行监期稼间炉的雕受瓣力够和识计受算著特更征岩，广是境实搂现泥挂取篮样在竭混权凝义土赖浇夏注唤或虫走邻行塔期董间僻进笛行聚力百学蚀检棚算破的立基烂础舌，详也桌是旱确店保私挂刷篮贡施锐工控安观全麻的恩前大提前。四理滔论占上忘，聋采选用绒空刻间套有慰限菌元离建加模带能创够聋得孕到食反门映茅挂召篮开力匹学们行吊为完特甩点眯的调力固学渗计流算昌结不果桥[教4炭]晚[铃5客]卸，派但倘因肠挂贱篮炉本犁质纷上怨为味一络空哗间估悬咏吊姥结展构格，络各赢个驱构贝件月连瘦接技关旱系冰及反约就束绳条掀件斗复预杂繁，狂要梅建祥立萍起笔能涉够达准晒确再反窑映哨挂赶篮赢施港工郑力鼓学垄行乖为恼特乳征桌的傲三米维戏模纹型毁通夹常宣费奉时赴费余力蝶，压而省且们容维易沿出飞错瞒，主计版算群结魂果杏难夺以阀评亚价青，校不此便纤于横现么场短施柿工帖技查术卡人崖员振应窑用勉。律实激际瞧上旋，乎挂矛篮吃在蹈施瓣工费过坦程孩中农受户力刘明剖确亩，天具标有腾良匀好焦的屈结财构检对却称索性否，惭可炕以栽通条过浩对班挂稼篮车进照行怕规祖划档分弄解座，墨将颂其红分略解日成分若晃干麦便蚂于疗实裤现沾的轧简残单么构禁件肉加疲以袭分具析徒计瞒算刘，阀这伯样花可半使葱得缓挂随篮张力灵学君计共算判简帮单孕化嫂和赖规泛范套化侄，昂所婆得喇到聚得辉的未计鹅算悉结朵果絮可锤以叙较绿好助地末反坦映盈挂源篮茅实访际获受惰力厅和疲变拖形碌状洁态番。索挂拘篮钞力恶学蓬检股算阳内助容遍丰堡富耳，毒除醒了线需毙要择对漂挂倘篮颤各答个体组雀成朵构些件雾进茫行续力怒学燥计疾算馅外酿，鬼还椅需迁要趁针壮对惩构扫件隆间引的抵一开些象连吧接买、粉模枣板饲等也进况行凤力逼学切检圆算清，们本案章卷重擦点曲介乱绍蚕三榆角袄挂迫篮资荷俱载援组赢合欧计攻算恳方棒法絮，楼主指三你角弓构龟架毒、嫌前程上盈横侵梁冻、社前尖下炒横鼻梁屠、帝前水后喷横恨梁群、池底殃模臂纵返梁映及只内员外级模都滑朝梁抬等由主色要乞受剥力隙构灯件挂的朝受培力伤及密计苦算洲模旁型圣特常征开，寻并愿对耀其露实赖现元方睬法圣进永行好介唱绍扮。刮2悦抓挂慨篮劈施颗工亚各朗组殿成薪构暴件肥受订力求与疮计夕算岔模裕型莲分当析对挂篮进行简化计算的前提是掌握挂篮肉在科节梁段邻混到凝黑土亭浇纵注兄和骡走堡行浩期恶间补的建施袄工婆力反学到行辛为捎特师征站。味下客面茫以退一扩用添于票单瘦箱翠单派室物箱闻梁咳桥宜，除且熟采蹲用酬精旧扎界罗读纹猛钢愉筋串锚单固训和拜悬训吊钳的悔三粪角花型娱挂衡篮自为舒例责进跑行爸分肥析绝说缺明说。选图尊1副为炼一冈三携角涝形川挂辽篮践立傅面俱与疯横图断提面斩布食置西图伯，穿图怎2厅为防挂坟篮么后茶锚油、倚前寸支篮座跳立启面灶局吹部级放也大惊图秘，倦图乖2回为帆前塘、孤后意吊燥杆债布芦置遮图喉。忠该皂挂摊篮痰的践主梯要絮受某力劣构涨件扭包喉括伏：潜主块三圈角特架灰、较外虚模岂滑碍梁庙、母内玻模沉滑盘梁分、谅前乔上议横狸梁询、份前撒下包横小梁新、肿后蛙下偿横滚梁品，也前贴下索吊持杆莫、盼后艳吊曲杆悉、蒸外贤模德吊附杆败及槐内确模米吊便杆顽等肯，徒可陷以患通周过虑建垦立梯各言组逮成蒸构柄件忆简孕化肌的绩计糕算报模显型抛来称实乡现葱它森们刺的毯力婶学科计喇算闲。涛各男组秃成搅构也件酒的葛计鸦算筐模誓型遗简叨化桃包稳括胜构欢件仰的斜结遗构伤、曲约持束驶条寇件事及物所饮受茶到庆的羽外狭荷转载椅简蒸化掩。图1挂篮立面和横断面示意图变截面梁段简化挂篮施工的混凝土梁段一般为变截面箱型截面梁段，在梁段混凝土浇注过程中所受到的外荷载主要为梁段钢筋混凝土重量、挂篮自重及人员机械等附加荷载等。为便于计算，可以偏于安全地将变截面梁段简化为等截面梁段。等截面梁段截面采用变截面梁段的最大截面。图2(a)为连续梁纵断面图示意图，1#块为变截面梁段，相应的等截面梁段为图2(b)，其截面为图2（a）中1#块之最大截面。图2变截面梁段梁段混凝土荷载分块根据挂篮的构造及受力特点，需要将梁段横向分割为A、B、C三区域来分别考虑浇注期间的梁段混凝土对挂篮的影响，其中，A区代表梁段底板和腹板，B区代表箱室顶板，C区代表翼缘板，见图3；为了计算底模纵梁受力，还需要将A区细分为D、F区，其中，D代表腹板区，F代表底板区。不同区域将对挂篮的相关构件产生影响，其中，A区混凝土荷载将对底模、底模纵梁、前下横梁和后下横梁、前吊杆及后吊杆产生影响；B区混凝土荷载将对内模、内模滑梁、内模吊杆产生影响；而C混凝土荷载将对外模、外模滑梁、外模吊杆产生影响。图3梁段混凝土在横向区域分割示意图荷载组合挂篮施工力学计算时，还需要将梁段分块荷载与模板、人群、材料、机具等荷载进行进行组合（注：一般不考虑风荷载的影响，当现场风较大时，要求停止混凝土浇注或走行）。当对挂篮进行强度计算时，荷载组合方法是：Gi=1.2×(梁段分块混凝土重量+分块区域挂篮自重+分块区域模板)+1.4×分块区域施工人员、材料机具荷载。当对挂篮进行刚度检算时，荷载组合方法是：Gi=分块区域梁段混凝土重量+分块区域挂篮自重+分块区域模板自重+分块区域施工人员及材料机具荷载。其中，i=1，2，3，4，5分别对应于A、B、C、D、F区的荷载组合。当挂篮走行时，荷载组合方法是：G=1.2×(挂篮自重+模板自重)。（4）底模纵梁计算底模纵梁支撑于前下横梁和后下横梁上，其上布置有底模模板，用于支撑底模模板及B区混凝土重量。可以将底模纵梁简化为简支梁进行计算，简支梁长度为前下与后下横梁的水平间距L，所受的荷载可近似为均布荷载qi，见图4。qi=Gi/ni/Li，其中：i=4、5，分别代表F、D区的相关变量；Gi-为D区或F区组合荷载；ni-为D区或F区底模纵梁根数。图4底模纵梁计算模型示意图（5）前下横梁计算前下横梁主要是由双工字钢或双槽钢组成的组合型钢钢梁，用来承受底模纵梁产生的作用力，并通过前下吊杆悬吊起来。前下吊杆本质上属于弹性结构，在前下横梁计算模型简化时，理论上需要将前下吊杆模拟为一种弹性支撑，但考虑到挂篮结构的对称性，且其前下吊杆布置于箱室腹板区域的两侧附近，吊杆变形基本相同，因此，可以将前下横梁在前下吊杆处模拟为一个固定铰支座或活动铰支座，这样前下横梁即可简化为一根受若干集中荷载的超静定连续梁计算模型。图5为前下横梁计算模型，P4、P5分别为D区、F区底模纵梁传递下来的集中力，对应于图4计算模型下的支座下的前端支座反力。Pi=Gi/ni/2，其中：i=4、5，分别代表F、D区的相关变量；Gi-为D区或F区组合荷载；ni-为D区或F区纵梁根数。图5前下横梁计算模型示意图（6）后下横梁计算后下横梁计算方法与前下横梁计算方法类似，在此不做详述。（7）内、外模滑梁计算内外模滑梁计算模型均可以简化成底模纵梁计算模型形式（见图4），均布荷载qi也可按相同的公式计算，但公式中的符号含义有所不同，其中：i=2、3，分别代表B、C区相关变量；Gi-为B区或C区组合荷载；ni-为B区或C区滑梁根数。（8）前吊杆计算前吊杆锚固于前上横梁上，可细分分为前下吊杆和前上吊杆两种类型，前者下端悬吊前下横梁，主要用于承担A区混凝土、底模及底模纵梁的重量，而后者下端悬吊内模或外模滑梁，主要用于承担B、C区混凝土、底模及底模纵梁的重量。前吊杆的轴向拉力Fi计算公式为：Fi=Gi/ni/2，其中：i=1、2、3，分别代表A、B、C区的相关变量；Gi-为A区、B区或C区的组合荷载；ni-为A区、B区或C区的吊杆总数。（9）前上横梁计算与前下横梁或后下横梁一样，前上横梁主要是由双工字钢或双槽钢组成的组合型钢钢梁，支撑于三角主构架的前端，用来为前吊杆提供悬吊锚固支撑，主要承担箱梁A、B、C三区混凝土、内外模板、模板滑梁、前上横梁、前下横梁及相应的人群材料机具等荷载，可以简化为一简支外伸梁模型进行力学计算，见图6，图中F1、F2、F3分别为前下吊杆、内模吊杆和外模吊杆的拉力。图6前上横梁计算模型示意图（10）主三角构架计算主三角构架后端锚固于已浇梁段上，在立杆处通过前支座支撑于走行轨道上，用于承受前横梁上的各种吊杆拉力，相应的力学计算模型如图7所示，为一由斜杆、水平杆或立杆组成的平面刚架结构计算模型，前端所受的计算荷载P为：P=(G1+G2+G3)/4图7主三角构架计算模型示意图（11）后锚杆拉力计算后锚杆对应于主三角构架的支座反力R，其数值为主三角构架前端荷载P（见图7）。当一个主构架有三对后锚杆时，则一根后锚杆所受的力为：N=R/6。3挂篮施工力学计算实现基于上各组成构件的受力及计算模型的分析，挂篮各组成构件的力学计算过程和内容主要可归结为：梁段最大横截面区域分割及各区域荷载组合计算；建立底模纵梁、前下横梁、后下横梁、前上横梁、内模滑梁、外模滑梁等构件的有限元计算模型，并按强度检算要求进行杆件有限元力学计算，查询计算结果；建立三角构架平面杆件有限元模型，分别按强度检算和刚度检算要求进行结构力学计算；计算各前吊杆、后猫杆拉力计算，计算前吊杆件变形。通常，可以借助Midas、ANSYS等目前流行的国际通用有限元进行挂篮各组成构件进行力学计算，但由于这些软件的通用性，没有针对挂篮的受力及计算模型特征，计算效率较低、荷载取值与计算过程不规范，不能实现各组成构件的协同计算。这对于力学知识不是很丰富的现场工程技术人员来讲，挂篮计算也将是一个复杂的过程，而且容易出错。本文选择路桥施工计算专家系统RBCCE进行挂篮各力学计算。RBCCE为石家庄铁道大学研发的一款高性能专门针对路桥施工计算的高性能集合成化软件，内涵丰富的路桥施工计算专业功能。该软件能够专门针对挂篮的结构特征、力学特征进行有限元自动建模。对于三角主构架，可以选择创建和操作功能图形对象的方式便捷实现其力学计算[7]，而对于其它组成构件，则只需要在绘制出最大梁段截面对象及截面区域分割线后，在其旁边绘制一条挂篮计算指示线，箭头指向截面对象，见图8（a），然后打开该指示线的对话框，输入挂篮挂篮吊杆、底模纵梁、各横梁、内外模等构件的横向或纵向布置参数及材料参数，即可自动创建各组成构件计算模型的计算模型，其中包括计算模型的单元节点自动划分，单元截面特性和材料参数自动输入及外荷载和支座约束自动布置等，并可便捷查询杆件截面应力、位移，检查构件的强度和刚度。图9(b)显示了RBCCE实现某挂篮计算的下横梁计算模型及弯矩图。图8(a)梁段最大截面对象；(b)前下横梁计算模型与计算结果4结论挂篮是桥梁施工中一种常用临时施工设备，对其进行正确的施工力学计算是确保挂篮设计合理和施工安全的基础。通过对挂篮这一空间的悬吊结构进行结构特征和受力特征分析，可以将其规划分解为一系列彼此独立又相互联系的简支梁、连续梁或平面刚架等简单结构进行力学分析，并借助路桥施工计算专家软件加以实现，这样既可以得到能够反映挂篮实际施工受力与变形特征的各组成构件的计算模型和计算结果，使复杂挂篮计算过程变成简单、规范而且容易实现的计算过程，实现了挂篮力学计算的简单化、标准化和高效率，所介绍的挂篮计算实现方法特别适合于现场一线工程技术