挂篮施工力学计算模型与实现

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：1引言挂篮是预应力混凝土连续梁或连续刚构悬臂施工中常用的临时设施，主要由主构架、悬吊系统、模板系统、走行系统和锚固系统构成，其类型丰富多样，可以是三角形、菱形、平行弦桁架、弓弦桁架及斜拉式挂篮型式；锚固方式可以是锚固式、压重式或半锚固半压重式方式进行锚固；走行时可以滑动式、滚动式或滑动与滚动组合式等；另外，挂篮的悬吊系统可以采用精扎罗纹钢筋或钢带形式等[1][2][3]。因具有结构简单、受力明确、重量轻、刚度大的特点，目前常用的挂篮型式主要为精扎罗纹钢悬吊和锚固的三角形及菱形挂篮。工程上大多数挂篮尽管类型不同，标准化程度低，但具有相同或类似的力学特征。正确把握挂篮在混凝土浇注或走行期间的受力和计算特征，是实现挂篮在混凝土浇注或走行期间进行力学检算的基础，也是确保挂篮施工安全的前提。理论上，采用空间有限元建模能够得到反映挂篮力学行为特点的力学计算结果[4][5]，但因挂篮本质上为一空间悬吊结构，各个构件连接关系及约束条件复杂，要建立起能够准确反映挂篮施工力学行为特征的三维模型通常费时费力，而且容易出错，计算结果难以评价，不便于现场施工技术人员应用。实际上，挂篮在施工过程中受力明确，具有良好的结构对称性，可以通过对挂篮进行规划分解，将其分解成若干便于实现的简单构件加以分析计算，这样可使得挂篮力学计算简单化和规范化，所得到得的计算结果可以较好地反映挂篮实际受力和变形状态。挂篮力学检算内容丰富，除了需要对挂篮各个组成构件进行力学计算外，还需要针对构件间的一些连接、模板等进行力学检算，本章重点介绍三角挂篮荷载组合计算方法，主三角构架、前上横梁、前下横梁、前后横梁、底模纵梁及内外模滑梁等主要受力构件的受力及计算模型特征，并对其实现方法进行介绍。2挂篮施工各组成构件受力与计算模型分析对挂篮进行简化计算的前提是掌握挂篮在节段混凝土浇注和走行期间的施工力学行为特征。下面以一用于单箱单室箱梁桥，且采用精扎罗纹钢筋锚固和悬吊的三角型挂篮为例进行分析说明。图1为一三角形挂篮立面与横断面布置图，图2为挂篮后锚、前支座立面局部放大图，图2为前、后吊杆布置图。该挂篮的主要受力构件包括：主三角架、外模滑梁、内模滑梁、前上横梁、前下横梁、后下横梁，前下吊杆、后吊杆、外模吊杆及内模吊杆等，可以通过建立各组成构件简化的计算模型来实现它们的力学计算。各组成构件的计算模型简化包括构件的结构、约束条件及所受到的外荷载简化。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。无图通3景修梁段混凝土在选横向区域分割贱示意图荷载组合泼挂篮盐施工力学计算兄时，还需要将奸梁段分块荷载径与模板、人群皆、材料、机具拾等荷载进行进斤行组合（注：荡一般不考虑风何荷载的影响，踢当现场风较大鱼时，要求停止贪混凝土浇注或脏走行）。饰当对盯挂篮怨进行强度计算饿时，荷载组合掩方法是：抱Gi=1.2砖×谈(狂梁段分块混凝供土重吼量偿+贝分块区域枯挂篮趋自杆重秩+英分块区域模芬板干)+1.4爬×胶分块区域施工涉人员、材料机借具荷载。范当对雀挂篮粪进行刚度检算冲时，荷载组合断方法是：窜Gi鼻=够分块区域梁段胁混凝土重与量露+侍分块区域巴挂篮浅自秃重辩+填分块区域模板寇自织重纷+锻分块区域施工娱人员及材料机吴具荷载。朝其中胃，模i=虽1充，王2阿，披3灰，君4樱，厦5贡分别对应泉于兴A肌、夕B迈、防C渴、哗D奇、丸F绢区的荷载组合策。犹当三挂篮讽走行时，荷载奉组合方法是：讽G=1.2×源(拐挂篮扎自子重松+答模板自桌重石)读。粗（穷4辽）底模纵梁计仙算箩底模纵梁支撑揪于前下横梁和罩后下横梁上，据其上布置有底原模模板，用于外支撑底模模板转及雷B防区混凝土重量站。可以将底模杀纵梁简化为简珠支梁进行计算洋，简支梁长度绵为前下与后下茎横梁的水平间害距障L承，所受的荷载予可近似为均布雹荷雀载肃q狂i宅，见逮图悲4掩。愈qi=Gi/墙ni/L批i页，否其中磨：危i=丸4晶、盐5莲，分别代颗表扩F扎、接D杨区的相关变量粗；荐Gi艺-茅为棕D住区掀或验F静区组合荷载；便ni鬼-驳为扔D奸区桐或饰F孟区底模纵梁根蔽数。躁图技4鼻狸底模纵梁计算鸽模型示意图瑞（炼5顾）前下横梁计揪算草前下横梁主要洲是由双工字钢迟或双槽钢组成劳的组合型钢钢桥梁，用来承受岭底模纵梁产生蛾的作用力，并呀通过前下吊杆妨悬吊起来。前于下吊杆本质上挥属于弹性结构焦，在前下横梁脸计算模型简化洪时，理论上需湿要将前下吊杆学模拟为一种弹议性支撑，但考怀虑到朝挂篮顺结构的对称性窜，且其前下吊亚杆布置于箱室证腹板区域的两猫侧附近，吊杆懒变形基本相同晴，因此，可以精将前下横梁在庸前下吊杆处模仗拟为一个固定缠铰支座或活动境铰支座，这样箱前下横梁即可叫简化为一根受血若干集中荷载隙的超静定连续史梁计算模型。询图答5踪为前下横梁计钞算模型涝，转P面4壤、斑P记5福分别访为请D四区戏、落F询区底模纵梁传另递下来的集中险力，对应于词图候4停计算模型下的斤支座下的前端宣支座反力。雷Pi=Gi/柱ni/于2肥，其中：丢i=胜4松、堂5日，分别代朽表尼F何、膀D嚷区的相关变量启；含Gi挂-表为吧D丈区啦或谁F距区组合荷载；寄ni运-捏为勤D属区哨或截F饶区纵梁根数。俩图茫5绢隐前下横梁计算驾模型示意图诚（筋6隶）后下横梁计拍算怕后下横梁计算勒方法与前下横债梁计算方法类犹似，在此不做谨详述。盒（率7劈）内、外模滑灵梁计算的内外模滑梁计滨算模型均可以掘简化成底模纵左梁计算模型形先式（见萍图踪4趟），均布荷麻载槽q匠i灿也可按相同的识公式计算，但美公式中的符号歌含义有所不同烫，其中：转i=逗2腿、呀3肢，分别代悄表订B宵、撕C贼区相关变量；存Gi它-皱为积B包区莫或释C斤区组合荷载；替ni俊-突为显B有区苍或良C蔑区滑梁根数。老（牵8货）前吊杆计算是前吊杆锚固于哄前上横梁上，吗可细分分为前铅下吊杆和前上搂吊杆两种类型漏，前者下端悬仓吊前下横梁，办主要用于承奇担粥A朱区混凝土、底朽模及底模纵梁仪的重量，而后漫者下端悬吊内蛇模或外模滑梁饿，主要用于承剧担龟B打、推C纲区混凝土、底果模及底模纵梁智的重量。前吊纽杆的轴向拉笼力格F港i身计算公式为：勺Fi=Gi/韵ni/娃2幼，其中：顿i=躬1阅、扔2届、抵3兵，分别代究表希A让、柿B哀、抱C揭区的相关变量葵；写Gi筑-廉为贡A书区扣、洁B敌区凭或茧C洋区的组合荷载孟；留ni录-念为酬A腾区伶、杂B臣区许或稠C柜区的吊杆总数伪。叹（姥9鼠）前上横梁计井算醋与前下横梁或美后下横梁一样聪，前上横梁主没要是由双工字造钢或双槽钢组吉成的组合型钢授钢梁，支撑于无三角主构架的夏前端，用来为拦前吊杆提供悬中吊锚固支撑，膨主要承担箱欲梁贤A街、边B片、馆C减三区混凝土、乳内外模板、模慈板滑梁、前上灾横梁、前下横压梁及相应的人凭群材料机具等踪荷载，可以简半化为一简支外三伸梁模型进行兼力学计算，见息图议6距，图宽中虽F间1齐、课F熄2公、姨F蹈3机分别为前下吊鉴杆、内模吊杆航和外模吊杆的族拉力。饮图乓6杜棋前上横梁计算愈模型示意图监（棍1王0霞）主三角构架遗计算妹主三角构架后冤端锚固于已浇种梁段上，在立罩杆处通过前支德座支撑于走行晃轨道上，用于疮承受前横梁上斧的各种吊杆拉舱力，相应的力俊学计算模型如绒图装7缎所示，为一由番斜杆、水平杆巾或立杆组成的腔平面刚架结构告计算模型，前液端所受的计算赠荷直载贼P铲为：山P=(G1+刺G2+G3)铃/4表图搭7损俘主三角构架计恩算模型示意图拥（径1谱1范）后锚杆拉力滑计算师后锚杆对应于开主三角构架的防支座反蛋力散R钻，其数值为主床三角构架前端若荷场载预P共（见辛图厦7碰）。当一个主演构架有三对后氏锚杆时，则一兵根后锚杆所受售的力为：N=R/6。嚷3汪挂篮鲜施工力学计算宋实现科基于上各组成之构件的受力及剑计算模型的分呈析，吹挂篮谜各组成构件的劣力学计算过程糊和内容主要可覆归结为：容梁段最大横截忌面区域分割及巩各区域荷载组倾合计算；痰建立底模纵梁抱、前下横梁、绣后下横梁、前贡上横梁、内模遮滑梁、外模滑尾梁等构件的有股限元计算模型晚，并按强度检广算要求进行杆木件有限元力学孩计算，查询计伶算结果；草建立三角构架浙平面杆件有限安元模型，分别等按强度检算和母刚度检算要求乞进行结构力学践计算；号计算各前吊杆余、后猫杆拉力船计算，计算前见吊杆件变形。临通常，可以借颤助寨Mida彻s陶、潜ANSY阿S观等目前流行的服国际通用有限李元进行荡挂篮想各组成构件进街行力学计算，怀但由于这些软散件的通用性，打没有针对霞挂篮宪的受力及计算格模型特征，计机算效率较低、躁荷载取值与计烤算过程不规范俩，不能实现各边组成构件的协妙同计算。这对迁于力学知识不甜是很丰富的现留场工程技术人窄员来讲，健挂篮升计算也将是一浓个复杂的过程辽，而且容易出晶错。急本文选择路桥追施工计算专家魔系痰统装RBCC偷E属进行四挂篮左各力学计算责。央RBCC责E篮为石家庄铁道招大学研发的一点款高性能专门君针对路桥施工想计算的高性能淡集合成化软件符，内涵丰富的涛路桥施工计算滑专业功能。该氏软件能够专门牢针对勺挂篮胖的结构特征、退力学特征进行探有限元自动建均模。对于三角我主构架，可以筐选择创建和操拼作功能图形对窃象的方式便捷叼实现其力学计酒算钉[7]预，而对于其它律组成构件，则忘只需要在绘制扯出最大梁段截斑面对象及截面粱区域分割线后呈，在其旁边绘朋制一条酸挂篮得计算指示线，喜箭头指向截面岛对象，见递图垃8讽（晶a努），然后打开访该指示线定的对话框，输芬入趁挂篮挂篮刘吊杆、底模纵侵梁、各横梁、争内外模等构件长的横向或纵向哈布置参数及材淡料参数，即可其自动创建各组栏成构件计算模极型的计算模型锄，其中包括计央算模型的单元吩节点自动划分邀，单元截面特晴性和材料参数怎自动输入及外涌荷载和支座约凤束自动布置等璃，并可便捷查打询杆件截面应劝力、位移，检傅查构件的强度省和刚度。贸图掀9(b逗)企显示膛了株RBCC肠E捧实现某轮挂篮企计算的下横梁滨计算模型及弯克矩图。铜图伶8(a)领僻梁段最大截面它对象滴；擦(b蒙)涝前下横梁计算茂模型与计算结恐果4结论爆挂篮凑是桥梁施工中揪一种常用临时呆施工设备，对猪其进行正确的农施工力学计算给是确保滨挂篮核设计合理和施补工安全的基础敞。通过对眨挂篮昂这一空间的悬剧吊结构进行结逐构特征和受力捧特征分析，可廊以将其规划分勒解为一系列彼版此独立又相互为联系的简支梁呜、连续梁或平岭面刚架等简单罗结构进行力学鸣分析，并借助嗓路桥施工计算舅专家软件加以击实现，这样既押可以得到能够兵反映浑挂篮暂实际施工受力丸与变形特征的债各组成构件的船计算模型和计潮算结果，使复侨杂会挂篮粘计算过程变成西简单、规范而柱且容易实现的揪计算过程，实能现了魄挂篮形力学计算的简巡单化、标准化建和高效率，所战介绍的公挂篮别计算实现方法泊特别适合于现述场一线工程技爹术人员应用。腐参回帽考慌盛文拳土献贩[1诊]椒王武卸勤万.P挺C另桥梁悬臂灌注符施工挂篮的发孟展耗[J]强.疏桥梁建穿设桂,1997(缴4)陷[2泻]困陈金乖水逢.唇几种施工桨挂篮乓的设计与比盟较婶[J].昌橡公路与汽复运投,2005