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懸臂翼緣板二次澆筑施工鋼吊架結構安全性分析

文檔作者：俞冬曲寶文孫曉軍程海根文檔來源： 1．華東交通大學土木建筑學院 2．中鐵十六局集團第三工程有限公司，		點擊數：	更新時間： 2025年04月13日
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2016年 2月第 7卷 第 1期高 速 鐵 路 技 術HIGH SPEED RAILWAY TECHNOLOGYNo．1．Vo1．7Feb．2016文章編號 ：1674--8247(2016)01--oO10__o5懸臂 翼緣板二次澆筑施 工鋼 吊架結構 安全性分析俞 冬 曲寶文 孫曉軍 程 海根(1．華東交通大學土木建筑學院， 江西 南昌330013；2．中鐵十六局集團第三工程有限公司， 浙江 湖州 313000)摘 要：根據橋梁實際施工需要，懸臂翼緣板的二次澆筑施工具有普遍性，其鋼吊架具有較廣的適用性和較高的經濟性 ，同時也使橋梁施工過程受力更加合理且快速簡便 ，故該施工技術在橋梁施工中得 以廣泛應用。文章以某在建鐵路工程為背景，總結了采用鋼吊架進行翼緣板懸臂澆筑施工的工藝及使用安全事項。首先對鋼吊架上部傳遞下來的荷載進行了分析，探討了該結構的靜力荷載工況。然后對其各個主要構件利用有限元分析軟件建立吊架整體結構模型。根據鋼吊架合理設置的邊界條件，驗算其強度與撓度等安全性能，對吊架的吊桿位置進行了對 比分析。計算結果表明：吊桿位置越靠近已澆筑懸臂翼板端部 ，吊架的受力更合理，為推廣使用此類鋼吊架提供了參考依據。關鍵詞 ：懸臂澆 筑 ；鋼 吊架 ；強度 ；撓 度 ；安全性中圖分類號 ：TU378．1 文獻標志碼 ：AAnalysis on Structural Safety of Steel Hanger for SecondaryCasting of Cantilever FlangeYU Dong QU Baowen SUN Xiaojun CHENG Haigen。(1．School of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China；2．Third Engineering Company of China Railway 16th Bureau Group Co．，Ltd．，Huzhou 313000，China)Abstract：According to the needs of bridge construction，cantilever flange secondary casting is universa1．For wider印 -plicability and higher economy，steel hanger is used widely in cantilever flange secondary casting，as well as it makesthe bridge stress more reasonable and the construction more rapid and simple．Based on a project under construction，thispaper summarizes the construction technology and safety notes of steel hanger using in flange plate cantilever casting．First，the load on the upper part of the steel hanger is analyzed，and static load conditions of the steel hanger are discussed．Then every major component model of steel hanger is established a hanger overall structure model by finite ele—ment analysis software． Steel hanger is set reasonable boundary conditions by the results which are previously analyzedand calculated．After that its strength，deflection and safety performance are checked．And the paper makes contrastiveanalysis on the parameters of location of the booms．The result showed that the closer the location of the booms is to theend of casted cantilever flange，the more reasonable the stress of the hanger is，which provides some reference for usingthis kind of steel hanger safely in the future．Key words：cantilever casting；steel hanger；strength；deflection；safety收稿 日期 ：2015—11-02作者 簡介：俞冬 (1989-)，男 ，在讀碩士研究生 。基金項 目：國家 自然科 學基 金資 助項 目(51368018)，國家 自然科學 基金資助項 目(51468019)1 引言隨著世界經濟的快速發展和建筑工藝水平 的不斷提高 ，鋼結構也越來越廣泛地應 用到各種類型 的工程建筑中 ¨，施工 單位 在采用 橋梁施 工 臨時支 架體 系中，更傾 向于采用鋼結構 。由于鋼材具有相對輕質高學兔兔 www.xuetutu.com第 1期 俞 冬 ，等：懸臂翼緣板二次澆筑施工鋼吊架結構安全性分析 2016年 2月強 、易于加工組裝和彈塑性好等優點 ，鋼支架體系不但能夠保證結構受力安全 ，而且拆除后利用率很高 ，節省資源 ，符合當前發展方 向。本文 以在建鐵路工程為實例，論述鋼結構 吊架在懸臂翼緣二次澆筑施工 中的使用 。懸臂澆筑施工是橋梁上部結構施工 的重要環節 ，在施工現場環境下，從結構安全到人員安全 ，都不能忽視施工 吊架 的安全性。其結構安全性要從 吊架 的強度 、錨固和變形等方面著手解決，合理地運用鋼吊架懸臂施工技術能有效縮短施工工期 ，提升橋梁整體施工質量 。2 工程概況該工程是一座在建鐵路橋 ，圖 1為該橋采用懸澆橋面板的模板及支架系統，主梁為聲屏障 T梁。該橋面寬度有 2種 ，分別為標準段橋面和加寬段橋面。其中標準段橋面寬 7．7 m，加寬段橋面寬 9．2 m。圖2為聲屏障 T梁現澆橋面鋼吊架平面布置 圖，該工程在確定主橋施工方法時，根據設計要求及施工現場的環境和設備等各種因素綜合分析考慮 ，最后選擇用鋼吊架進行翼緣二次懸臂澆筑施工方法。該橋主梁分別是預制邊梁和現澆橋面板 ，主梁使用材料為 C50纖維混凝土。施工中要求在 預制邊梁上留有泄水孔和預留孔 ，這些孔道可為安裝鋼吊架的吊桿提供條件。現澆橋面板在安裝好吊架后按設計要求進行澆筑 。此技術具有安裝簡便 ，施工安全 ，成本較低等特點 ]。圖 1 T梁懸澆橋面板模板 系統 (mm)Z 珥UU鋼 吊梁 ! 一 ●＼ 聲屏障基礎 —— 廣 ——． ． ． ． ¨ ·· II · ．一 ’． ． 。 ＼．' 2O0o 2 o0O 一 拯 觸 9立 ／ ——● -．●●●泄水孔／ 預留孔／ > 《 ， 巾 巾 ‘ ' 西 梁 5oQ；50oi500 0Qi 縫中4：0o0 2 3oo l二fT粱腹板中心線 ／ 績．● 。●_。●●● ·： ． … 。 ．‘ t圖 2 聲屏 障 T梁現澆橋面鋼 吊架布置圖 (mm)3 鋼 吊架的設計鋼吊架現澆部分采用 20 mm厚的竹膠板作為底模面板，底模面板下面鋪設若干根(90×50 X 2)mm矩形方管作為承力骨架 以增加模板 的剛度 ，其 中標準段處鋪設 6根，加寬段處鋪設 9根。方管 的橫 向排列間距均為 27．5 cm。矩形方管下設雙拼[5作為分配梁，其間距與吊架間距是相 同的。雙拼 [5分配梁通過調節螺桿將施工荷載傳遞到其下方的鋼吊架上 。鋼 吊架材料為 Q235鋼材 ，采用桁架結構 ，它在 中間標準段和端部加寬段的間距為 2 m和 1 m。但通過計算 ，在加寬段處鋼吊架承擔 的應力超過鋼材屈服強度 ，故需將加寬段處的鋼 吊桿間距調整為 0．5 m以滿足強度要求。鋼吊架通過吊桿和支腿將上部傳遞過來的荷載再傳遞到已經架設的預制 T梁上面。現澆橋面板鋼 吊架布置的距離根據是否有接觸網采用不同布置形式 ，其中有接觸網立柱一側為加寬段 ，其荷載也是最大的。無接觸網基礎位置的鋼 吊架距離是 4 m，而在接觸網基礎所在位置 的梁端 2．4 m范 圍內的鋼吊架距離是 2．3 m。4 鋼 吊架驗算鋼吊架 的結構驗算可 以從 吊架的強度 和撓度 、吊桿的強度等幾方面展開。如前所述 ，現澆橋面板無加寬位置處 吊架間距 為 2 m，而梁端加 寬位置處 吊架 間學兔兔 www.xuetutu.com第 1期 俞 冬 ，等：懸臂翼緣板二次澆筑施工鋼吊架結構安全性分析 2016年 2月距 由最初 l 1TI變 為 0．5 m。現澆橋 面板 上荷 載通過20 mm厚竹膠板傳遞到(90×50×2)mm方管上 ，再通過雙拼[5分配梁傳遞到鋼吊架上，最后 由吊桿和扁擔梁將荷載傳遞到已經架設的預制梁上 ，其構造如 圖 3、圖 4所示 。】19 350 … 261 … ’ 360 74．160… 600 … 600 … 160… 316 ．墨 ' I l’ 1 L] - J AB( DEFG 寸 廣＼＼ II l／l I＼、 ，，l l、、 ／ ，／l l I j I卜 l＼ ／ r ，／ 1 l ，／． ∥ ． ／ ，／l7l2 33l 581 600 012 325圖 3 現澆聲屏障基礎與 人行道 中間標 準段 吊架結構圖 (mm)j19．350 261 360 … ．74一 185 ． 650 650 185 265一’ 1=h _L 一 _-—— AJ3 CDE FC 、Ll I● ● r I 工 工 I—l_]f 1．、c＼、 j r，_ 1 ／， 、 ，／ ＼ ，／ I／1612 331 l 631 650 650 [26l． 3 000圖 4 現澆聲屏 障基 礎與人行道端部加寬段 吊架結構 圖(mm)由于鋼吊架上的荷載是 由竹膠板和板下的方管加勁梁傳遞過來的，所 以首先要對竹膠板和加勁梁進行驗算 ，只有當這兩者 的強度滿足要求才能計算鋼 吊架的安全 。根據相關資料 ，選 取 了材料及荷載 的相關參數。其 中混凝土 自重取 26 kN／m ；鋼模板系統 自重取0．75 kN／m ；方木 自重取 3．9 kN／m ；20 mm厚的竹膠板 自重取 0．16 kN／m ；鋼材 自重取 78．5 kN／m ；施工人員機 具 等活 載 2．5 kN／m (計 算模 板下 加勁 梁 時用 )，其他情況下用 1．5 kN／m ；傾 倒混凝土產生的活載取 2 kN／m ；振搗混凝土產生的活載取 2 kN／m 。另外在驗算強度時恒載分項 系數取 1．2，活載分項 系數取 1．4，采用承載能力極 限狀態設計方法計算 ；驗算撓度時恒 、活載的分項系數均取 1．0，采用正常使用極限狀態設計方法計算 J。4．1 竹膠板與方管加勁梁的驗算本文作用于竹膠板 的荷載可分恒載與活載兩類 ，計算取代表寬度為 100 mm的竹膠板。利用相關參數與公式得到不同混凝土厚度處的荷載值在標準段與加寬段上是相同的。其計算結果如表 1所示 。表 1 不 同板厚作用荷載值板,l~／mm 荷載作用設計值／(kN／m) 荷載作用標準值／(kN／m)70 1．14 0．84470 2．39 1．88260 1．74 1．34210 1．58 1．2l標準段與加寬段 的竹膠板都是以間距 27．5 cm的方管加勁梁為支撐點 ，按連續梁計算 內力。該類型竹膠板是 A類 65型 的，它的允許正應力 和切應力 分別是 65 MPa和 1．25 MPa，最大 撓度 為 [f]=L／400=0．687 5 mm，且小于 1．5 mm。通過計算得到 2種情況下的 竹 膠 板 最 大 正 應 力 和 切 應 力 是 5．1 MPa和0．5 MPa，最大撓度是 0．223 mm，故竹膠板的強度與撓度滿足要求 。方管加勁梁的尺寸為(90×50×2)mm，其主要承擔 自重與竹膠板傳遞過來的荷載。標準段下面的 6根加勁梁承擔的荷載均不 同，其 中立柱下面一根承擔 的荷載是最大的。同理 ，在加寬段下面有 9根承受不 同荷載的加勁梁 ，其 中有 2根在立柱下面 ，承擔的荷載也是相對較大的。這些加勁梁均支撐在雙拼 [5的分 配學兔兔 www.xuetutu.com第 1期 俞 冬 ，等：懸臂翼緣板二次澆筑施工鋼吊架結構安全性分析 2016年 2月梁上，計算內力時按連續梁情況計算。但要注意的是它們在有聲屏障基礎位置和無聲屏障基礎位置分別承受的是 2種不同均布荷載作用 。根據規范要求 ，該方管加勁梁允許正應力[ ]=140 MPa，允許切應力[ ]=85 MPa，允許撓度 [力 =L／400_5 J。計算得到標準段和加寬段加勁梁 的最大正應力 為 124 MPa，最大剪應力為 19．2 MPa，標準段的最大撓度 2．1 mm，加寬段的最大撓度 0．4 mm，所以該種方管加勁梁的強度和撓度均已達到設計要求。4．2 鋼 吊架的計算模型運用 Midas Civil建立鋼 吊架 的有限元模型 ，標準段的模型共 35個節點和 43個單元，加寬段 的模型共44個節點和 55個單元 ，除 吊桿的單元類 型是桁 架單元外 ，其余均 為梁單元。整個 吊架采用 的是 Q235鋼材。為突出重點 ，沒有對竹膠板和方管加勁梁進行模擬 ，而是通過設置合理的邊界條件和等效 的靜力荷載來加以代替 。靜力荷載要考慮鋼結構的 自重 以及鋼結構上部傳遞過來的荷 載。邊界條件 的模擬 ，通過模 型激活 、鈍化 來 實 現 J。鋼 吊架 的 模 型 如 圖 5、圖 6所示 。圖 5 標 準段鋼 吊架結構模 型圖 6 加 寬段鋼 吊架結構模 型5 吊桿的設計方案鋼吊架在安裝時必須考慮 自重以及安裝完成后產生的位移 ，確保施工的安全【 。本文 中鋼 吊架采用的是 Q235鋼材，吊桿使用 PSB785、西32 mm的精軋螺紋鋼。現澆橋面板產生的重量和鋼吊架的自重最終通過吊桿傳遞到已經架設 的預制梁上。鋼吊架 的整體結構保持不變 ，而吊桿 的設計變得較為關鍵 。從模型 中可以發現 ，吊桿在鋼吊架位置 的上弦桿需用槽鋼加 固并且焊接 ，該設計方案 中使用的是 [36a槽鋼 。另外 ，吊桿的位置也是至關重要的，它在不同的位置，鋼 吊架的穩定性就有所不 同。吊桿在上弦桿有一定 的范圍 ，超出這個范圍 ，該鋼 吊架 的結構就會 被破壞 ，吊桿 也會斷裂。文中標準段和加寬段的鋼吊架在其上弦桿處各選取了 7個不同位置。從圖 5、圖 6中可以看到 ，吊桿作用點范圍只是在被加 固的弦桿上 ，而被加 固的這根 弦桿長度為 410 mm。根據實際情況 ，這 7個位置從距左端 100 mm開始 ，每隔 25 mm選取 1個點 ，各個位置從左往右按 A～G依次標記 ，其位置在 圖 3、圖 4中已標注。由圖2可知 ，吊桿位置 和泄水孔與預留孔息息相關 ，改變 吊桿位置也意味著要改變泄水孔與預 留孔 在梁上的位 置。把 上述 吊桿設 計方 案列舉 如表 2、表 3所示 。表 2 標準段上吊桿的設計方案 (mm)位 置 吊桿在加固弦桿上的各個位 置A l B I C l D l E f F 】G吊桿到加固弦桿左端距離 100 I 125 I l5o l 175 I 200 I 225 I 250預留孔到梁上翼緣端距離 1 6oo]1 62511 65011 67511 70011 725『1 750表 3 加寬段上 吊桿的設計方案 (1nln)位置 吊桿在加固弦桿上的各個位 置A I B『C f D I E I F l G吊桿到加固弦桿左端距離 100 l l25 I 150 I l75 l 200 I 225『250預留孔到梁上翼緣端距離 2 350]2 37512 400]2 425[2 45012 475I 2 5006 邊界條件及計算結果分析6．1 邊界條件和靜力荷載工況標準段上的各個加勁梁對鋼 吊架 的作用荷載基本一 致 ，通過前面計算選取最大荷 載位置處 的一組力 。從翼緣端開始 ，它們設計值依次是 3．3O kN、12．79 kN、9．43 kN、9．14 kN、10．96 kN、4．09 kN。同理在加 寬段鋼 吊架上也選取最大荷載位置處 的一組力 。從翼緣端開始，它 們 的設 計 值依 次 是 1．32 kN、14．15 kN、9．09 kN、4．93 kN、4．49 kN、3．50 kN、3．17 kN、4．01 kN、1．74 kN。但在加寬段上增加 了鋼 吊架 ，間距變為原來的一半 ，所以荷載設計值也變成原來的一半 。計算時，需同時考慮鋼吊架 自重和靜力荷載。6．2 計算結果與分析由于鋼 吊架使用 Q235鋼材 ，其 容許彎 曲強度 值[ ]=140 MPa，容許剪應力 [下]：85 MPa 。容許撓度值是參照懸臂梁結構用 ／,／250 mm來計算 ，標 準段最大撓度是 7．52 mm，加 寬段最大撓度是 10．44 mm。而吊桿使用的 PSB785、直徑 32 mm 的精軋螺紋鋼 ，當安全系數大于 2．0時即可。學兔兔 www.xuetutu.com第 1期 俞 冬 ，等：懸臂翼緣板二次澆筑施工鋼吊架結構安全性分析 2016年 2月表 4 標準段上鋼 吊架與 吊桿的計算結果計算項 目 吊桿在加固弦桿上的各個位置A B C D E F G鋼 吊架 ／MPa l12．3 1l7．1 125．8 133．2 142．8 152．8 162．6鋼 吊架 '／'max／MPa 2O．8 19．2 17．7 l6．3 l5．0 l3．6 12．3鋼 吊架撓 度 ／mm 6．22 6．02 5．85 5．19 5．O5 5．40 5．26吊桿 ／MPa 154．6 149．8 145．4 141．3 137．3 133．2 129．7吊桿安全系數 n 5．08 5．24 5．40 5．56 5．72 5．89 6．O5表 5 加寬段上鋼 吊架 與吊桿的計算結果計算項 目 吊桿在 加固弦桿上 的各個位 置A B C D E F G鋼 吊架 or ／MPa 106．5 ll2．2 l17．9 124．1 13O．3 136．7 143．3鋼 吊架 "／'max／MPa 17．O 15．8 14．6 13．4 12．3 11．3 10．3鋼吊架撓度廠m ／mm 7．52 7．36 7．22 7．1O 6．98 6．88 6．77吊桿 ／MPa 114．4 l1O．3 1o6．4 102．8 99．4 96．2 93．2吊桿 安全系數 n 6．86 7．12 7．38 7．64 7．90 8．16 8．42從表 4、表 5可以看出，當吊桿的位置越靠近懸臂端 ，鋼 吊架的彎曲強度越大 ，最大剪應力值越小。在標準段上 ，只有 吊桿在 A—D處 ，彎 曲強度才滿 足要求 。在加寬段上 ，當 吊桿在 A～F處 ，彎 曲強度 也滿足要求。而 它 們 在 A 點 的剪 力 值 均 為 最 大 ，分 別 為20．8 MPa、17．0 MPa，滿 足設計要 求。鋼 吊架 的最 大撓度值出現在它的懸臂端 ，當吊桿在 A點 ，即離懸 臂端最遠時 ，它的值 是最大 的。它在標準段和加寬段上的值分別為 6．22 mm和 7．52 mm，均小于它們 的容許撓度 值 。吊桿使用的是精軋螺紋鋼 ，由它的強度等級代號可知其屈服強度標準值為 785 MPa。如表 4、表 5中所示 ，吊桿越遠離懸臂端 ，其拉應力越大 。但即使 吊桿在A點時 ，其最大拉應力仍然小于屈服強度值 ，且 吊桿安全系數都大于 2．0，所 以可以認 為吊桿在 以上 7個位置均可 。綜上分析 ，吊桿 的位置選擇應該要 同時滿足 以上條件 ，并且要兼顧到施工便捷和美觀等因素 ，最終把標準段和加寬段吊桿在上弦桿的位置都確定在 D點處。因為這樣既能最大限度保證結構 的安全穩定性 ，同時又能使梁上的泄水孔或預留孔保持在一條直線上 ，使施工更加快速方便。7 結束語翼緣板懸臂澆筑施工是常見的施工方法 ，因此 ，鋼吊架的使用也是極為普遍 的。它不需要架設支架和不使用大型吊機 ，較其他方法 ，具有結構輕 、拼制簡單方便 、無壓重等優點E9]。本文鋼 吊架 的結構安全性和 吊桿所在的位置息息相關 ，根據所用材料強度 、撓度的臨界值等 ，吊桿在鋼 吊架上的位置是有安全范 圍的。該范圍和泄水孔或預 留孔在結構設計 中必須預先考慮 ，從而使設計與施工相統一 ，進而達到適用 、安全 、美 觀的目的。本文設計方案可為今后懸臂翼緣板二次澆筑吊架施工方法提供參考。參考文獻[1] 劉長銀 ．輕 型吊架安裝懸挑鋼梁施工技術 [J]．施工技術 ，2013，42(20)：58—61．Liu Changyin．Construction of the Light Hanger Installing CantileverSteel 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