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          河北恒建机械设备有限公司

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          预制箱梁体系中吊篮结构预应力计算

          2021-04-01

              某高速公路工程项目全线采用高架桥设计,整桥采用先简支后连续结构体系,简支箱梁分成左右两幅单独预制。在简支变连续后浇筑带施工过程中,需要借助临时辅助设施,临时辅助设施主要由吊篮支架和下部吊篮二部分组成。在设计制造之前,应对施工过程中可能出现的荷载工况进行结构计算,为施工荷载控制和装置结构优化提供参考依据。

              吊篮支架装置主要由三角支架、吊杆及平台底梁三部分组成,考虑到箱梁外侧悬臂较长,且有外侧护栏预埋件的安装干扰,吊篮横桥向自后排支撑向外延伸达7.5  m,底部平台向里延伸达5.8  m,且施工作业位置距离地面高度达20 m,属于高空作业,施工期间安全性至关重要。材质采用Q235,底梁、横梁、立梁由双C14#构成,上部斜撑主要由C10#槽钢构成,吊杆由2C8#槽钢构成,吊杆区域斜撑、横撑由60 mmx60 mmx4 mm的矩形管构成,底部平台部分除部分采用C 12#槽钢外,其余由L40x4角钢构成,具体组装图见图1、图2。施工过程中荷载主要考虑结构自重、钢板重量、侧模板重量、人员荷载(人员荷载按500 k}计算)。

              盖梁二侧设置宽度1mx18m的挂篮,由卷扬机提升至梁底,并由6根扁担梁将二侧挂篮悬挂在盖梁上。扁担梁由C 12#槽钢构成,吊杆由C 10#槽钢构成,平台横向由LSOxS通长角钢构成,吊杆侧与护栏侧横撑由L40x5构成,斜撑由L30x4构成,具体尺寸见图3、图4,施工过程中施工荷载主要考虑结构自重、花纹钢板重量、人员荷载(人员荷载按500 k}计算),1个临时支座重量(按270 k}计算)。

          吊篮支架计算中,仅人员荷载位置具有不确定性。装置由吊车提升至后连续段,安装就位前底部平台远离竖向吊杆一侧处于悬臂状态,安装就位后悬臂端与盖梁进行固定,竖向位移受到约束[f31。故分别考虑以下最不利工况:人荷载集中于外侧竖杆;人员荷载集中于内侧竖杆;人员分布于平台中间;人员集中于平台悬臂端部。经计算,当荷载位于外侧吊杆时,最大应力148.2 MPa;荷载位于内侧吊杆处时,最大应力128.4 MPa;荷载位于平台中间时,最大应力117.1MPa。均小于Q235设计允许应力,故应力满足要求[[4]
              在底部平台悬臂端未固定约束前,当人员荷载集中于底部平台悬臂端部时,此时上部连接横梁应力较大,达到206 MPa,安全富余系数较小,其余杆件最大应力158.4 MPa,故此时应进行端部限载,考虑250 k}人员荷载,此时最大应力为159.1 MPa。故在施工过程中,人员从桥面沿竖向吊杆下到底部平台及在底部平台工作过程中,在悬臂端部与盖梁固定之前,底部平台荷载宜限制在250 k}较为安全。
              考虑悬臂端部与盖梁固定之后装置受力情况。当500 k}人员荷载位于外侧吊杆时,此时最大应力为106 MPa;当荷载位于内侧吊杆时,此时杆件最大应力为114.2 MPa;当荷载位于平台端部时,此时最大应力为120.4 MPa,应力均满足设计要求。

              底部平台悬臂端未固定约束前,人员荷载位于悬臂最端部时挠度变形最大,此时最大挠度为45mm,挠跨比45 mm/5 600 mm=1/124,超出规范要求;当进行限载250 k}时,最大挠度24 mm,挠跨比28 mm/5 600 mm=1/233,满足允许要求。底部平台悬臂端部与盖梁约束固定后,儿种施工荷载组合下结构最大挠度变形12 mm,挠跨比12 mm/5 600mm=1/466,此时满足规范允许要求。

              为确保施工过程中吊篮支架装置不发生整体性失稳,需对其进行抗倾覆计算。本装置可以以后排支撑是否发生拉力为判断倾覆的标准。当荷载集中于外侧吊杆时,此时后排单个支撑最大反力为-2.8 kN,且为拉力。前排单个支撑反力为5.3 kN,为压力。此时装置发生整体失稳。考虑在后排支腿所在的平台增加混凝土配重块。当混凝土块重量为1.5 t时,后排支撑开始以压力为主;当混凝土块重量为2.5 t时,此时后排单个支撑压力为2.1 kN,前排单个支撑压力为28.9 kN,此时装置整体抗倾覆满足安全性要求。同时,可以考虑装置的后排支撑与下方箱梁的吊装孔之间利用锚固螺栓连接,在施工中起到安全防护作用。

              下部吊篮结构计算时,仅人员荷载和1个临时支座荷载位置具有不确定性,分别考虑以下不利工况:荷载均位于平台中部护栏一侧;荷载均位于平台中部吊杆一侧;墩身二侧吊篮荷载不对称(单边空载,单边满载);荷载集中于横向悬臂端护栏一侧;荷载位于横向悬臂端吊杆一侧。

              考虑荷载集中于横向悬臂端外侧时,竖杆和扁担梁最大应力为116 MPa,满足规范要求,但与竖向吊杆连接的悬臂端杆件有应力集中现象,最大应力达到232 MPa,与Q235允许应力较为接近。最大挠度21 mm,挠跨比21 mm/1 000 mm=1/48,超出了规范值1/200,故需要改变结构体系或进行局部加强。结合工程实际情况,有二种方案可供选择:在不改变吊篮装置的情况下,考虑卷扬机继续带力工作;优化吊篮装置,考虑扁担梁外伸,增加吊杆与护栏一侧竖向连接。

              在不改变吊篮装置的情况下,考虑卷扬机继续带力,特别是护栏悬臂一侧。当人荷载和1个临时支座荷载集中于吊篮顺桥向外侧时,构件最大应力为125.2 MPa;当人荷载和1个临时支座荷载集中于吊篮顺桥向内侧时,构件最大应力为107.8 MPa;当荷载均位于悬臂一侧时,竖杆和扁担梁最大应力为98.1 MPa,但横向悬臂外侧杆件应力集中现象明显,最大应力达到261 MPa, 'r}过Q235允许应力,故应进行加强或横向悬臂端限载。验算横向悬臂一侧400 k}重量,当荷载位于外侧时,此时构件最大应力为145.8 MPa,当荷载集中于内侧时,构件最大应力128.4 MPa}

              本装置可以以支撑处反力是否出现拉应力为结构是否发生侧翻失稳的判断标准。考虑墩身二侧吊篮荷载不对称(单边空载、单边满载)情况,当荷载位于平台端部横向一侧时,最大反力为12.5 kN,最小反力1.95 kN,均为压应力;荷载位于平台中部时,最大反力为5.67 kN,最小反力1.92 kN,均为压应力。故墩身二侧吊篮荷载不对称时,结构稳定性满足要求。

              考虑到装置应力和变形较大,主要是由于结构体系不合理,即底部1 m平台宽度较宽,悬臂较长导致,故改变结构体系,让6根扁担梁外伸1 m,再利用竖杆与外侧护栏连接。经计算,荷载集中于护栏外侧时,构件最大应力95.2 MPa;荷载集中于吊杆内侧时,构件最大应力98.6 MPa;荷载均布于吊杆、护栏之间时,构件最大应力为84.2 MPa;荷载位于吊篮横向悬臂端部时,构件最大应力115.5 MPa;单边荷载位于吊篮横向悬臂一侧(墩身二侧荷载呈反对称布设)时,构件最大应力104.5 MPa。均小于Q235设计值220 MPa,应力满足规范要求。同时,各工况下构件最大挠度13.2 mm,出现在荷载集中于吊篮底部横向悬臂端部时,最大挠跨比13.2 mm/2900 mm=1/220,满足规范要求。

              同时考虑墩身二侧吊篮荷载不对称情况(单边空载、单边满载),分别按工况6(荷载位于单边外侧)、工况7:(荷载位于单边内侧),工况8(随机荷载位于横向一侧),分别进行验算。计算结构最大应力114.5 MPa,小于设计值215 MPa;扁担梁支撑反力均为压应力,最大为19 kN,最小为1.75 kN,说明扁担梁二侧未出现脱空现象,整体抗倾覆满足要求。儿种工况下构件最大挠度14 mm,最大挠跨比14    对于吊篮支架结构,在底部平台悬臂端未与盖梁固定约束之前,应进行端部限载,最大人员荷载宜控制在250 k}范围内;后排支撑处应增加混凝土配重块以防止装置倾覆,配重块重量宜不小于2.5 t}底部平台悬臂端与盖梁固定约束后,应力、变形均在规范允许范围内,满足安全性要求。
              对于下部吊篮结构,为防止吊篮外侧变形过大,可以采用卷扬机继续带力工作或扁担梁外伸,改变装置结构体系。利用卷扬机带力工作,吊篮装置横向一侧端部应进行限载,最大不超过400 k}为宜。
              同时,在实际施工操作过程中,应严格控制荷载大小,禁止超载,并定期对装置进行安全性检查。如需增加荷载,应进行重新验算后方可实施。

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