骆孟林
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摘要：中国交通业的逐渐进步，同我国经济建设的速度有很大的关系。人们对生活品质的要求慢慢的提升，因此对现代交通建设的诉求也在慢慢地增强。桥梁建设作为交通业重要的一环，对桥梁建设的经济，稳定这几项性能的要求也更为强烈。桥梁建设压力在增大，负荷更在逐年加大，对承重力的要求也从当初的标准在不断的进行深化改革。桥梁运输负荷能力要提升，使用年限要增加，成为当前桥梁建设中重要环节。要不断完善连续梁挂篮的施工技术，更好的的满足当代人的出行需求。基于某高速公路桥梁，通过分析目前我国桥梁的工程现状，对目前桥梁工程中运用三角挂篮进行了分析，本工程桥梁采用的是三角挂篮，通过MADIS建模并对其进行受力分析，同时分析了挂篮拼装及使用要点，得出模板安装顺序依次为底模、外侧模、翼缘板模板、内模。通过对设计计算的线形变化与实际测量值差异的比较，对施工过程中的参数误差进行控制，确保完成施工后桥梁主体结构的线形和受力满足要求，为同类三角挂篮的受力性能研究提供参考。
关键词：ADIS建模；挂篮；桥梁；受力分析
引言
随着社会的发展，人们开始重视挂篮技术的应用。在西方国家，连续梁挂篮施工技能已被充分应用于施工。很多实际案例证明，桥梁工程建设的前提和基础是挂篮施工。20世纪80年代，国内就采用悬臂法进行连续钢构桥、大跨度预应力混凝土连续梁桥的施工。尤其是在近年来，我国公路建设发展快速，在全国范围内一些高速公路进行开建。以节约土地为原则，高速公路尽可能以桥代路，这样在公路建设中，高架悬臂桥梁为主要结构形式。在进行公路跨径较大的悬臂桥梁建设时，通常采用挂篮施工技术，确保施工安全，提高施工速度。在进行悬臂施工时，挂篮属于关键设备，在连续挂篮施工中，不需要大型起吊设备和支架的搭设，挂篮具有非常优异的强度、刚度、稳定性、使用范围，可沿着轨道在施工过程中直接进行移动，同时可多次进行循环使用，是目前公路桥梁工程施工中比较常用的一种方法。本文基于河北某高速公路桥梁，对其连续梁挂篮施工技术与控制要点进行了分析。
1挂篮技术应用中的关键组成部分
1.1挂篮的选型与结构设计
挂篮的设计决定其角色和功能，关键如下：①计划挂篮系统的组成。可以从模型、行走，承重系统等方面划分。②分析结构桁架系统，可以根据挂篮的性质及特点进行设计，计算轴承结构，根据项目需求，依照得到最大承载力数据的规则，采取垂直和水平交叉的方法设计承载力。③进行后锚系统设计时，控制预留孔大小，保证挂篮锚点和预留进行连接。
1.2挂篮的制作与质量控制
生产技艺注定挂篮自身品质的好坏，而品质决定了连续梁挂篮工程的成功或失败。前后横梁的荷载水平测算，大小的表层平滑，后采用薄钢对四周进行加固。精细化的检查，尤其体现在对于一些隐蔽部位。为了保证整个项目的施工品质与安全，要经过负载测试这项步骤，经过检查安全后，确定项目具备高安全系数，可以在工程中使用。方案一旦确定，不能随意更改。
1.3混凝土的灌注
混凝土的灌注过程决定了其质量，中国当前的混凝土灌注技术有自己的特点，混凝土灌注可以从以下几个方面控制，①适宜的材料，适宜的比例混合，并掌控混凝土中的水分；②混凝土的部位不同，要采取的层次划分也不同、分块灌注的工作方式也要有所区别。混凝土的分层问题，成为了搅拌工作中要密切注意的。③检查成型的质量，合格后可以使用。桥梁建设会产生大量的负载，为了防止混凝土出现临时裂纹，要掌握好混凝土的硬度。混凝土的保存温度，时节不同，设置不同。根据周围的温度，通常在夏天运输时，车厢内部可以设置隔热层，并掌握含水量，确保混凝土的洁净。
2工程概况
本工程为某高速公路桥梁，本研究选取该大桥（35+50+35）m的现浇连续梁工程作为研究对象，并对其进行详细分析。本工程属于标段控制性工程，大桥跨度设计为120m的连续箱梁，采用悬臂挂篮法对连续梁进行施工。桥梁墩柱的编号为A184号～A187号墩（DK14+688.5－DK14+801.8），边墩为A184号和A187号，边墩分别为19.3、17.8m，主墩墩身高度分别为16.8、17.3m。本工程双线箱梁梁体截面类型为变高度、单箱单室、变截面箱梁，箱梁底宽为6.5m，箱梁顶宽为11.8m，底板厚度为41～119cm，除梁端附近外，顶板厚度均为41cm。主桥连续梁采用的是三向预应力体系，纵向预应力筋选择φ15.2钢绞线，纵向预应力钢束选择12φ15.2、17φ15.2、18φ15.2钢绞线，锚具为M15—12、M15—17、M15—18，选择自锚式拉丝体系作为锚固体系，选择镀锌金属波纹管成孔作为管道形成，在合拢段处，预应力筋选择增强型金属波纹管，其他选择为标准型。图1为本工程桥型图。
3三角挂篮受力分析
3.1计算依据及参数
本文在进行计算时，主要根据国家及部委现行的施工规范、设计规范、验收标准及相关规定进行；有关资料通过现场实地勘察调查的获得。
3.2MIDAS软件
简介本文的挂篮结构建模设计采用MIDASCivil软件进行。MIDAS是一种与结构设计有关的有限元分析软件。该软件对土木结构，尤其是具有特殊结构的桥梁形式，能够准确迅速的完成分析、设计。
3.3挂篮计算模型的建立
三角挂篮在悬臂浇筑施工过程中的受力重心比较低，主要承载部件为立柱、主横梁、斜拉杆等，因而其稳定性更高。在分析三角挂篮的受力性能时，主要分析其构件的受力情况，三角挂篮的上部结构为立柱、主桁架主梁、上横梁、底栏纵梁、前后横梁等，模拟全部利用梁为主要单元。三角挂篮整体建模通过MIDAS软件进行，图2为三角挂篮立体结构模型。
3.4三角挂篮底篮纵梁受力性能分析
3.4.1最不利节段选取
在分析三角挂篮底篮纵梁受力性能时，通过双线主要节段参数表，可发现各节段悬浇长度全部为3.34m，且2号块梁段具有最大重量，因此，浇筑施工最不利区域选择2号块悬浇段，本次研究相关数据的计算全部选取2号块悬浇段进行。
3.4.2底篮纵梁计算
数据采用HN350工字钢为底模纵梁，长度L=6.05m，材料选择Q235钢材，通过软件可对相关计算参数进行查看，现场施工数据表明：底模面积=3.34（节段长度）×6.6（底板宽）m2，底模重为1848kg，纵梁上的荷载包括：底模重Q2+混凝土重Q1+混凝土浇筑时冲击荷载Q4+施工荷载Q3；每片纵梁承担的混凝土重Q1=分配到该片纵梁上的混凝土横截面积×混凝土自重；每片纵梁上的底模重Q2=分配到该片纵梁上底模的宽度×（底模总重量/底模面积）；根据施工经验，施工荷载Q3采用2.45kN/m2进行计算；在进行混凝土的振捣时，产生的冲击荷载Q4采用2kN/m2进行计算。通过计算获得对2号块进行浇筑时，纵梁上的荷载约为28.1kN/m。
3.4.3底篮纵梁MIDAS建模
MIDASCivil可对三维空间结构进行分析，因可将底篮纵梁看作是简单的梁单元，因此在进行建模时，三维空间结构可通过简化，使其成为平面结构，可采用X－Z结构类型进行简单化处理。通过模型及结构类型，选取X－Z平面为坐标系，其中单元长度方向用X方向表示为，竖直方向用Z方向表示。建立荷载工况：荷载—静力荷载工况—名称，类型－添加－关闭。X方向上施加荷载：荷载—自重—添加—确定。Z方向上施加荷载：荷载—梁单元荷载—荷载工况名称—坐标系Z方向—数值—输入荷载值—选择需要施加荷载的梁单元—关闭。图3为底篮纵梁模型图。
3.4.4计算结果分析
从分析结果可以发现，三角挂篮的底篮纵梁最大应力数值处于96.6MPa左右，基本可以满足桥梁工程的开展需求。此外，由于底篮纵梁的上翼缘与底篮模板接触，因此底模与纵梁之间的相互作用可以有效的阻止纵梁上翼缘在侧向位移的过程中对梁的整体稳定性产生影响，因此其稳定性可以得到保障。
3.5三角挂篮底篮横梁受力性能分析
3.5.1最不利节段选取
在对三角挂篮底篮横梁的受力性能进行分析时，同样选取了相对不利2#块节段的荷载区域作为研究对象，从整体模型内部中提取出了底篮前后横梁模型的受力分析结果。3.
5.2底篮横梁计算数据
对于挂篮底篮横梁而言，本研究全部采用双拼H型钢HN500×150，总长9.1m。进行横梁计算荷载取值，也就是通过底模纵梁的计算，可获得其值最大为51.2kN，位置处于底篮前横梁处，因此建模分析选择前横梁最不利的情况进行。在计算双拼H型钢截面构件时，因在MIDAS软件中，双拼H型钢截面类型未包含在内，可通过三种建模方式进行计算：第一种是在进行及时时只取取一半构件，也就是构件取单根型钢进行计算，在构件上进行荷载的施加，并取原计算的二分之一进行考虑；第二种是在型钢组合中采用双拼H型钢代替近似截面；第三种是用户自定义截面计算。本研究采用近似截面代替法进行计算。其中tw1尽量与0接近，这样可将近似截面造成的误差减少。
3.5.3底篮横梁计算结果
通过MIDAS模型计算可知，本工程三角挂篮底篮横梁的应力最大值为107MPa＜［σ］，可以达到工程建设需要。根据底篮前横梁受力计算，可以得到横梁受力最大值为131.2kN，该值也就是吊杆所承受的最大拉力。通过底篮前横梁位移计算，可得到底篮前横梁位移最大值为2.21mm＜L/400=17.14mm，满足要求。通过底篮前横梁应力计算结果，可获得底篮纵梁应力最大值处于前横梁跨中处。
3.6三角挂篮吊杆受力性能分析
3.6.1吊杆计算数据
通过对三角挂篮底篮各部件的受力情况进行分析，可以获得对吊杆最不利的受力区域的具体位置，该位置处于挂篮上横梁内侧的两根吊杆，给位置所承受的荷载也就是底篮横梁的受力，其值为131.2kN。
3.6.2吊杆计算结果
通过MIDAS的分析可知，对于三角挂篮上横梁内侧吊杆而言，其位移最大值为4.6mm，其应力最大值约为162.7MPa＜f=302MPa，达到了设计要求，因此全部吊杆均处于安全状态。根据吊杆应力计算结果，可获得吊杆应力最大值为162.7MPa，其位置处于吊杆的顶端。
3.7三角挂篮主桁架结构受力性能分析
3.7.1主桁结构构造
主桁架系统组成包括立柱、主梁、前横梁、斜拉带、立柱及主梁间的连接梁。主梁布置以桥梁中心线为轴线对称，通常处于箱梁腹板上，在主桁架结构中，其属于比较重要的受力构件。在本工程中，通常两根HN500×200的H型钢拼接，形成主梁，其布置沿桥梁中心线对称。立柱选择的材料为I36工字钢，主梁通过连接器与立柱进行连接。采用16Mn钢板加工制成斜拉带，通过主梁、销孔和立柱进行连接。采用两根HN500×200的H型钢焊接形成前横梁，其位置处于挂篮最前方。通过分析前上横梁计算结果，可知三角挂篮主桁架单侧主桁前支点受力为367.45kN。
3.7.2主桁结构建模定义
截面：模型—材料和界面—截面—添加—名称—确认。定义材料：模型—材料和截面特性—材料—添加—设计类型；数据库—Q235—确认。因为在主桁结构后部，锚固通过已浇筑梁段和锚固装置进行，在进行结构的计算时，全部对其6个自由度进行约束；将立柱下部节点简支于梁端，并约束其Z方向的自由度。图8为主桁结构模型。
3.7.3主桁架结构计算数据
通过MIDAS的分析可知，三角挂篮主桁结构应力最大值为99.7MPa＜［σ］，其位置处于立柱底部；主桁结构位移最大值为13.4mm＜L/400=16.14mm，其位置处于前横梁和主梁节点处，达到设计要求。主桁架结构的位移、应力图通过软件分析可获得。根据主桁架结构受力计算结果，可获得底主桁架结构受力最大值为758.2kN，其位置处于主桁架结构立柱底部。由计算得主桁架结构位移结果知，底主桁架结构位移最大值为13.4mm，其位置处于主桁架结构主梁最前端，根据主桁架结构应力计算可知，底主桁架结构应力最大值为99.5MPa，其位置处于主桁架结构立住底部。
3.8三角挂篮底模受力性能分析
采用6.05mm厚钢板作为挂篮底模，并进行建模分析。计算取最不利的情况进行，在本工程中2号节段，混凝土具有最大重量，因此数值录入选其为最不利工况进行，底模承受荷载P等于梁段重量与底模面积的比值。对节段主要参数表进行查询，在悬浇段2号块节段，梁段底长6.5m，其重量为106.17t，2号块节段长度为3.34m，将这些数据代入模型，从而获得底模承受的荷载P=106.17×1000×9.7/（6.6×3.44）=45.4kN/m2。
4挂篮拼装及使用要点
挂篮拼装及使用要点包括五点，一是在进行挂篮吊装时，上下要建立呼应、统一指挥、应对制度、令行禁止；二是在进行走行轨道的安装时，根据精轧螺纹钢连接，走行轨道和竖向预应力筋必须进行可靠连接，并由专人进行检查；三是用切割机对挂篮精轧螺纹钢进行切割，氧气切割必须禁止，严禁电焊对螺纹钢造成烧伤，并使钢材性能发生变化；四是通过后锚，主构架与轨道进行可靠连接，同时采用千斤顶将其压紧；五是在挂篮走行前，主构架和后勾板要进行可靠连接，由专人对其进行检查。两侧主构架要同步平行进行滑移，在移动时，顶横梁和前底横梁用导链进行连接悬挂。吊装的内模架走行梁，在吊杆安装前后，在进行1号块梁段施工时，内模为挂篮内模，并进行外侧模的安装。在安装前，在外模框架内将外侧模走行梁插入，并将前后吊架吊带安装好，同时吊起外侧模，将外侧模用倒链拖动至2号块梁段位置。对立模标高进行调整，按照挂篮试验，将非弹性变形值、弹性变形测出，同时将线形控制提供的立模标高加上，从而将2号块梁段的立模标高定出。
4.1挂篮预压
在正式使用挂篮前，要进行加载试验。根据现场实际，选用砂袋进行A196号挂篮的预压，通过加载试验，检验挂篮主桁架的实际承载能力，确保挂篮结构的可靠性，通过试验数据，对挂篮施工时结构的弹性变形进行计算，通过加载试验，可将挂篮非弹性变形消除。通过对加载前后挂篮标高的变化进行测量，可将挂篮弹性变形值计算出，为进行悬浇段施工时，给线形控制提供数据支撑。在挂篮施工时，为确保承载力能达到要求，加载值需达到最大施工荷载1.25倍。在进行加载时，采取堆载法，加载分6级荷载进行，加载横桥向为6.6m，纵桥向为3.4m，通过砂袋的容重，可对堆载高度进行计算。在每一级荷载加载完后，根据要求，对挂篮吊杆、主桁结构、底篮等部位的变形进行数据记录。加载时，桥墩两侧挂篮应同时对称进行，对于桥梁两端的最大不平衡荷载差值，要确保其小于或等设计限值。对于加载砂袋，尽量模拟箱梁截面混凝土的分布码放。在加载试验完成后，应对主桁架焊缝、主桁销接处销子进行探伤检测，确保挂篮施工安全。在加载试验达到要求后，对挂篮内外的模板、滑梁进行安装，采用钢模板作为底篮模板，采用钢模木模组合，并将其拼装成内模。在进行模板的安装时，安装顺序依次为底模、外侧模、翼缘板模板、内模。因箱梁各节段具有较大的尺寸，在挂篮前，所有模板安装就位时，模板异常凸出、位移应防止。
4.2连续梁悬臂施工线形控制
在进行梁段悬臂浇筑时，对梁段线型变化造成影响的包括挂篮变形和重量、梁段自重、预应力松弛和施加、施工荷载、温度的变化、混凝土的收缩等。因而在施工中，线形变化挠度值在每一阶段都要控制好，以对中线位置和立模标高进行正确确定，确保成桥后，桥梁线形符合设计要求。在施工的每一阶段，需要对标高和中线进行实际测量控制。
5结束语
桥梁建设正在我国大规模建设中，连续梁施工中应用挂篮技术，一方面能更好的提高桥梁施工的安全系数，另外也对工程效能的提高、装置器具的投入很有好处，具有较好的推广使用前景。本桥梁工程实践中采用的是三角挂篮，对其进行MADIS建模及受力分析，同时对挂篮拼装及使用要点进行了分析，并得出模板安装顺序依次为底模、外侧模、翼缘板模板、内模。通过对设计计算的线形变化与实际测量值差异的比较，对施工过程中的参数误差进行控制，确保完成施工后桥梁主体结构的线形和受力满足要求，为同类三角挂篮的受力性能研究提供参考。
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论文作者:骆孟林
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第28期
论文发表时间:2019/8/26
标签：挂篮论文; 荷载论文; 横梁论文; 桁架论文; 结构论文; 桥梁论文; 受力论文; 《建筑细部》2018年第28期论文;