預(yù)制箱梁段裝載運(yùn)輸受力驗(yàn)算及實(shí)時(shí)監(jiān)測分析

文/賀明強(qiáng)

1 工程概況

某跨海大橋引橋部分上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁設(shè)計(jì)，考慮到現(xiàn)場施工難度，連續(xù)箱梁改為簡支梁段分段澆筑預(yù)制，成型后再從預(yù)制梁廠運(yùn)輸至橋梁施工現(xiàn)場拼裝，現(xiàn)場張拉通長預(yù)應(yīng)力束后形成連續(xù)結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)目預(yù)制箱梁段共計(jì)18 片，重量在1763.3～3117.4t之間不等，梁段長度在46.362～75m 之間不等。箱梁段在裝載運(yùn)輸前均需通過受力驗(yàn)算來調(diào)整、優(yōu)化裝載運(yùn)輸方案，同時(shí)在裝載運(yùn)輸時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，為運(yùn)輸公司提供技術(shù)支持，避免預(yù)制梁段出現(xiàn)破壞。本文選取典型的NW5-4#梁段進(jìn)行受力驗(yàn)算和實(shí)時(shí)監(jiān)測分析。

2 箱梁段裝載運(yùn)輸方式

選取的NW5-4#箱梁段梁長46.362m，梁底寬11.725～15.493m，梁體重量達(dá)2462.4t。箱梁段裝載運(yùn)輸時(shí)將6 臺SPMT 液壓平板車車組布置于箱梁段底面，平板車上擱支承梁，就位后通過抬高平板車高度頂升箱梁底面的方式完成裝載，裝載完成后拆除原有支撐墩即可實(shí)施運(yùn)輸。圖1 為箱梁段裝載運(yùn)輸設(shè)計(jì)圖，表1 為平板車抬高頂升分階段增加荷載控制表[1]。

圖1 箱梁段裝載運(yùn)輸設(shè)計(jì)圖

表1 箱梁段裝載頂升各階段增加荷載控制表

3 箱梁段受力驗(yàn)算

3.1 受力驗(yàn)算建模

根據(jù)設(shè)計(jì)文件擬定的結(jié)構(gòu)尺寸、配筋情況及施工工序，并結(jié)合箱梁裝載受力階段的不同，梁體分別受到自重、預(yù)應(yīng)力鋼束及支承梁各級頂升荷載的作用，分階段建立不同的受力模型進(jìn)行具體分析。驗(yàn)算時(shí)采用Midas/civil 有限元分析軟件建立桿系模型，采用Midas FEA 軟件建立實(shí)體模型，對箱梁段進(jìn)行仿真分析驗(yàn)算。

圖2 計(jì)算模型示意圖（桿系模型）

圖3 計(jì)算模型示意圖（實(shí)體模型）

3.2 受力驗(yàn)算判斷方法

裝載運(yùn)輸時(shí)，箱梁段由原設(shè)計(jì)的兩點(diǎn)支撐轉(zhuǎn)化成裝載后的多點(diǎn)支撐，其內(nèi)部因預(yù)應(yīng)力和自重作用產(chǎn)生結(jié)構(gòu)受力變化，在整個(gè)受力轉(zhuǎn)換后，容易產(chǎn)生破壞形態(tài)的主要為箱梁底面混凝土受壓破壞（產(chǎn)生碎裂），箱梁頂面混凝土受拉開裂（產(chǎn)生裂縫），這與箱梁成橋后的受力狀態(tài)恰恰相反[2]。

箱梁段受壓應(yīng)力限值判斷參照我國《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）中的第7.1.5 條規(guī)定：“使用階段預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件正截面受壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)力應(yīng)≤0.5fck=19.3MPa（C60 混凝土）”；考慮到箱梁在運(yùn)輸過程中為施工運(yùn)輸階段，其運(yùn)輸?shù)跹b完成后又回到原設(shè)計(jì)狀態(tài)，在進(jìn)行正截面抗裂驗(yàn)算時(shí)按預(yù)應(yīng)力A 類構(gòu)件考慮，參照我國《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）中6.3.1 條規(guī) 定：“預(yù) 應(yīng)力 混 凝 土受彎構(gòu)件在進(jìn)行正截面抗裂驗(yàn)算時(shí)，A 類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件在作用短期組合下受拉區(qū)混凝土的最大拉應(yīng)力應(yīng)≤0.7ftk=2MPa（C60 混凝土）?！北敬悟?yàn)算的箱梁全長范圍內(nèi)的應(yīng)力值應(yīng)介于+2～-19.3MPa 之間，以此作為箱梁裝載運(yùn)輸安全控制限值。

同時(shí)，裝載多點(diǎn)支撐時(shí)，箱梁截面不對稱或頂升力不一致均會導(dǎo)致箱梁在裝載過程中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，實(shí)體建模時(shí)將同一橫向斷面的三個(gè)頂升力平均分配，該狀態(tài)為裝載頂升時(shí)最不利狀態(tài)，根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004），其最大主拉應(yīng)力控制值仍應(yīng)≤0.7ftk=2MPa（C60 混凝土）。

3.3 受力驗(yàn)算結(jié)果

通過仿真建模分析，梁段在裝載運(yùn)輸過程中受力狀況如下：

圖4 裝載后梁體上、下緣正應(yīng)力計(jì)算圖

圖5 裝載后梁體變形及主拉應(yīng)力計(jì)算云圖

表2 箱梁段正截面法向正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

箱梁段在裝載運(yùn)輸各受力階段，箱梁段梁長范圍內(nèi)各截面上、下緣理論上均未出現(xiàn)超限應(yīng)力，裝載運(yùn)輸方案滿足箱梁段安全受力要求，箱梁段在裝載運(yùn)輸過程中不會出現(xiàn)頂、底板橫向開裂或受壓破壞。

表3 箱梁段斜截面主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

箱梁段在裝載運(yùn)輸完成后，其腹板斜截面主拉應(yīng)力最大值為1.77MPa，內(nèi)、外側(cè)腹板的主拉應(yīng)力差值在0.14～0.4MPa 之間，小于規(guī)范限值，表明箱梁在裝載過程中，梁體腹板斜截面理論上不會出現(xiàn)斜向開裂[3]。

4 裝載運(yùn)輸實(shí)時(shí)監(jiān)測及分析

4.1 監(jiān)測點(diǎn)布置

在裝載至運(yùn)輸過程中，梁體自身從兩點(diǎn)簡支體系轉(zhuǎn)化為多點(diǎn)支承體系。根據(jù)梁體頂升運(yùn)輸情況，監(jiān)控主要對梁體的應(yīng)力、位移及相對變形較大的斷面進(jìn)行監(jiān)測。

圖6 應(yīng)變測試斷面及測點(diǎn)布置

圖7 相對位移測試斷面及測點(diǎn)布置

圖8 現(xiàn)場監(jiān)測工作照

4.2 監(jiān)測報(bào)警條件預(yù)警閾值的確定

預(yù)警閾值是由理論得到的應(yīng)變（位移）值等指標(biāo)以一定系數(shù)進(jìn)行折減所得。預(yù)警閾值的確定既與報(bào)警質(zhì)量密切相關(guān)，又制約著應(yīng)急響應(yīng)的正確實(shí)施。預(yù)警值確定合理，報(bào)警就比較切合實(shí)際，應(yīng)急響應(yīng)才能恰當(dāng)有效，以避免事故發(fā)生或?qū)⑹鹿实挠绊懡档阶钚　?/p>

本次監(jiān)控以混凝土結(jié)構(gòu)材料極限拉應(yīng)力為基本值建立應(yīng)力預(yù)警值。目前，針對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測尚未有相關(guān)文獻(xiàn)提出明確的預(yù)警閾值。本次監(jiān)測認(rèn)為，需考慮梁段結(jié)構(gòu)的一定安全儲備及預(yù)應(yīng)力混凝土梁自身的特殊性，確保實(shí)測應(yīng)變值小于理論應(yīng)變增量，即為確保我國規(guī)范《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）中的校驗(yàn)系數(shù)小于1，若以梁段現(xiàn)澆完成預(yù)應(yīng)力鋼束張拉后兩端通過支墩支墊作為初始狀態(tài)，后續(xù)裝載頂升階段分別進(jìn)行應(yīng)變系統(tǒng)和變形系統(tǒng)測試監(jiān)控，根據(jù)有限元計(jì)算提出箱梁段在各頂升階段的應(yīng)變、位移及相對位移預(yù)警值。

根據(jù)實(shí)體模型位移計(jì)算結(jié)果可知，箱梁裝載運(yùn)輸時(shí)最終頂升階段梁段橫向最大相對變形為8mm，且未出現(xiàn)超限應(yīng)力。由于實(shí)體模型是根據(jù)箱梁受力的最不利狀況進(jìn)行驗(yàn)算，因此在實(shí)際箱梁的位移監(jiān)控時(shí)，梁段同一截面的相對位移偏差預(yù)警值裝載運(yùn)輸時(shí)取8mm[4]。

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.3.1 箱梁段在裝載過程中各個(gè)斷面的相對位移監(jiān)測結(jié)果如下表：

表4 裝載階段梁段相對位移監(jiān)測表（mm）

根據(jù)上表可知：在頂升過程中各測試斷面箱梁兩側(cè)最大相對高差均未超過理論計(jì)算確定的預(yù)警值8mm，表明箱梁在整個(gè)裝載頂升過程中基本處于同步上升狀態(tài)。

4.3.2 箱梁段在裝載運(yùn)輸過程中各個(gè)斷面的應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果如下圖：

圖9 裝載運(yùn)輸全過程測試斷面應(yīng)變變化圖

應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知：箱梁段在裝載階段各監(jiān)測斷面的應(yīng)變值逐步增大，均未超過理論計(jì)算所得預(yù)警值，且有一定的富余度。箱梁段在運(yùn)輸階段位于箱梁頂板的1-1 斷面、2-2 斷面應(yīng)變略有上升趨勢（總體仍趨于平穩(wěn)），分析頂板監(jiān)測應(yīng)變上升主要是由于箱梁在頂升開始階段頂緣直接受太陽暴曬，而梁段運(yùn)輸過程持續(xù)時(shí)間長，運(yùn)輸就位之后頂緣溫度與頂升開始階段相比變化較大所致。位于箱梁底板的3-3 斷面、4-4 斷面在整個(gè)運(yùn)輸階段應(yīng)力測試值基本無明顯變化，無異常突變點(diǎn)，表明箱梁在運(yùn)輸過程中受力基本保持穩(wěn)定。在箱梁落梁階段，各測試斷面各測點(diǎn)的應(yīng)變變化與卸載過程一一對應(yīng)，且應(yīng)變無明顯突變，各測點(diǎn)的應(yīng)變基本能夠回復(fù)至頂升開始時(shí)的應(yīng)變值。

5 結(jié)語

大箱梁預(yù)制拼裝的施工項(xiàng)目越來越多，預(yù)制箱梁段噸位亦越來越重，設(shè)計(jì)院在箱梁段設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮制梁廠布局、運(yùn)輸能力等多方面因數(shù)，嚴(yán)格控制好梁段重量及預(yù)應(yīng)力束布置，運(yùn)輸公司應(yīng)結(jié)合梁段自身結(jié)構(gòu)優(yōu)化運(yùn)輸方案，同時(shí)做好相關(guān)應(yīng)急預(yù)案，以確保箱梁段在裝載運(yùn)輸過程中的結(jié)構(gòu)安全。希望本文相關(guān)受力驗(yàn)算及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析能夠?yàn)橥愋晚?xiàng)目提供幫助。