U型梁陸地運輸過程中梁體的抗傾覆研究

蔡慧靜 葉 琪 蔡煜梁

1寧波市建設工程安全質(zhì)量管理服務總站（315000） 2 寧波市城市基礎設施建設開發(fā)有限公司（315000）3 寧波工程學院（315211） 4 浙江省土木工程工業(yè)化建造工程技術(shù)研究中心（315211）

U型梁具有建筑高度低、降噪效果好、外形美觀等諸多優(yōu)點，近年來在地鐵高架線路中得到廣泛使用。隨著國家大力推行預制裝配化，U型梁也由現(xiàn)場現(xiàn)澆施工轉(zhuǎn)變?yōu)楣S化集中預制。U型梁在預制場養(yǎng)護完成后，需用車輛運送到指定標段進行架設。

1 工程概況

機場快速路南延南段工程位于寧波市鄞州區(qū)和奉化區(qū)，北起繞城高速、南至岳林東路，線路全長約14.4 km，工程路線如圖1 所示。規(guī)劃在方橋鎮(zhèn)建立U型梁預制場，預制梁片共計538 片，預制U型梁最大跨徑為35 m[1]。

35 m U型梁采用先張法和后張法聯(lián)合施工工藝，梁高 2.005 m、頂寬 5.35 m、底寬 3.95 m，底板厚度為27 cm，梁重222 t。U型梁跨中橫斷面如圖2 所示。

圖2 U型梁跨中橫截面

由于該項目處于交通較為繁忙的路段，道路運輸時需特別注意大跨徑、大噸位U型梁在城市道路運輸過程中的安全性和穩(wěn)定性問題，一旦發(fā)生梁體傾覆，將極大影響道路通行狀況，并帶來不可估量的經(jīng)濟損失。

2 運輸方案

U型梁預制場位于地鐵線路西側(cè)，沿線向南北兩個方向往各個標段運送U型梁，向北運輸終止于莫方路，向南運輸終止于岳林東路，運輸總量為538片[2]。

2.1 預制梁運輸路線選擇依據(jù)

預制U型梁運輸嚴格按照國家及相關部門對大型設備運輸?shù)挠嘘P規(guī)定及要求，以U型梁的規(guī)格參數(shù)和重量為根據(jù)，結(jié)合運輸設備及裝車運輸技術(shù)對各方面的運輸參數(shù)和條件加以限制，以安全可靠性、經(jīng)濟適用性、實際可操作性、高效迅速性為原則。運輸線路選擇依據(jù)有:①因高速公路運輸速度較快，而槽型梁運輸速度相對較慢，故不選用高速公路運輸方式；特殊情況下方可選用；②施工便道分段設置；③運梁通道選擇等級較高的主干路；④橫向道路選擇路況較好的次干路；⑤每段便道原則上配備主、輔運輸路線（特殊路段除外）；⑥選擇橋梁較少的主干道公路；⑦選擇車流量較少的路段。

2.2 運輸過程中梁體的防扭轉(zhuǎn)、防滑移措施

為了保證預制U型梁在運輸過程中的平穩(wěn)性，避免梁體在車輛轉(zhuǎn)向過程中受到損傷，在運輸車上增設了轉(zhuǎn)盤平衡支撐機構(gòu)，該設施能實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，具有自動調(diào)整轉(zhuǎn)向、傾斜度等功能。預制U型梁運輸專用轉(zhuǎn)盤機構(gòu)如圖3 所示。

2.3 運梁過程中相關要求

運梁便道的承載力＞5 t/m2、坡度＜3%，寬度不得低于6 m；彎道處的轉(zhuǎn)彎半徑不得低于30 m，彎道處勿設橫坡，以免造成U型梁的損壞。便道兩邊不得設硬障礙物，以免對梁體造成碰擦損壞。

圖3 U型梁運輸轉(zhuǎn)盤

在一般道路上直行速度約為20 km/h，通過轉(zhuǎn)彎道路時速度為5 km/h；在通過路口時按押運車的指揮信號安全勻速通過；通過橋梁時不得加減速及緊急制動，需勻速通過橋梁及涵洞。

3 運梁安全性分析

3.1 縱坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)U型梁運輸方案，運梁便道的坡度＜3%、角度為1.718°。運輸時運輸車和梁體之間鋪設防滑橡皮，以增大摩擦力。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》，橡膠與混凝土的摩擦系數(shù)為0.3，橡膠與鋼板的摩擦系數(shù)為0.25，所以橡膠與運輸車接觸面最先發(fā)生滑動。U型梁在道路縱坡上的受力情況如圖4 所示，其中為摩擦力[3]。

圖4 U型梁在道路縱坡上受力簡圖

U型梁重力為:G=222 000×9.8=2 175 600 N；

摩擦力為:f=0.25×cos1.718°G=543 655.5 N；

與摩擦力方向相反的重力分力為:Gsin1.718°=65 255.1 N。

由于f＞Gsin1.718°，故在坡度＜3%的便道上運輸時，U型梁不會發(fā)生下滑。

3.2 U型梁抗傾覆穩(wěn)定驗算

U型梁運輸過程中，轉(zhuǎn)彎半徑太小可能會導致U型梁離心力太大，進而發(fā)生傾覆現(xiàn)象。根據(jù)U型梁實際運輸方案，U型梁最小轉(zhuǎn)彎半徑r=30 m，通過轉(zhuǎn)彎道路時的最大限速為5 km/h。U型梁運輸車輛轉(zhuǎn)彎示意如圖5 所示[4]。

圖5 U型梁運輸車輛轉(zhuǎn)彎示意圖

通過道路轉(zhuǎn)彎處時速度v=5 km/h=1.389 m/s，由于道路轉(zhuǎn)彎處未設置橫坡，則在轉(zhuǎn)彎處U型梁的離心力為:

運輸過程中U型梁處于簡支狀態(tài)，其受力橫截面如圖6 所示，其中:F為離心力；G為重力；h為離心力作用點距離支座水平截面的距離，計算得h=0.73 476 m；b為重力作用點距離支座豎直截面的距離，為1.745 m。

圖6 U型梁受力圖

由圖6 可知，由離心力產(chǎn)生的彎矩為:

M離=F離·h=14 277×0.73 476=10 490 N·m

由重力產(chǎn)生的彎矩為:

Mg=G·b=222 000×9.8×1.745=3 796 422 N·m

參照JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》 第4.1.8 節(jié)關于梁橋抗傾覆性能驗算的相關規(guī)定，對槽形梁運輸過程中的傾覆穩(wěn)定性能進行驗算。U型梁運輸過程中的抗傾覆安全系數(shù):

為了驗證上述抗傾覆計算的準確性，采用有限元軟件ABAQUS 進行數(shù)值模擬分析。建立U型梁實體有限元模型，如圖7 所示，模型中考慮了普通鋼筋和預應力鋼筋[5]。

圖7 U型梁有限元模型

模型共設有兩個加載分析步，第一個分析步施加自重和預應力荷載，第二個分析步施加橫向離心力荷載。在施加離心力荷載時，要先找到梁體的質(zhì)心，將其與同高度的梁平面耦合，然后在形心上施加10 000 kN 的橫向離心力，耦合約束及施加離心力如圖8 和圖9 所示。

圖8 U型梁質(zhì)心與梁平面耦合

圖9 施加橫向離心力

根據(jù)理論計算結(jié)果，支座1（或支座3）支反力隨分析步變化的時程曲線如圖10 所示。

根據(jù)時程曲線圖可知，在1.393 4 分析步，支座1（支座3）支反力為0，此時即為U型梁傾覆的臨界狀態(tài)，對應的離心力為:

Fu=10 000×0.393 4=3 934 kN

則U型梁在運輸過程中的抗傾覆安全系數(shù)為:

圖10 支座1（支座3）支反力-分析步時程曲線圖

由上述計算分析可知，由ABAQUS 軟件計算得到的安全系數(shù)略小于受力分析計算所得的安全系數(shù)361.9，原因在于受力分析計算時采用的模型為簡化的二維橫截面模型，相當于滿布支座的情況，而有限元分析的模型與實際情況更為接近。二者結(jié)果都遠大于JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》中規(guī)定的穩(wěn)定安全系數(shù)2.5，故認為采用本運輸方案運輸時，U型梁具有良好的抗傾覆性能[6]。

3.3 U型梁水平抗滑移驗算

U型梁運輸時，在運輸車與梁體之間鋪設防滑橡皮，以增大摩擦力。橡膠與混凝土的摩擦系數(shù)為0.3，橡膠與鋼板的摩擦系數(shù)為0.25，所以橡膠與運輸車接觸面最先發(fā)生滑動。

滑動摩擦力大小為:

Ff=G·μ=222 000×9.8×0.25=543 900 kN

轉(zhuǎn)彎處U型梁的離心力大小為:

因此，U型梁水平向抗滑移滿足要求。

4 結(jié)論

1）根據(jù)理論分析結(jié)果，U型梁實際運輸過程中，按照運輸方案中的相關規(guī)定運輸是安全的。

2）為了提高梁體的縱坡穩(wěn)定性，可采用打包帶及手拉葫蘆對梁體兩端頭及轉(zhuǎn)盤接觸點進行捆扎，但須保證捆扎不會損傷梁體及其外觀的整潔性。

3）在進行梁體陸地運輸抗傾覆研究時，采用實體單元模型比采用簡化二維受力分析模型能更好地模擬支座約束情況，模擬結(jié)果與實際情況更為接近。