斜拉桥主梁牵索挂篮有限元等效分析郭伟

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇斜拉桥主梁牵索挂篮有限元等效分析郭伟范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要：牵索挂篮的整体结构行为具有明显的空间性，精确细致对其进行有限元模拟是十分必要的。本文结合某斜拉桥主梁牵索挂篮的施工工艺，采用空间梁单元和板单元，模拟整个挂篮，进行力学行为的等效，这对整座斜拉桥施工阶段的仿真分析具有重要意义。

关键词：斜拉桥 牵索挂篮 等效分析

中图分类号：U448.27 文献标识号：A 文章编号：2306-1499（2014）10-

1.工程概况

本文的斜拉桥是某省一高速公路一座跨越半岛的特大型桥梁，其主桥跨径组合为（52.5+99.5+300+99.5+52.5）m，全长为604m的一座双塔单索面预应力混凝土斜拉桥。采取墩塔梁固结的结构体系，独柱式主塔，全桥共设23对共184根斜拉索。主梁采用近似三角形断面，大悬臂单箱三室的箱梁，标准节段长6m，箱梁顶板宽26.9m，底板宽6m，高3.2m。标准节段每节段平均混凝土方量为113.7m3，重284.3t。

主梁除0#块、边墩现浇段及0-1#块在支架及简易挂篮上浇筑外，其余节段均采用牵索挂篮悬浇的方法施工。牵索挂篮采用的是下承式挂篮，前支点利用斜拉索牵拉，中支点和后支点则分别锚固在上一节段也浇梁段上。全桥共有4套挂篮，每套挂篮由底盘、止推机构、牵引机构、模板系统和移动系统共5大部分组成，单套挂篮总量为143.5t。

2.牵索挂篮的施工方法概述

牵索挂篮现浇法[1]是目前大跨度混凝土斜拉桥主梁施工常用的方法。该法的主要特点是在主梁节段施工过程中利用当前节段的斜拉索充当挂篮的前支点牵索，从而与挂篮的中支点和后支点锚固装置（即挂篮与已浇梁段的连接构造）一道组成挂篮的约束系统。具体做法是在斜拉索的下端与挂篮前端之间设置一工具拉杆，见图1。该拉杆在混凝土达到强度并施加预应力后即可卸除。

在标准阶段的常规施工中，可分为以下阶段：挂篮安装拆除、钢筋内模加载、安装索单元及初张索力、0～50% 混凝土挂篮加载、第二次索力调整、50% ～100% 混凝土挂篮加载、第三次索力调索、梁单元安装、节段预应力张拉压浆、体系转换和斜拉索终拉共十个施工阶段 [2]。

与普通挂篮施工工艺（即挂篮仅在中支点和后支点与已浇梁段相连接）相比，牵索挂篮施工方法具有很多优点，但也有它的缺点，具体表现在：①在挂篮的中支点或后支点处必须设置水平止推装置，用以抵消牵索传来的水平分力；②主梁当前施工节段混凝土达到强度并施加预应力后，牵索要与挂篮脱开并作用到梁体上，即存在一个体系转换的过程，这个过程增加了施工难度；③在施工过程的仿真计算中，为把挂篮放入斜拉桥模型，就必须精确模拟挂篮刚度及其与主梁、拉索连接，增加了仿真分析的难度。本文将结合上述斜拉桥主梁的施工就上述第③个问题展开分析和讨论。

3.有限元仿真分析

斜拉桥的牵索挂篮是一大型空间钢架承载平台系统。通常采用的计算方法是将其简化成平面体系结构[3-4]，逐杆进行分析计算，此方法计算的数值偏大，结果相对保守。但是，牵索挂篮整个结构的行为具有明显的空间性，因此，建立挂篮结构空间有限元模型，分析挂篮结构的力学行为是十分必要的。而空间梁系模型能反映挂篮结构总的受力趋势[5]，为了更精确的计算，特别是模拟挂篮整体结构的抗弯刚度，本文将才采用Midas Civil有限元软件，结合梁单元和板单元的单元类型，进行挂篮的有限元仿真分析。

3.1 建立有限元模型

工况一：挂篮自重

A、B、C三点的挠度依次为：-5.12mm、-1.27mm、0.10mm

工况二：挂篮自重+25%标准梁段

A、B、C三点的挠度依次为：-8.28mm、-1.91mm、0.45mm

工况三：挂篮自重+50%标准梁段

A、B、C三点的挠度依次为：-11.44mm、-2.55mm、0.79mm

工况四：挂篮自重+75%标准梁段

A、B、C三点的挠度依次为：-14.60mm、-3.19mm、1.14mm

工况五：挂篮自重+100%标准梁段

A、B、C三点的挠度依次为：-17.76mm、-3.86mm、1.48mm

工况六：挂篮自重+130%标准梁段（考虑浇筑过程中混凝土的超重）

A、B、C三点的挠度依次为：-21.56mm、-4.61mm、1.90mm

综上分析可知：在具体浇筑混凝土的过程中，A点的挠度随着标准梁段的逐渐加重，呈线性增加；B点的挠度随着荷载的增加在逐渐下降，C点的挠度在逐渐上升，但两点的挠度幅度变化都较小，所以在模拟挂篮时，两点与主梁间的约束将采用刚性连接；实际施工中挂篮的变形较小，所以这种模拟是满足施工要求的。挠度变化最大点（A点）的挠度曲线如图4所示：

3.2 密度与弹模等效

根据等效原则，挂篮的总重量为143542kg，等效后的挂篮长度与实际长度一致为17.58m，宽度与梁底宽相等为6m，高度与标准梁段梁高相等为3.2m。换算后的挂篮体积为288.139m3，所以密度为498.169kg/m3。

为模拟整个结构的抗弯刚度，即等效挂篮的弹性模量，考虑实际加载的需要，将结合挂篮自重和给定的集中力荷载，补充以下工况：挂篮+3500KN挂篮+4000KN挂篮+5000KN。

A点（挠度最大点）的挠度依次为：-74.46mm、-84.36mm、-104.17mm，具体变化如图5所示：

从3500KN到5000KN，挂篮仍在在线弹性范围内，但由于是集中荷载，没有分配到主桁架上，所以挠度变得很大。

除去挂篮本身由于自重产生的挠度-5.12mm，由3500KN、4000KN、5000KN等集中荷载单独作用于A点时，产生的挠度依次为：-69.34mm、-79.24mm、-99.05mm。

根据挠度等效的原则，泊松比取0.3，线膨胀系数取1.2e-5，容重由质量等效取4.98169KN/m3，挂篮与主梁间采用刚性连接。等效后的挂篮如下所图6所示。

由A点的挠度相等，不断迭代，最后求得换算后的弹性模量E为：1.499Gpa。

在以上刚度、边界条件下，在A点施加集中荷载，其挠度在挂篮等效前与等效后的比较如下所图7所示。

4.结语

本文针对某斜拉桥主梁牵索挂篮的施工工艺特点，介绍了牵索挂篮施工方法的优缺点，并重点讨论牵索挂篮的等效模拟。牵索挂篮三维的精确模拟服务于施工过程的仿真分析，而这些分析结果将是参数识别、牵索方案的选择、主梁立模标高等关键决策的重要理论依据。

参考文献

[1]刘士林，梁智涛，孟凡超等.斜拉桥[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2]杜利君，许佳平等.通化西昌斜拉桥单索面牵索挂篮总体设计[J].北方交通，2006，7：80-82.

[3]王世红，侯俊明，白青侠等.牵索式挂篮内力分析方法[J].中南公路工程，2000，25（3）：41-42.

[4]徐瑞龙，徐庆.刚构桥悬浇施工所用新型挂篮的受力分析[J].黄河水利职业技术学院学报，2003，15（1）：39-43.

[5]李延强，王道斌.长平台牵索挂篮的受力分析[J].铁道建筑，2006，20（5）：20-22.