某軌道交通U 型梁架設(shè)施工過程力學(xué)行為分析

忽慧濤 范 偉 孫九春

(1．山東建筑大學(xué)，山東濟(jì)南 250101; 2．騰達(dá)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，上海 200000)

0 引言

城市軌道交通具有運(yùn)量大、速度快、安全、準(zhǔn)點(diǎn)、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源和用地等特點(diǎn)。新型梁體U型梁具有降噪效果好，建筑高度低，面空間利用率高等優(yōu)點(diǎn)，一般采用工廠化預(yù)制運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)安裝的方法施工。吊機(jī)吊裝或者龍門吊安裝施工成本很高，占用線下場(chǎng)地面積很大，因此施工人員對(duì)上部結(jié)構(gòu)U梁架設(shè)方法進(jìn)行了大膽地創(chuàng)新，采用架橋機(jī)梁上架梁方案，即“定點(diǎn)上梁，梁上運(yùn)梁，橋機(jī)架梁，自行轉(zhuǎn)跨”的方案。本文針對(duì)上海軌道交通中一簡(jiǎn)支梁體采用仿真分析方法對(duì)其進(jìn)行施工過程分析，了解運(yùn)架過程中已建梁體由于施工荷載作用引起的內(nèi)力變化，找出施工過程中的薄弱環(huán)節(jié)，使運(yùn)架施工進(jìn)一步的成熟，可作同類橋梁施工的參考。

1 工程背景

新建的上海某輕軌為U型梁簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)跨徑為25 m，30 m和35 m。U型梁為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于施工環(huán)境的影響，上部結(jié)構(gòu)U梁架設(shè)采用架橋機(jī)梁上架梁方案，即“定點(diǎn)上梁，梁上運(yùn)梁，橋機(jī)架梁，自行轉(zhuǎn)跨”的方案。在此施工方案下，運(yùn)梁車采用橫跨兩片U型梁的方式布置，即將一榀U型梁的重量橫向分散到兩榀U型梁上，在縱橋向上每側(cè)設(shè)置了8個(gè)輪子，從而大大降低輪壓對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。針對(duì)梁上運(yùn)梁的施工過程中的最不利的荷載位置，對(duì)已建U型梁進(jìn)行以下的分析。

2 計(jì)算模型

該U型梁采用先張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)跨徑為30 m，斷面采用U型布置，梁高為1．8 m，總寬為5．4 m，內(nèi)側(cè)凈寬為3．103 m，主梁(腹板)呈傾斜弧線布置，厚為0．25 m，道床板厚為0．25 m，道床板與主梁內(nèi)側(cè)倒角為0．45 m ×0．2 m。

針對(duì)該梁體的構(gòu)造及受力特點(diǎn)，采用橋梁專用有限元軟件Midas/Civil建立U型梁的三維有限元模型，建模方法如下:采用2節(jié)點(diǎn)空間梁?jiǎn)卧卧Ｐ?，?0個(gè)單元，共配預(yù)應(yīng)力鋼束84束，采用剛性連接和彈性連接模擬雙支座，為了使模型簡(jiǎn)化，將運(yùn)梁及架梁設(shè)備等效為荷載作用。按上述原則建立的有限元模型如圖1所示。

圖1 U型梁計(jì)算模型

3 U型梁運(yùn)架工藝流程及計(jì)算工況

完整的U型梁架設(shè)工藝包括提、運(yùn)、架三部分，即通過提梁機(jī)把U型梁安裝到運(yùn)梁小車上，由運(yùn)梁車把U型梁運(yùn)送到架橋機(jī)尾部，然后由架橋機(jī)架設(shè)。其中關(guān)鍵工藝為架梁，由架橋機(jī)過孔和架橋機(jī)運(yùn)梁組成(架設(shè)設(shè)備示意圖見圖2)。

圖2 運(yùn)架設(shè)備示意圖

根據(jù)U型梁的架設(shè)工藝流程，U型梁的力學(xué)行為分析分為以下13個(gè)計(jì)算工況:

1)計(jì)算工況一:后天車吊梁。2)計(jì)算工況二:天車同步吊梁縱移(直線段架設(shè))。3)計(jì)算工況三:天車同步吊梁縱移(曲線段架設(shè))。4)計(jì)算工況四:天車吊梁橫移落梁。5)計(jì)算工況五:運(yùn)梁車縱移。6)計(jì)算工況六:縱移前，架橋機(jī)由中支腿和運(yùn)梁車支承，中支腿和運(yùn)梁車不在同一跨U梁上，運(yùn)梁車所在的U梁分析。7)計(jì)算工況七:縱移前，架橋機(jī)由中支腿和運(yùn)梁車支承，中支腿和運(yùn)梁車不在同一跨U梁上，中支腿所在的U梁分析。8)計(jì)算工況八:縱移到位，中支腿和運(yùn)梁車在同一跨U梁上，前支腿支撐前。9)計(jì)算工況九:縱移到位，中支腿和運(yùn)梁車在同一跨U梁上，前支腿支撐后。10)計(jì)算工況十:后天車吊梁。11)計(jì)算工況十一:天車同步吊梁縱移(直線段架設(shè))。12)計(jì)算工況十二:天車同步吊梁縱移(曲線段架設(shè))。13)計(jì)算工況十三:天車吊梁橫移落梁。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

1)架設(shè)施工階段U型梁正截面強(qiáng)度分析。

各計(jì)算工況下，最不利荷載引起的正截面彎矩最大值見圖3。

圖3 各工況梁體各節(jié)點(diǎn)的彎矩最大值

結(jié)論:強(qiáng)度安全系數(shù)K最小值為16．6(不考慮二期恒載)，滿足規(guī)范要求。

2)架設(shè)施工階段U型梁正應(yīng)力分析。

各計(jì)算工況下，各截面混凝土最大壓應(yīng)力見圖4。

各計(jì)算工況下，各截面混凝土最大的拉應(yīng)力見圖5。

圖4 各計(jì)算工況下U型梁各節(jié)點(diǎn)混凝土的壓應(yīng)力最大值及壓力容許值（本圖擇取應(yīng)力較大的幾個(gè)工況）

圖5 各計(jì)算工況下U型梁各節(jié)點(diǎn)混凝土的拉應(yīng)力最大值及拉力容許值（本圖擇取應(yīng)力較大的幾個(gè)工況）

結(jié)論:各計(jì)算工況中，混凝土拉應(yīng)力最大值為0．839 MPa≤0．5 ×1．96=0．98 MPa，滿足規(guī)范要求。

3)架設(shè)施工階段受拉區(qū)鋼筋拉應(yīng)力驗(yàn)算分析。

經(jīng)計(jì)算可知，架設(shè)施工階段，扣除短期預(yù)應(yīng)力損失后的預(yù)應(yīng)力鋼筋的有效預(yù)應(yīng)力小于預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉控制應(yīng)力容許值，滿足規(guī)范要求。

4)架設(shè)施工階段混凝土下邊緣拉應(yīng)力控制。

各計(jì)算工況下，各截面混凝土下邊緣拉應(yīng)力見圖6。

圖6 各截面混凝土下邊緣拉應(yīng)力

結(jié)論:混凝土下邊緣最大的拉應(yīng)力為0．839 MPa，相對(duì)于C55混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1．96 MPa，仍有大于50%的應(yīng)力儲(chǔ)備。

5)架設(shè)施工階段豎向撓度控制。

架設(shè)施工階段，各計(jì)算工況下U型梁產(chǎn)生的最大撓度值如圖7所示。

結(jié)論:由以上計(jì)算結(jié)果可知，各計(jì)算工況荷載作用下，撓度最大值為0．018 9 m≤L/800=0．037 5 m，施工荷載撓度滿足規(guī)范要求，即U型梁的整體剛度滿足正常使用狀態(tài)要求。

5 結(jié)論與建議

結(jié)合軌道交通U型梁的實(shí)際施工狀況，利用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件Midas，對(duì)U型梁進(jìn)行了靜力計(jì)算分析。根據(jù)靜力計(jì)算分析可得到以下結(jié)論:

1)在理想狀態(tài)下，由計(jì)算結(jié)果可知，各施工工況中，在架橋機(jī)荷載作用下，各截面應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力均滿足規(guī)范的規(guī)定，并且具有很高的安全儲(chǔ)備。另外由于施工荷載所引起的撓度值為總撓度值的30%左右，因此，恒載作用是引起撓度變化的主導(dǎo)作用。由以上結(jié)果可知，U型梁體最大的應(yīng)力應(yīng)變出現(xiàn)在自行過孔階段，此階段應(yīng)是運(yùn)架施工的關(guān)鍵步驟。

圖7 各計(jì)算工況下U型梁產(chǎn)生的最大撓度值

2)梁上運(yùn)梁的架設(shè)施工方法與其他施工方法(如雙機(jī)抬吊法等)相比較，受工程所在區(qū)域的外部環(huán)境影響較小，經(jīng)過計(jì)算分析，安全性也大大提高。該技術(shù)相對(duì)于雙機(jī)抬吊或龍門吊施工更省錢，經(jīng)濟(jì)效益更明顯。

3)本文對(duì)U型梁運(yùn)架施工過程中U型梁縱向結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)分析，由于架設(shè)過程需在開口薄壁U型梁上進(jìn)行運(yùn)架梁作業(yè)，因此U型梁橫向結(jié)構(gòu)受力有待進(jìn)一步進(jìn)行探索，以便嚴(yán)格控制作用其上的運(yùn)架梁的施工荷載，從而降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

4)可對(duì)架橋機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，減輕自重，從而可以使梁體得到優(yōu)化以后，仍能滿足此種施工方法的使用條件，從經(jīng)濟(jì)上帶來更大的價(jià)值。

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