牵索挂篮止推结构数值分析及构造优化

牵索挂篮止推结构数值分析及构造优化

司传波

中交路桥华南工程有限公司，广东中山  528400

摘  要：止推机构作为牵索挂篮重要构件，主要承受挂篮施工中斜拉索的水平分力，其重要性不言而喻。以银洲湖特大桥边跨主梁施工为例，根据银洲湖特大桥牵索挂篮止推机构设计图纸，建立止推机构三维模型，并根据止推机构的实际工况，计算止推器所受的最大推力。对止推机构主要构件进行应力分布规律的数值计算。分析结果表明：止推机构结构合理，能够满足规范要求；止推机构与混凝土接触处局部应力过大；通过结构设计优化，解决了局部应力过大问题，为后续类似工程设计提供参考。

关键字：斜拉桥；牵索挂篮；止推机构；优化分析

1 概述

牵索挂篮是大跨度斜拉桥悬臂现浇施工过程中的主要施工构造，通常由承重系统、牵索系统、模板系统、走行系统、定位锚固系统等几大部分组成，牵索挂篮以其良好的可控性、灵活性、可调性和极高的精度和可靠的质量，在现代斜拉桥施工过程中应用广泛。由于其在施工中的重要性，牵索挂篮的应用和发展一直受到关注。

挂篮安装已形成桥面拼装以及地面拼装、横向滑移、对称平衡提升等工艺[1]；挂篮类型已形成上行式、下行式两种牵索挂篮类型[2]，还形成了后支点挂篮和牵索挂篮结合的复核型挂篮[3]；挂篮构造已能适应不同宽度的桥梁[4]，以及利用牵索挂篮上部设置顶桁架走行系统取代传统中支点"C"形挂钩走行系统[5]；数值计算等方法也在挂篮的设计和试验中得到应用[6-9]。

近年来，随着交通网逐步密集完善，以往选择路线线路绕开的地质条件复杂地区也都开始大规模修建高标准的公路和铁路，特别是恶劣地质条件下的超大跨度斜拉桥正在大批涌现。这就对斜拉桥牵索挂篮提出更高的要求，在满足整体受力安全和变形控制的前提下，应避免局部关键部位如弧形首、挂腿、止推机构等出现破坏，导致施工中断的情况时有发生。

从现有研究来看，对于牵索挂篮的总体构造、拼装工艺等研究较多，但对于细部关键构造，如止推机构关注较少。

银洲湖特大桥是粤港澳大湾区中山至开平高速公路的控制性节点工程，全长906m,采用双塔双索面混合式结合梁斜拉桥，半漂浮体系，跨径组合为(56.8+131.2+530+131.2+56.8)m（图1）；主梁中跨采用PK断面组合梁，边跨为混凝土箱梁，外侧为钢结构风嘴与中跨组合梁风嘴对接，主跨和边跨采用双悬臂法施工，其中边跨主梁采用牵索挂篮悬臂浇筑施工。

本文以银洲湖特大桥边跨主梁施工为例，详细分析牵索挂篮的止推机构在施工过程中应力分布规律，进而进行结构设计优化，可为类似结构的设计提供借鉴。

2 计算模型及荷载

2.1 计算模型

牵索挂篮中，止推结构一般通过多根螺栓或锚栓紧固在已浇块段箱梁底板，通过螺栓或锚栓与混凝土的摩擦作用提供一定的水平止推力，进而平衡拉索的水平分力等。

边跨砼梁现浇时，砼梁结构、挂篮荷载及止推机构受力以中分带为轴线左右两侧对称，并且止推机构仅对砼梁边腹板小范围产生影响，初步计算中考虑建立了砼梁一侧箱室范围的止推模型。

对止推机构进行三维建模，而后导入数值分析软件中。分析模型材料属性详见表1。

表1分析模型中材料属性

模型有限元网格划分：止推机构竖直方向投影范围内的砼箱梁网格密度划分尺寸为5cm以下，其余结构网格尺寸为10cm，

2.2计算荷载

边跨混凝土梁每个施工节段长度为7.2m，每个施工节段自重约7840kN，转换成均布荷载为1088kN/m。对边跨主梁施工过程进行工况模拟，最终计算止推机构受到最大推力为边跨节段B24梁段施工过程中的斜拉索二次张拉阶段，止推机构达到受力3170kN。

表2牵索挂篮主要构件受力值

3 计算结果分析

在牵索挂篮施工过程中，止推机构受到载荷作用后，止推机构与附近混凝土应力分土最大拉应力10kPa

分析结果表明：止推机构本体强度分析结果表明，止推机构本体承担的最大应力为176.4MPa。牵索挂篮浇筑混凝土时止推机构中的抗剪柱与混凝土材料直接接触，抗剪柱附近混凝土最大拉应力为5.5MPa，超过C55混凝土抗拉强度设计值1.96MPa，最大压应力23.4MPa，满足规范要求。止推机构附近混凝土拉应力超过规范标准，故需要考虑优化方案降低混凝土拉应力。

4 优化方案

由于原方案直接与混凝土接触，根据应力计算公式，最大受力值是确定的，需要扩大受力面积，从而减少接触面的应力值。故为扩大砼梁边腹板底部抗剪柱与混凝土接触面积，对抗剪柱使用垫圈，利用垫圈使应力逐渐过渡至混凝土截面。根据资料收集，可使用的垫圈分为两种：1.钢垫圈；2.橡胶垫圈。

4.1 钢垫圈优化方案结果分析

采用钢垫圈（表3）方案，使应力逐渐过渡至混凝土截面，并在混凝土预留孔附近增加环向加强钢筋，改善附近混凝土结构受力性能。

表3 钢垫圈材料性能表

图1 抗剪柱附近混凝土最大拉应力（10kPa）

图2 抗剪柱附近混凝土最大压应力（10kPa）

分析结果表明：增加钢垫圈能够有效降低混凝土的应力，其中最大拉应力值为3.23MPa，超过抗拉强度设计值，最大压应力值为6.84MPa，满足规范要求，则方案一仍不足以使混凝土梁的应力满足规范要求。

4.2 橡胶垫圈优化方案结果分析

采用橡胶垫圈方案，使应力逐渐过渡至混凝土截面，并在混凝土预留孔附近增加环向加强钢筋，改善附近混凝土结构受力性能。

表4 橡胶垫圈材料性能表

图3 抗剪柱附近混凝土最大拉应力（10kPa）

图4 抗剪柱附近混凝土最大压应力（10kPa）

结果显示：橡胶垫圈能够有效降低混凝土的应力，其中最大主拉应力值为1.48MPa，满足规范要求，最大主压应力值为-1.86MPa，满足规范要求。所以橡胶垫圈方案能够使混凝土梁的应力满足规范要求。

5 结语

（1）边跨混凝土梁挂篮现浇时止推机构会承受很大的水平荷载，直接使止推机构的抗剪柱与混凝土材料接触作用，容易使混凝土应力超出混凝土的抗拉强度设计值，计算结果显示混凝土的最大拉应力值为5.5MPa，需要采取优化方案优化混凝土的受力。

（2）经过优化方案对比，增加了5cm厚钢垫圈和橡胶垫圈，并在箱梁下抗剪柱预留孔附近增设环向加强钢筋，均能能够使混凝土的应力明显下降，但钢垫圈方案混凝土的最大拉应力仍不满足规范要求，混凝土梁最大拉应力值为3.23MPa。橡胶垫圈方案中混凝土梁的最大拉应力值为1.48MPa，满足规范要求。综合以上，采用橡胶垫圈的方案优化混凝土梁的受力，保证混凝土梁结构安全

（3）在边跨挂篮预压和悬浇过程中对止推机构受力较大，在施工过程中，对止推机构周边混凝土施工质量需严格要求，同时在进行牵索挂篮施工过程中，需附近的砼箱梁加强监测。

参考文献

[1]卢玉荣,王胤彪,马存骥等.海华大桥超宽前支点牵索挂篮安装关键技术[J]. 施工技术, 2018, 47(19): 111-115.

[2]孙宁宁,唐文喜.斜拉桥双边混凝土主梁+钢横梁组合结构下行式牵索挂篮施工技术[J]. 铁道建筑技术,2018, (08): 49-52,63.

[3]李建宁,徐兴伟,靳江海等.苏州长浒大桥复合式牵索挂篮结构设计与计算分析[J]. 铁道建筑技术,2019, (11): 56-60,78.

作者简介:司传波(1976.05-)，男，汉，山东菏泽，本科，学士，助理工程师，主要研究方向:桥梁施

工管理。