城市軌道交通高架工程中槽型梁吊裝施工過程的力學(xué)特性分析*

梁 巖 毛瑞敏 李 杰 袁會麗

(鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，450001，鄭州//第一作者，講師)

槽形梁是一種具有建筑高度低、噪聲小、斷面空間利用率高、安全可靠及外型美觀等優(yōu)點的下承式橋梁結(jié)構(gòu)，因此被廣泛應(yīng)用于城市高架軌道交通工程[1]。槽型梁腹板和道床板的結(jié)合部位受力復(fù)雜，從模板的架設(shè)、鋼筋籠的吊裝、預(yù)應(yīng)力筋的鋪設(shè)到混凝土的澆筑，每一道施工工序都關(guān)乎梁體的預(yù)制質(zhì)量[2-6]。國內(nèi)外研究槽型梁施工方法、結(jié)構(gòu)噪聲的文獻(xiàn)[7-11]較多，但研究槽型梁吊裝過程中受力狀況的較少，有待進(jìn)一步研究。

本文采用ANSYS有限元軟件建立槽型梁精細(xì)模型，通過槽型梁在吊裝過程中的平衡受力及不平衡受力比較分析其力學(xué)性能和安全性，并提出施工建議，改善槽型梁施工過程中的受力狀況。

1 工程概況及有限元建模

本次施工設(shè)計的范圍為鄭州軌道交通南四環(huán)站至機場站，線路全長31.7 km，其中,高架段(祥云路站—孟莊路站)長16.03 km，地下線長14.4 km，過渡段長1.27 km。

高架橋為U型簡支梁，其施工采用后張法梁場整孔預(yù)制梁體，梁上運梁，架橋機、汽車吊和龍門吊架設(shè)，梁體最大運架質(zhì)量為191 t。預(yù)制U型梁梁寬分別為5.17 m、5.37 m、5.57 m，跨中梁高1.8 m，支點梁高1.94 m，跨中道床板厚0.24 m，梁端道床板厚0.40 m,腹板一側(cè)呈折線，另一側(cè)呈圓弧線不對稱分布。U型簡支梁橫截面圖如圖1～2所示。

使用材料：梁體混凝土強度等級為C55， 槽型梁采用縱向預(yù)應(yīng)力,縱向腹板采用9-Φs15.2的高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(GB/T 5224—2003技術(shù)標(biāo)準(zhǔn))，道床板采用7-Φs15.2的高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(預(yù)應(yīng)力鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強度fpk=1 860 MPa，楊氏模量Ey=1.95×105 MPa)。腹板預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力為0.67fpk=1 246.2 MPa。道床板預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力為0.72fpk=1 339.2 MPa。

單位:mm

圖1 U型簡支梁支點梁橫截面

單位:mm

圖2 U型簡支梁跨中橫截面

采用Solid65實體單元模擬梁體混凝土，Link8桿單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋；采用耦合方式連接預(yù)應(yīng)力鋼筋和混凝土，施加初應(yīng)變模擬預(yù)應(yīng)力效應(yīng)；采用映射網(wǎng)格劃分方式保證實體模型的精確度。橫截面網(wǎng)格劃分示意圖如圖3所示。沿橋縱向，梁端部1.4 m范圍內(nèi)的縱向單元尺寸為0.15 m，其余位置的縱向單元尺寸為0.3 m，整體網(wǎng)格劃分如圖4所示，選取的截面位置如圖5所示。

圖3 橫截面網(wǎng)格劃分

圖4 整體網(wǎng)格劃分

圖5 截面位置(L=30 m)

部分節(jié)點位置如圖6所示。把縱向沿節(jié)點30的位置稱為道床板下表面左側(cè)，沿節(jié)點27的位置稱為道床板下表面右側(cè)。支座約束如圖7所示，節(jié)點30在支座1、支座3一側(cè)，節(jié)點27在支座2、支座4一側(cè)。

圖6 部分節(jié)點位置圖

圖7 支座約束示意圖

2 吊裝過程中槽型梁的力學(xué)特性

2.1 槽型梁起吊設(shè)備及工藝

槽型梁屬于開口薄壁結(jié)構(gòu)，抗扭性能差，且槽型梁吊裝過程又是預(yù)制槽型梁拼裝施工過程中的關(guān)鍵步驟，因此無論是把初張拉后的槽型梁從制梁場起吊運輸至存梁場，還是把槽型梁從存梁場提運至場外牽引汽車或平板掛車，每個過程都必須嚴(yán)格按照技術(shù)要求和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行作業(yè)。預(yù)制梁在制梁場內(nèi)運輸、存梁及出場裝運過程中，吊點和支點距梁端的距離必須滿足下列要求：

(1)槽型梁的吊點設(shè)在梁端腹板內(nèi)側(cè)，采用鋼棒插入吊裝孔吊裝的方式。

(2)在吊梁過程中應(yīng)保證各吊點受力均勻，梁體4個支點應(yīng)位于同一平面內(nèi)，誤差不應(yīng)大于2 mm。

(3)槽型梁起頂、吊運、存放時的最大懸臂長度為0.9 m。工程施工時采用的主要吊裝設(shè)備是DLM300型輪胎式提梁機，主要分為承載結(jié)構(gòu)、起升系統(tǒng)、液壓行走系統(tǒng)和動力系統(tǒng)等。承載結(jié)構(gòu)由臺車立支腿、主梁、端梁、起重小車、卷揚機組成，實際結(jié)構(gòu)呈箱形大梁形狀。起升卷揚機采用液壓馬達(dá)驅(qū)動，鋼絲繩工作原理如圖8所示，遵循“四點起吊，三點平衡”原理，確保吊具平衡系統(tǒng)三點穩(wěn)定作業(yè)。該起吊方式可避免槽型梁在吊裝過程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)，對槽型梁起到了最佳保護(hù)作用。在吊點測量控制系統(tǒng)中，應(yīng)確保每個吊點實際容重和4支點的反作用力平均值不超過5%。

圖8 卷揚機鋼絲繩纏繞效果圖

兩組吊具都固定在吊梁小車上，每個液壓卷揚機均裝有機械常閉式制動器，混凝土梁吊裝到位后，同時關(guān)閉液壓馬達(dá)和制動器，保證運梁機行車時梁體不下落。起升機構(gòu)安裝了質(zhì)量傳感器，用于起升機構(gòu)的超載保護(hù)。吊梁工藝如下：

(1)提梁機在存梁區(qū)完成試運行后，調(diào)整就位；將吊具緩慢放下，調(diào)整縱、橫向的位置，使吊具中心和吊孔中心完全重合；吊具上的高強螺栓對準(zhǔn)吊裝孔后，慢慢下降到位，下降過程中輕微晃動吊具，避免螺栓卡住。

(2)吊軸穿入梁體吊孔中，墊上圓形墊圈，上緊螺帽；掛鉤后，慢慢起升至鋼絲繩處于微拉緊狀態(tài)，后逐漸調(diào)試至完全對中。避免由于對中不精確造成梁體橫向、縱向偏移。

(3)對中后，兩端起吊系統(tǒng)應(yīng)保持點動漸進(jìn)加載；當(dāng)鋼絲繩處于繃緊狀態(tài)后，要把鋼絲繩卡環(huán)重新擰緊，并確保繩夾的螺母、絲桿、鞍座等處于完好狀態(tài)；然后逐次遞進(jìn)加載，直到梁體剛離開梁座。

(4)起吊離開存梁臺座時提梁機先提升，下降至存梁臺時再降落到位，保證梁體始終處于四點靜定起吊或支撐狀態(tài)。梁體完全脫離臺座后，使其底面距臺座頂面2 cm的位置，保持2 min的靜止?fàn)顟B(tài)，在此期間詳細(xì)檢查提梁機的各項指標(biāo)，確保一切正常。

2.2 平衡吊裝

由于預(yù)應(yīng)力混凝土梁施工手冊中對起吊加速度沒有嚴(yán)格的規(guī)定，最終擬定加速度為1.0 m/s2。此時，槽型梁受自重及預(yù)應(yīng)力荷載的作用。通過施加初應(yīng)變的方法模擬預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，采用ANSYS軟件分析平衡吊裝過程中槽型梁的力學(xué)特性，結(jié)果見表1～3，部分關(guān)鍵截面的應(yīng)力分布情況見圖9～12。

表1 各控制截面的力學(xué)特性結(jié)果 MPa

表1指的是控制截面上節(jié)點應(yīng)力的最大值。由于出現(xiàn)最大應(yīng)力值的位置并不固定，因此該值只是反映槽型梁整體上的力學(xué)特性。

結(jié)合表1和圖9～12可知，吊裝截面的第一主應(yīng)力最大，最大值約為2.98 MPa，略超過混凝土的抗拉強度，其他截面的第一主應(yīng)力基本在0.4～0.8 MPa之間，最大值集中在腹板和底板結(jié)合處。結(jié)合處的受力比較復(fù)雜，屬于薄弱位置，設(shè)計及施工過程中需要嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。值得注意的是，吊裝點附近出現(xiàn)局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象，但范圍非常小。

圖9 吊裝處第一主應(yīng)力

由表2和表3可知，在平衡吊裝過程中，道床板和腹板結(jié)合處的縱向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，變化規(guī)律幾乎一致；橫向應(yīng)力和第一主應(yīng)力均為拉應(yīng)力，左結(jié)合處的拉應(yīng)力要大于右結(jié)合處的拉應(yīng)力，這是由于槽型梁截面不對稱，腹板為折線一側(cè)的慣性矩偏小，所以應(yīng)力偏大，但是均小于混凝土的抗拉強度。豎向位移呈拋物線分布如圖13和圖14所示。

圖10 1 L/8截面第一主應(yīng)力

圖12 4 L/8截面第一主應(yīng)力表2 道床板與左側(cè)腹板結(jié)合處的力學(xué)特性

位置縱向應(yīng)力/MPa橫向應(yīng)力/MPa第一主應(yīng)力/MPa豎向位移/mm吊裝點-3.640.060.12-0.071 L/8-5.970.170.621.702 L/8-5.540.260.473.103 L/8-5.110.230.403.404 L/8-4.910.250.433.465 L/8-5.100.200.363.376 L/8-5.470.210.362.997 L/8-5.870.050.451.67吊裝點-3.790.390.44-0.07

表3 道床板與右側(cè)腹板結(jié)合處的力學(xué)特性

圖13 結(jié)合處節(jié)點縱向應(yīng)力

圖14 結(jié)合處節(jié)點豎向位移

由圖13和圖14可以看出，截面的不對稱對縱向應(yīng)力和豎向位移的影響較小，其中縱向應(yīng)力最大差值為0.27 MPa左右，豎向位移最大差值為0.03 mm。

通過對以上結(jié)果分析可知，在平衡吊裝的過程中，除吊裝截面的橫向應(yīng)力和第一主應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強度以外，其他截面的應(yīng)力均在控制范圍內(nèi)。腹板和底板結(jié)合處的應(yīng)力復(fù)雜，但均處于安全范圍內(nèi)。截面的不對稱對縱向應(yīng)力和豎向位移的影響較小，主要影響橫向應(yīng)力。由于槽型梁在實際的施工過程中，吊裝位置附近都有預(yù)埋的鋼板，分散了集中力，因此,只要嚴(yán)格按照施工標(biāo)準(zhǔn),保證吊裝過程中各吊索的位置準(zhǔn)確、受力均勻，就可以保證吊裝安全。

2.3 不平衡吊裝

工程中無論是采用DLM300型輪胎式提梁機還是汽車吊和履帶吊配合起吊槽型梁，工作原理都是通過“四點起吊，三點平衡”使槽型梁始終處于靜定平衡狀態(tài)。其中，為避免梁體受扭，在履帶吊的吊具上架設(shè)平衡梁，通過銷軸與吊具梁連接，使槽型梁處于靜定支撐狀態(tài)。但是，當(dāng)出現(xiàn)吊索不等長或銷軸與吊具梁連接失效時，有可能出現(xiàn)4個起吊點不在同一平面上的情況。本小節(jié)將通過分析槽型梁被不平衡起吊時的力學(xué)性能，進(jìn)一步研究其過程中的安全性。吊裝過程中，槽型梁支座3位置吊裝高程低于其余3個支座2 mm。

由表4可知，當(dāng)槽型梁處于4個吊點高差為2 mm的不平衡吊裝狀態(tài)時，各控制截面的主應(yīng)力總體呈增大趨勢，其中7L/8截面的應(yīng)力已達(dá)2.09 MPa，該值雖仍小于混凝土的抗拉強度值，但若不平衡高差繼續(xù)增大，該截面處的應(yīng)力很可能達(dá)到極限強度。表4數(shù)據(jù)表明，當(dāng)槽型梁處于不平衡吊裝時，受影響的梁體范圍將擴(kuò)展到7L/8跨徑，而此范圍內(nèi)的梁體并沒有因吊裝采取相應(yīng)的加固措施。這也說明在吊裝過程中，保證四點平衡起吊，各吊點受力均勻的重要性。

表4 各控制截面第一主應(yīng)力對比

由平衡吊裝分析可知，腹板和道床板右結(jié)合處的應(yīng)力比較大，以下同時分析不平衡吊裝對右結(jié)合處應(yīng)力及變形的影響，力學(xué)結(jié)果見表5及圖16～17。

由表5可知，不平衡吊裝同樣引起結(jié)合處應(yīng)力的變化，結(jié)合處應(yīng)力總體也呈增大趨勢。平衡吊裝時結(jié)合處的應(yīng)力均比較小，不平衡吊裝時7L/8截面的應(yīng)力最大，再次印證了不平衡吊裝的影響范圍已達(dá)到7L/8跨徑。

表5 右結(jié)合處的第一主應(yīng)力

由圖15～16可知，不平衡吊裝時，遠(yuǎn)離低吊點一側(cè)的道床板和腹板結(jié)合處的縱向應(yīng)力在4L/8跨徑以后明顯增加。這是由于不平衡吊裝時，梁體向低處傾斜，導(dǎo)致高吊點處產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力。雖然不平衡吊裝對梁體豎向位移有影響，但由于右結(jié)合處遠(yuǎn)離低吊點一側(cè)，槽型梁總體仍呈拋物線上拱趨勢。該側(cè)結(jié)合處豎向位移差最大0.4 mm，小于吊點的2 mm高差，可以認(rèn)為不平衡吊裝主要影響槽型梁的應(yīng)力，對變形的影響并不會影響整體質(zhì)量。

圖15 右結(jié)合處的縱向應(yīng)力

圖16 右結(jié)合處的豎向位移

3 結(jié)論

通過分析起吊設(shè)備的工藝、吊裝過程中槽型梁平衡受力及不平衡受力的力學(xué)性能，主要結(jié)論如下：

(1)平衡吊裝時，僅節(jié)點處應(yīng)力略大于混凝土的抗拉強度，其他區(qū)域混凝土拉應(yīng)力基本在0.4～0.8 MPa之間。

(2)當(dāng)4個吊點存在高差(2 mm)時，槽型梁吊點附近區(qū)域的應(yīng)力明顯增大，局部混凝土開裂。

(3)平衡吊裝及不平衡吊裝時，槽型梁豎向位移差最大值為0.4 mm，不平衡吊裝主要影響槽型梁的應(yīng)力，對變形的影響較小。

(4)城市軌道交通槽型梁吊裝過程中，應(yīng)在吊裝點區(qū)域采取加強保護(hù)措施，嚴(yán)格控制吊裝點高程，高差控制在2 mm范圍內(nèi)，避免不平衡吊裝。