混凝土斜拉橋前支點掛籃設計概要1

1、邊主梁混凝土斜拉橋前支點掛籃設計概要曠新輝、殷源（湖北省路橋集團有限公司，武漢 430000）摘要：前支點掛籃作為砼斜拉橋施工的通用設備，受節(jié)段長度、節(jié)段重量、索力大小和索傾角變化影響，掛籃各部位應力、位移發(fā)生顯著變化，斜拉索索力分次調整范圍也和掛籃的設計剛度息息相關，計算需考慮的荷載工況比較多，有必要從理論上進行分析探討，找出掛籃結構尺寸和剛度的最佳設計范圍，優(yōu)化掛籃結構設計。本文按照GBT3811-2008起重機設計規(guī)范的要求，對結構的使用頻率、使用應力、安全系數(shù)進行了確定，通過建立理論公式對掛籃整體結構進行了設計分析，加快掛籃設計流程，確保各使用工況掛籃安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，可作為邊主梁

2、斜拉橋前支點掛籃設計規(guī)范性指導文件。關鍵詞：斜拉橋；前支點掛籃；應力；位移；沖擊荷載1. 前言前支點掛籃也稱牽索式掛籃，利用待澆梁段斜拉索作為掛籃前支點支撐力，施工過程中將掛籃后端錨固在已澆梁段上，它能充分發(fā)揮拉索的作用，由斜拉索和已澆梁段來共同承擔待澆梁段的混凝土荷載。待澆梁段混凝土達到所需強度后，張拉縱向預應力后張拉索力，拆除斜拉索與掛籃的連接，使節(jié)段荷載轉換到斜拉索上，再前移掛籃。前支點掛籃主要由兩組掛籃主縱梁、34組橫梁、掛腿、后錨點、前支點張拉系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、止推器、牽引系統(tǒng)等構成，由于利用斜拉索提供懸澆節(jié)段的部分支撐力，使得掛籃的剛度利用斜拉索、掛腿、后錨、止推器等作為砼懸臂澆筑的

3、主要傳力為掛籃的在施工過程中需要2. 掛籃需要考慮的荷載限值、材料的取用限值、掛籃設計撓度限值、荷載組合各分項系數(shù)表2.1 前支點掛籃計算荷載取用值序號名稱類型取值規(guī)范章節(jié)計算公式備注1砼荷載恒載26KN/m3JTG/T F50-20115.2.62模板荷載恒載1.1KN/m2經(jīng)驗值3拱架荷載恒載1.5KN/m2JTG/T F50-20115.2.64掛籃自重恒載78.5KN/m3掛籃設計值5工作狀態(tài)風荷載動載0.304KN/m2GB50009-20128.16級風，13.8m/s6極限狀態(tài)風荷載動載1.699KN/m2GB50009-20128.112級風，32.6m/s7人群及施工荷載動載

4、2KN/m2GB50009-20125.2.28斜拉索索力動載KN設計和監(jiān)控值表2.2 掛籃材料屬性取用值序號材料抗拉、抗壓和抗彎許用應力(Mpa)抗剪許用應力(Mpa)承壓許用應力cd(Mpa)楊氏彈模E(Mpa)泊松比重量密度(kg/m3)1Q235B1751012452.06E+050.378502Q345B2571483602.06E+050.37850340Crd100mm3932275502.06E+050.378504d100mm3612085052.06E+050.378505精軋螺紋鋼（強度等級785MPa）6002.00E+050.37959 說明：根據(jù)GB/T3811-2

5、008第5.3.1.2條，掛籃設計工況為掛籃在有風工作狀態(tài)下的荷載組合，材料強度系數(shù)n=1.34，普通材料=s/n；高強材料=（0.5s+0.35b）/n；=/1.732，第三強度理論；cd=1.4。銷軸材料40Cr的許用強度查機械設計手冊卷1表3-1-9取值。精軋螺紋鋼材料參數(shù)按照GB/T 20065-2006取值。表2.3 掛籃結構設計允許撓度限值序號部位結構形式允許限值備注1承載橫梁簡支結構l/7502非承載橫梁簡支結構l/4003頂板拱形支架兩鉸拱簡支結構l/7504掛籃主縱梁懸臂結構l/500說明：根據(jù)GB/T 14406-2011第5.3.7條，承載簡支梁撓度按照中等精度控制為l/

6、750；非承載簡支梁按照l/400控制；懸臂梁按照l/500控制。表2.4 荷載組合各分項系數(shù)荷載種類砼荷載模板 荷載拱架 荷載掛籃 自重工作狀態(tài) 風荷載極限狀態(tài) 風荷載人群及 施工荷載斜拉索 索力計算工況荷載系數(shù)結構變形計算11111011結構應力計算1.151.151.151.151.3501.351.15掛籃沖擊荷載22220000掛籃抗風穩(wěn)定性計算011101.3501.153. 掛籃設計流程圖3.1 掛籃設計計算流程示意圖4. 邊主梁尺寸結構示意圖及編號砼斜拉橋目前的最大跨徑為530m（挪威1991年，斯卡思圣特橋），第二大跨徑為500m（荊州大橋，2001年）。由于斜拉橋為多點彈性

7、受力支撐結構，梁高較矮，梁高和跨徑之間沒有明顯的比例關系，但是梁寬和梁高之間有明顯的比例關系，一般梁高為梁寬的1/10；目前懸澆砼斜拉橋的施工節(jié)段一般是7.58m，部分橋梁的邊跨配重節(jié)段長度6m。查閱了一些邊主梁斜拉橋橋面寬度，布置雙向4車道時，橋面寬度為21-22.5m，布置雙向6車道時橋面寬度2728m。橋面為雙向8車道時，整體式斜拉橋寬3536m，一般結構形式為雙側邊箱梁結構（PK斷面）；或者采用左右幅分離式雙塔斜拉橋方案。邊主梁斜拉橋各部位示意圖中的比例關系一般如下：W/H=10;w1=0.115w;W2=0.77W;HD=0.1H;D=HD;故計算通用型邊主梁掛籃的橋面寬度按照28m

8、考慮，節(jié)段長度L按照8m考慮。各計算參數(shù)如下：W=28m，H=2.8m，W1=3.2m；W2=21.6m，HD=0.28m，D=0.28m。5. 掛籃主體結構尺寸及編號6. 斜拉索二張索力與節(jié)段澆筑重量之間的關系推導查閱橋梁設計與計算邵旭東、程翔云、李立峰著，P565頁，前支點掛籃索力范圍的確定方法。圖6.1 掛籃整體計算簡圖TminB=WLR+LW+GLR+LG-R2LmaxLRLR+LTsinx-hcosx 掛腿控制最小索力TmaxB=WLR+LW+GLR+LG-R2DmaxLRLR+LTsinx-hcosx 掛腿控制最大索力TmaxA=WLW+GLG-R1LmaxLRLTsinx-hco

9、sx 后錨點控制最大索力TminA=WLW+GLG-R1DmaxLRLTsinx-hcosx 后錨點控制最小索力Tzl=12TmaxB+12TminB 砼澆筑完成后的索力（掛籃二張索力）Tsj=Wsinx 無橋面系荷載和行車荷載的設計索力 W=4409800;LW=5;LR=8;LG=2;h=1.4;LT=8+2.2tanX;G=2209800;R1Dmax=328.19800;R1Lmax=-328.129800;R2Dmax=0; R2Lmax=328.129800 輸入值圖6.2 丹江口漢江公路大橋掛籃張拉索力計算圖圖6.3 前支點掛籃張拉力和設計索力比例關系圖7. 整體設計及主要部件設

10、計尺寸擬定1) 前、中橫梁設計掛籃前橫梁剛度滿足： fmax=5qL4384EihL750 （1）掛籃前橫梁應力滿足： 1.2qL28ihh2 （2）分別求出（1）、（2）式中的 ih62564qL3E， ih340qL2h，將E=2.06E11（pa），=1.75E8(Pa)，代入求得h和跨度l的關系式：h0.1106L （3）ih4.74059466010-11qL3 （4）橫梁腹板承受的剪力為qL/2，其剪應力滿足以下公式： max=QmaxihSd=1.212qlihSd （5）求得 d0.6000000000qlsih （6）d為橫梁腹板厚度，當橫梁為工字型梁時，直接取d，為箱梁時每

11、側腹板厚度取d/2。注意在橫梁與縱梁連接段的上下翼板焊接點正應力和剪應力強度組合滿足要求。為確保掛籃通用性，方便掛籃改裝，掛籃的前、中橫梁設計一致（中橫梁荷載小于前橫梁）。2) 后橫梁、連系梁設計掛籃后橫梁和聯(lián)系梁剛度滿足： fmax=5ql4384Eihl400 （7）掛籃后橫梁應力滿足： 1.2ql28ihh2 （8）分別求出（7）、（8）中的 ih12524ql3E， ih340ql2h，兩式相等，將E=2.06E11（Pa），=1.75E8(Pa)代入求得h和跨度L的關系式：h0.05899406688l （9）ih2.52831715210-11ql3 （10）橫梁腹板承受的剪力為q

12、l/2，其剪應力滿足以下公式 max=QmaxihSd=1.212qlihSd （11）求得 d0.6000000000qlsih （12）d為橫梁腹板厚度，當橫梁為工字型梁時，直接取d，為箱梁時每側腹板厚度取d/2。注意在橫梁與縱梁連接段的上下翼板焊接點正應力和剪應力強度組合滿足要求。為確保掛籃通用性，方便掛籃改裝，掛籃的后橫梁、聯(lián)系梁設計一致。3) 掛籃主梁設計考慮到施工過程中的極限狀態(tài)，當掛籃澆筑完成砼后前支點張拉桿發(fā)生斷裂，掛籃處于懸臂受力狀態(tài)時不發(fā)生破壞（目前已知的張拉桿斷裂事故至少發(fā)生過三次，荊州大橋掛籃荷載試驗、鄂黃大橋主6#塔江側29#節(jié)段澆筑、南京三橋掛索施工斜拉索掉落），掛

13、籃承受結構自重、砼荷載、施工荷載以及張拉桿斷裂后的沖擊荷載。以此控制掛籃的設計剛度，確保掛籃主體在彈性范圍內受力，掛腿的支撐能力和剛度滿足彈性受力要求。a)掛籃斜拉索前支點拉桿斷裂的沖擊系數(shù)Kd推導過程如下：斜拉索斷裂時整個結構的沖量不變。得以下方程： tS=mc+mlV2=mV2=-msV1 （13）上式的意義表示在拉索索力S狀況下，斷裂時間t內，索力由S變?yōu)榱?，索（質量ms）以速度V1沿索力方向回彈，掛籃和砼質量m沿反方向以速度V2運動。整個掛籃和砼的動能和勢能轉換成為懸臂結構體系內部的彈性勢能。掛籃和砼的動能為： Ed=12mc+mltSmc+ml2=12m V22=tSm2 （14）懸

14、臂結構的重力勢能為： ES=mc+mlGd=mGd （15）根據(jù)變形條件：支點m（掛籃和混凝土荷載質心）處發(fā)生的位移d，其虛擬沖擊荷載Fd滿足懸臂梁的靜力變形公式： d=13Fd l33EIz （16）求出虛擬沖擊荷載 Fd=3dEIzl33 （17）虛擬荷載的彈性勢能功為 E=12 Fdd ; E=32 d2EIzl33 （18） Ed+Es=E （19）將（14）、（15）、（18）代入（19）式，求出動荷載沖擊位移為： d=13Gm2l32+G2m4l34+3ES2izmt2l3l3Eizm （20）靜荷載位移為： st=13l33mGEiz （21）掛籃沖擊系數(shù)： Kd=d st （2

15、2）將（20）、（21）代入（22）式，求出Kd； Kd=1+1+3ES2izt2m3l3G2 （23）一般情況下，桿件的彈性勢能中彎曲勢能遠大于桿件壓縮勢能，上述公式中未考慮桿件壓縮勢能。1 田興運.結構穩(wěn)定理論M.西北農(nóng)林科技大學出版社，2006.故掛籃主縱梁的剛度為利用懸臂靜力工況算出來的滿足應力和撓度荷載規(guī)范值的剛度I再乘以沖擊系數(shù)Kd，為掛籃主縱梁設計剛度。b)掛籃懸臂受力的靜力剛度計算：將掛籃作為懸臂梁計算，考慮到最不利工況，掛籃的前支點張拉桿斷裂后掛籃能夠承受自重和砼重量而不發(fā)生塑性變形，允許超過規(guī)范要求的變形（變形量大于l/500）。掛腿承受的荷載考慮沖擊影響。由此計算掛籃縱梁

16、的剛度和掛腿的荷載，計算簡圖如下：MB=12ql2; W=iZh2; MBW=; fA=ql48Eiz; 18ql4Eiz=l500; 14ql2hiz=; iz=14ql2h; iz=1252ql3E; 1252ql3E=14ql2h; h=250lE; Iz=112b1h13-112b2h23.4) 頂板模板拱架設計現(xiàn)澆頂板的荷載為均布荷載，均布荷載最有利的受力結構為拋物線拱，設計算均布荷載為q。拱跨度l，矢高f，考慮施工轉運和現(xiàn)場頂板下降脫模方便，設計拱架為三鉸拱，合理拱軸線下三鉸拱內無彎矩，拱的控制應力受平面內屈曲穩(wěn)定影響，側向失穩(wěn)通過增加橫向聯(lián)系構造來消除。拱的曲線方程：三鉸拱彎矩為

17、零，算出拱頂水平推力為FH=18ql2f；跨度為l的共軛簡支梁任意點彎矩公式為： M0=12qxl-x；拱的線形方程為： y= M0FH=4xl-xl2；拱軸線壓力方程：拱的任意斷面斜率： ddxyx=4l-xfl2-4xfl2；拱的任意斷面軸力（壓力）： Nx=18ql24l-xfl2-4xfl22+1f；拱的臨界屈曲均布荷載：三鉸拱的臨界屈曲均布荷載： qcr=KEIgl3；項海帆拱結構的穩(wěn)定與振動。三鉸拱的臨界穩(wěn)定系數(shù)K與f有關，當f/l取0.2時，K=39.6；拱架穩(wěn)定性安全系數(shù)取4，取4*q=qcr；鐵路橋梁設計規(guī)范；則滿足穩(wěn)定性要求的鋼管慣性矩為：Ig=4ql3KE現(xiàn)澆節(jié)段的頂板厚

18、度為HD，澆筑寬度為l3，澆筑長度為W2，設砼自重荷載均布荷載為q1，模板寬l3，模板長W2，設模板每延米均布荷載為q2，拱架每延米自重荷載為q3拱架的均布荷載q計算過程見下表。5) 橫梁模板支架設計6) 掛籃側模支架設計7) 掛腿設計掛腿荷載最不利情況出現(xiàn)在斜拉索張拉桿斷裂，產(chǎn)生沖擊荷載時。故掛腿的設計荷載按照懸臂節(jié)段并考慮沖擊系數(shù)的工況計算。RA=58qlKd；掛腿承受支點反力Kd=1+1+3ES2izt2m3l3G2；沖擊系數(shù)8) 止推器設計一般情況下：止推器的水平推力等于斜拉索的水平分力，邊索的索力最大，水平分力最大。故止推器設計抗力按照最大索力的水平分力計算。經(jīng)過試算確定，預埋鋼棒的直徑和深度收到鋼管外側砼局部壓應力的控制。故第一步利用砼抗壓強度確定預埋鋼棒直徑和深度，再驗算鋼管和鋼棒的接觸應力和鋼棒的抗剪強度。A、 鋼管外砼最大壓應力公式：ma