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挂篮的有限元分析与试验研究

发布于:2017-01-06 21:38
有限元分析

      挂篮悬臂浇注施工法是大跨径桥梁施工的一种重要方法。为了保证在桥梁施工过程中的安全,验证关键构件特别是主纵梁的变形和受力情况是否与设计理论计算值一致,同时能够消除非弹性变形,为施工监控确定合理预拱度数值,因此,在挂篮设备投入使用前必须进行有限元分析和实际荷载试验。
      本研究以蒙山大道访河大桥施工为例,对大桥施工过程中采用的贝雷式挂篮进行有限元分析和荷载试验。大桥采用五跨异形拱连续梁结构,跨径布置采用双向六车道,设置有非机动车道和人行道。主桥顶板宽34 m,底板宽24 m,上部结构主要由钢拱肋、预应力混凝土箱梁及柔性吊杆组成,预应力混凝土箱梁采用单箱四室断面,跨中梁高3m,腹板厚45 cm,顶板厚26 cm,底板厚25cm,V形墩墩顶处梁高6 m,腹板厚80,顶板厚26 cm,底板厚80,边墩墩顶处梁高5.5 m,腹板厚60 cm,顶板厚26 cm,底板厚60 cm。主梁梁底缘曲线均为二次抛物线变化。
      通过对国内外现有挂篮的施工特点,操作工艺和经济性等进行分析和比较,结合本桥的具体情况进行比选,决定采用国内储量较大的贝雷片作为挂篮的主要受力构件。
      挂篮以贝雷梁为主体结构,配以横向连接系杆件组拼而成。挂篮自重约132 t,挂篮走行及悬臂灌筑抗倾覆稳定系数k>2,内模采用高强度覆膜木板,侧模采用组合型的钢模,设计最大浇注段440 t,设计最大浇注长度3.625 m。
      为使有限元模型计算结果能够反映结构的实际受力情况,在建模时,对结构进行如下简化:贝雷片组装而成的主析是主要受力构件,计算模型中主要对它进行了简化和分析,由于在浇注混凝土前,主析的后锚固点均使用千斤顶进行了预紧,因此把后锚固位置简化为铰接,上、下弦杆与加强弦杆之间采用了螺栓连接,螺栓被施以较大的预紧力,故将螺栓连接简化为半刚性连接,贝雷析架之间通过上下弦杆两端部阴阳头用锥销连接起来,建模时将连接处看作铰接,处理方法是将同一位置的两个节点的三个位置自由度耦合起来,杆件间的连接处理为刚性连接,不考虑焊缝处材料特性发生的变化。
      在建立有限元模型时,使用了梁单元,仅仅考虑了主梁的受力,没有考虑吊杆等,把加载的力等效成集中力,加到前上横梁的吊杆作用的位置上。检验挂篮系统各构件,尤其是主受力结构的制作安装质量,重点是检查焊缝的质量情况。检验设计理论,通过压载试验,验证实际受力模式是否与设计理论计算模式吻合。验证关键点的受力情况,如前后吊点,前后横梁,主纵梁的实际受力值是否与设计理论计算的数值一致,是否在设计规定的偏差范围内。消除非弹性变形。通过适量的超载预压,达到消除非弹性变形的目的。正确确定预拱度。通过分级压载试验,分析得出各系统结构的弹性变形数据、非弹性变形数据,为模板系统、前横梁设置正确的预抛值,确保大桥成桥后主梁线形流畅美观。通过试验可以取得各种数据,为以后改进、优化挂篮设计提供依据,检验后锚钢筋是否满足强度要求。
      以挂篮在施工过程中所承受的最大荷载(1号块节段)作为控制荷载,新桥1号块重约380 t,利用沙袋加载时的最大荷载为420 t,约为1号块的1.1倍。同时考虑了模板、混凝土、工作平台、施工机具等其他荷载。利用0号块上的锚固钢筋锚固挂篮,支模板,在底模板内填充沙袋进行分级加载试验。根据结构试验的规程,结合施工过程中节段混凝土的浇筑工序,按以下程序进行加载:100 t-220 t- 320 t-420 t。
      试验布置10个挠度观测点,点1~点5位于前上横梁与主梁的吊带锚固点的附近,点6一点10位于底模板的前下横梁附近。测点挠度采用DS 3200型精密水准仪观测,挂篮的挠度值主要考虑点6~点10,因为点6~点10为挂篮吊杆下缘点,一般变形最大。施工过程中浇筑各节段挂篮的挠度,可以采用挂篮静载试验的数据进行线性插值得到,同时通过各节段混凝土浇筑后的挠度观测进行比较。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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