滨海南特大桥跨345乡道双线连续梁挂篮结构设计与数值模拟研究

滨海南特大桥跨345乡道双线连续梁挂篮结构设计与数值模拟研究

赵岩博，张太玉，王涛

（中铁七局集团第二工程有限公司，沈阳 110005 ）

摘要：针对滨海南特大桥跨345乡道37.55+64+43.69 m双线连续梁菱形挂篮设计验算问题，为确保后续建设过程的稳定性和安全性，以津潍高铁滨海南特大桥工程为背景，运用MIDAS/civil有限元软件，研究在不同荷载组合情况下挂篮结构强度、刚度和抗倾覆计算。研究结果表明：在不同荷载组合下，挂篮底托系统、导梁系统、前上横梁、主构架、吊杆、吊带等最大应力和主桁架销轴验算均符合要求；挂篮刚度计算表明，挂篮浇筑状态底托系统最大位移19.7mm，处于稳定状态；挂篮抗倾覆计算结果表明1和4两种工况下，挂篮抗倾覆满足相关规范要求，挂篮始终处于稳定状态。该研究成果可以为高速铁路相关连续梁挂篮结构设计验算提供参考和借鉴。

关键词：连续梁；菱形挂篮；数值模拟；结构设计验算

近年来，在交通强国战略的支持和指导下，中国高速铁路桥梁建设快速发展，随之大跨度桥梁连续梁施工过程中挂篮的设计安全问题显现出来[1-2]。挂篮设计是大跨度桥梁悬臂施工的关键因素，影响整个工程建设的安全性和稳定性[3-4]。通常而言，菱形挂篮主要组成包括主桁系统在内的七部分。在悬臂施工过程中承受桥梁自重和施工附件荷载，菱形挂篮的设计需严格控制重量，并且经过了严格的计算和设计优化[5-6]。因此，了解双线连续梁菱形挂篮结构设计和验算对高铁桥梁建设工程研究具有重要的意义。

目前，国内大量学者在挂篮设计验算和数值模拟方面展开研究。陶友海[7]利用两种数值模拟软件对挂篮进行数值计算，分析不同工况下挂篮的强度和刚度。赵锐[8]通过应用Midas-Civil数值模拟分析计算了菱形挂篮关键部位的变形、内力和抗倾覆计算；并与实测数据对比，验证了数值模拟的可行性和准确性。但上述研究大多是对公路大桥挂篮设计做出研究，而针对高铁大桥不同荷载下挂篮的设计验算和数值模拟研究较少。

基于此，本文作者以津潍高铁滨海南特大桥跨345乡道连续梁工程为研究背景，利用MIDAS/civil大型有限元分析数值模拟软件分析不同荷载组合情况下菱形挂篮结构强度、刚度和抗倾覆计算，从而为后续连续梁施工提供安全性依据。

1   工程概况

1.1 工程概况

津潍高铁滨海南特大桥跨Y345乡道双线连续梁。设计结构形式为(37.55+64+43.69) m（双线）预应力连续箱梁，1314#~1315#墩之间处跨越Y345乡道,与新建铁路间夹角为83°；其中1314#墩、1315#墩位于Y345乡道护坡两侧，1314#主墩高7米、1315#主墩高6米公路宽12.5 m，公规划宽度24.0 m，该桥主跨下公路路面最高点标高2.8 m（与梁底高差7.16 m），最低点标高2.6 m（与梁底高差6.52 m）；挂篮兜底加防护最底处距跨Y345乡道连续梁梁底约1.5 m（路面与兜底高差5.02 m）；建成后净空大于5.0 m；1313#~1314#墩之间处跨越水泥道路,与新建铁路间夹角为85°，满足公路通车要求。

本工程为滨海南特大桥跨345乡道37.55+64+43.69 m连续梁，其中0#块长9 m，悬浇段最重块153.502吨；最长块4.25米；梁顶宽12.6 m，梁底宽6.7 m，采用菱形挂篮施工。

图1 建成后大样图

1.2 挂篮概况

菱形挂篮的技术参数及性能为：适用最大梁段重153.502 t（1#块），最长梁段长度4.25 m，梁顶宽度12.6m，梁底宽度为6.7 m，梁高3.362 m，走行方式为无平衡重牵引式，每幅挂篮和模板自重控制在76.7 t以内，挂篮支点应尽量靠近腹板，挂篮前支点距梁悬臂端应不小于0.5 m，施工时，两边的不平衡重要求不超过20t。

1.3 挂篮计算依据

计算依据主要包括：《路桥施工计算手册》[9]；《实用土木工程手册》（第三版）[10]和《铁路预应力混凝土连续梁(刚构)悬臂浇筑施工技术指南》(TZ324-2010) [11]。

1.4 挂篮设计参数及荷载

挂篮主要技术参数包括砼自重、刚弹性模量和材料强度设计值。

作用于挂篮主桁的荷载及荷载分配情况分析如表2所示。

各种荷载工况组合如表3所示，挂篮结构的强度和稳定性计算采用工况1-4；挂篮刚度计算采用工况5，挂篮系统抗倾覆计算采用工况1和4。所有荷载均按照线载荷施加。

其中，各荷载系数意义和取值见表4。

2  有限元模拟

2.1 模型建立

数值模拟计算首先使用MIDAS/civil 进行建模，建模中主构架各节点的连接释放销轴的自由度，具体模型如图3所示。

图3 挂篮整体计算模型

2.2 荷载分配情况

荷载分配图和荷载计算单见图4。

图4 荷载分配及荷载计算单

3   结果与分析

3.1 挂篮结构强度计算

3.1.1 工况1

工况1用来计算挂篮混凝土浇筑要结束前的一种最不利荷载工况，该工况下混凝土浇筑完毕（考虑混凝土胀模的影响）q1=1.05×G混凝土，但振动系统在继续工作，需施加动力附加荷载和人员机具荷载。该工况下挂篮各部分最大应力计算结果如下。

（a）底托系统                                   （b）导梁系统

（c）前上横梁                                     （d）主构架

（e）吊杆                                          （f）吊带

图5 工况1下挂篮各部分最大应力计算结果

由图分析可知，荷载组合1工况下底托系统、导梁系统、前横梁和主构架最大应力分别为133.4 MPa 、195.7 MPa 、66.2 MPa 、169.5 MPa ，均小于215 MPa，符合要求。另外，吊杆最大应力为448.1 MPa < 705 MPa，吊带最大应力为60.0 MPa < 295 MPa，也都证明工况1下挂篮处于稳定状态。

由图6显示，主桁架最大轴力为1371.6 KN，主桁架各杆件采用的销轴连接，直径100 mm销轴单侧受到的剪力为522.0KN；材质为40Cr 钢，φ100 销轴承受的最大剪力为4474.5kN；安全储备K为8.6，大于3，处于稳定状态。

图6工况1下菱形架内力计算结果

3.1.2 工况2

工况2用来计算挂篮混凝土浇筑过程中的一种最不利荷载工况，工况2较工况1减少了一侧腹板处混凝土荷载总量20 t，其余荷载相同。

导梁最大应力同工况1，不再计算。该荷载下挂篮各部分最大应力计算结果如图7。

（a）底托系统              （b）前上横梁

（c）主构架

图7工况2下挂篮各部分最大应力计算结果

由图分析可知，工况2下底托系统最大应力为位于较重侧底板下纵梁位置，大小为133.2 MPa；前横梁和主构架最大应力分别为66.1 MPa 和169.2MPa。同工况1相近，各部分最大应力为169.2 MPa，远小于215 MPa，处于稳定状态。

3.1.3 工况3

工况3主要考虑风载作用时对主构架应力的影响，如图8所示，主构架最大应力为161.5MPa，小于215 MPa，处于稳定状态。

图8工况3下主构架应力计算结果

3.1.4 工况4

挂篮行走工况荷载组合见表3，该工况为挂篮行走工况，主桁靠反扣装置在轨道上行走；其它结构不变，底托横梁均由吊杆悬吊；外导梁仍有模板荷载作用，风载作用于主构架处。

挂篮行走时，挂篮杆件最大应力166.2 MPa < 215 MPa，吊杆/吊带最大应力94.9MPa < 295 MPa，处于稳定状态。

3.2 挂篮结构刚度计算

刚度计算采用工况5，计算挂篮系统浇筑状态的结构刚度，如图10所示，该工况下挂篮最大变形为19.7mm。

具体的，主构架、前横梁、导梁和底托系统最大变形值分别为15.8 mm、18.6 mm、19.5 mm和19.7 mm，均小于20 mm，处于稳定状态。前横梁相对变形值为2.8 mm，挠跨比为η=0.4＜L/400，挂篮刚度稳定。

3.3 挂篮抗倾覆计算

挂篮抗倾覆计算包括混凝土浇筑工况1和挂篮移动工况4两部分内容。

3.3.1 工况1

为保障连续梁施工的安全性，针对此工况下挂篮后锚点的安全性进行验算分析。

图12 主构架反力模型

由图分析可知该工况下锚点拉力最大值为1027.2 kN。单侧后锚点采用直径32mm的精轧螺纹钢6根，则可提供锚固力为N提供=6A[σ钢棒]= 6x3.14x162/4x830x10-3=4003.1kN；其安全储备K值为3.4，大于2，处于稳定状态。

3.3.2 工况4

图13 主构架反力模型

由图分析可知该工况下反扣装置拉力最大值为213.5kN。反扣装置由直径55mm 的销轴与主构架连接，故单片主构架反力按φ55 mm 的销轴单面受剪计算，材质为40Cr 钢，销轴承受的最大剪力为1353.5kN；其安全储备K值为6.3，大于2，处于稳定状态。

4   结论

本文通过MIDAS/civil大型有限元分析软件数值模拟分析了不同荷载组合情况下菱形挂篮结构强度、刚度和抗倾覆计算，得出以下结果。

（1）通过对荷载组合1、2、3、4 的强度计算分析，挂篮应力最大值为448.1MPa，出现在工况1吊杆，小于705 MPa，依旧处于稳定状态。

（2）刚度计算结果表明，挂篮整体发生位移，挂篮浇筑状态导梁系统最大位移19.7mm < 20mm，挂篮刚度满足使用要求。

（3）挂篮抗倾覆计算结果表明，工况1、4的安全储备值K均大于2，处于稳定状态。

参考文献

[1] 王立峰,肖子旺,于赛赛.基于Bayesian网络的多塔斜拉桥挂篮系统风险分析的新方法[J].吉林大学学报(工学版),2022,52(04):865-873.

[2] 吴月星,严仁章,刘增武等.夜郎湖大桥主拱圈悬臂浇筑施工挂篮优化分析[J].桥梁建设,2019,49(04):102-107..

[3] 赵煜,刘勇,孙楠楠.挂篮底模纵梁受力简化计算方法及承重分配系数[J].铁道建筑,2020,60(05):34-37.

[4] 张清川.连续梁桥挂篮反力预压设计与结构受力分析[J].铁道建筑,2019,59(10):45-49.

[5] 马克诚,吴小燕,王建军等.连续梁桥菱形挂篮结构设计与验算[J].技术与市场,2022,29(07):61-66.

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