預(yù)制裝配式橋墩吊耳結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化

宋 琢，陸文勝，張 迪，鄭小紅

（1、廣州市市政工程機(jī)械施工有限公司 廣州510060；2、華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院 廣州510641）

0 引言

裝配式橋墩技術(shù)具有預(yù)制件質(zhì)量好，大幅縮短工期，減少對(duì)地面交通的干擾等優(yōu)勢(shì)，達(dá)到快速、環(huán)保施工的目標(biāo)，近年來(lái)成為城市橋梁建設(shè)關(guān)注的熱點(diǎn)［1-3］。預(yù)制橋墩體積大、重量重，其生產(chǎn)和安裝過(guò)程涉及到垂直澆筑、臥式運(yùn)輸、垂直安裝等復(fù)雜工序［4］，吊耳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于保證預(yù)制橋墩裝配技術(shù)的安全至關(guān)重要，然而目前針對(duì)裝配式橋墩吊點(diǎn)設(shè)計(jì)、考慮吊裝過(guò)程中實(shí)際受力情況的研究極少。王曉宇等人［5］以某跨海工程的預(yù)制橋墩吊裝方案為例，采用ANSYS軟件建立預(yù)制橋墩的數(shù)值模型，分析吊裝過(guò)程中橋墩的受力，對(duì)吊裝方案提出優(yōu)化建議。程玉芹等人［6］建立了船舶節(jié)段吊裝的A形剛性吊耳數(shù)值分析模型，計(jì)算吊耳接觸強(qiáng)度，分析了不同載荷方向?qū)佑|力的影響。譚逸波等人［7］對(duì)港珠澳大橋某預(yù)制墩臺(tái)吊裝吊具進(jìn)行有限元分析；劉玉貴等人［8］、盧志君［9］通過(guò)Abaqus 軟件對(duì)鋼吊耳的接觸應(yīng)力進(jìn)行研究，對(duì)比分析普通板式吊耳和帶加強(qiáng)板吊耳的受力和變形情況，提出了吊耳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)措施；夏程［10］通過(guò)錨固試驗(yàn)，對(duì)比分析各種吊耳的優(yōu)缺點(diǎn)。以上研究沒(méi)有考慮在預(yù)制橋墩吊裝過(guò)程中吊耳不同受力的工況，給吊裝過(guò)程的安全造成隱患。因此，本文以廣州市芳村大道快捷化改造項(xiàng)目中的裝配式橋墩吊耳為研究對(duì)象，采用有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合的方法，進(jìn)行預(yù)制墩柱吊耳結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 裝配式橋墩受力工況

本項(xiàng)目中的橋墩采用現(xiàn)場(chǎng)直立式澆筑混凝土預(yù)制，尺寸為1 800 mm×1 800 mm，高度為11.2 m，單根墩柱重量最大達(dá)到92 t。施工過(guò)程包括墩柱豎直澆筑；達(dá)到混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在預(yù)制場(chǎng)進(jìn)行90°角翻轉(zhuǎn)，水平放置在平板車(chē)上，運(yùn)輸?shù)綐蛑番F(xiàn)場(chǎng)；進(jìn)行第二次90°角翻轉(zhuǎn)成豎直狀態(tài)，垂直吊裝，對(duì)中，安裝就位。整個(gè)過(guò)程中，吊耳存在2種受力工況：垂直起吊和90°角翻轉(zhuǎn)。為了避免翻轉(zhuǎn)過(guò)程中立柱底部混凝土因局部受力過(guò)大而破損，翻轉(zhuǎn)前，在墩柱底部墊上一排0.5 m高的土工布卷。翻轉(zhuǎn)時(shí)，柔性的土工布卷釋放了墩柱由于自重荷載產(chǎn)生的擠壓變形，以及翻轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的彎矩，使底部混凝土受力均勻，從而保護(hù)了柱腳。以下主要針對(duì)整個(gè)吊耳結(jié)構(gòu)在墩柱自重荷載下的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)、垂直起吊兩種工況進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算。

2 吊耳結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 吊耳初步方案

為了適應(yīng)預(yù)制墩柱澆筑、運(yùn)輸和安裝的各種工況，便于翻轉(zhuǎn)，提出柔性鋼絞線吊耳方案，如圖1所示。將吊耳設(shè)置在墩柱頂部以保證錨固可靠。為了減少單根鋼絞線的受力，吊點(diǎn)處采用雙吊耳對(duì)稱設(shè)置，吊耳的主要材料為橋梁用預(yù)應(yīng)力鋼絞線（φ=15.2 mm），包括預(yù)埋在墩柱里面的錨固裝置和伸出在外的自由端。錨固區(qū)內(nèi)的鋼絞線末端采用墩頭錨，固定在下錨板上，鋼板尺寸：150 mm×300 mm×8 mm，錨固入墩柱混凝土內(nèi)，錨固深度初步設(shè)定為1.0 m。在墩柱外表面處設(shè)置一塊上錨板，對(duì)鋼絞線進(jìn)行約束定位，尺寸為150 mm×400 mm×8 mm，防止吊耳自由端與墩柱接觸處在轉(zhuǎn)動(dòng)等工況下對(duì)混凝土局部的破壞。根據(jù)吊裝的橋墩的重量，初步確定鋼絞線的數(shù)量為6束。

圖1 吊耳方案示意圖Fig.1 The Schematic Diagram of Lifting Lug Scheme （mm）

2.2 幾何模型

采用ANSYS 有限元分析軟件，建立1∕2 對(duì)稱模型，如圖2所示。鋼板與混凝土之間、鋼絞線與上下錨板接觸位置采用固結(jié)，鋼絞線與混凝土內(nèi)部設(shè)置接觸?；炷?、鋼絞線以及鋼板均采用Solid65 單元，鋼絞線與混凝土的接觸所設(shè)置的接觸單元和目標(biāo)單元分別采用CONTA172和TARGE169。

圖2 鋼絞線柔性吊耳有限元模型Fig.2 Finite Element Model of the Lifting Lug

鋼絞線、鋼板以及混凝土的本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，其中鋼絞線彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，鋼絞線最大拉應(yīng)力為1 860 MPa，鋼絞線與混凝土的接觸定義摩擦系數(shù)為0.3。上下鋼錨板材料為Q235，屈服強(qiáng)度為235 MPa，極限強(qiáng)度為400 MPa，彈性模量為200 GPa；墩柱混凝土C50 抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度為22.4 MPa，抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度為1.83 MPa，彈性模量為34 GPa。

2.3 約束條件

考慮垂直吊裝和90°翻轉(zhuǎn)2 種工況，墩柱受到重力作用，吊耳處施加豎直向上的拉力；翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，墩柱底部的土工布當(dāng)鉸支座。在混凝土橋墩對(duì)稱面施加對(duì)稱約束，對(duì)鋼絞線錨固區(qū)兩端施加固結(jié)約束，在吊耳上設(shè)置向上位移模擬吊裝過(guò)程；對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)施加自重荷載。

2.4 計(jì)算結(jié)果

在翻轉(zhuǎn)工況下，吊耳產(chǎn)生最不利的變形和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖3 所示?？梢?jiàn)，吊環(huán)的最大等效應(yīng)力為1 261.715 MPa，發(fā)生在鋼絞線與鋼板接觸部位和鋼絞線U 形吊鉤起彎位置，接近鋼絞線設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%（1 395 MPa），安全儲(chǔ)備不夠，需要加強(qiáng)。吊耳附近混凝土的拉應(yīng)力結(jié)果如圖3?所示，可見(jiàn)，混凝土主拉應(yīng)力最大值為11.964 MPa，發(fā)生在混凝土與上部鋼板接觸附近位置，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了C50 混凝土抗拉強(qiáng)度極限值ftk=2.64 MPa，此處混凝土有被拉裂、脫落的可能?？紤]到計(jì)算模型中該處因?yàn)樵O(shè)置了上錨板為固定的約束條件，導(dǎo)致鋼板與混凝土的變形不一致，局部有應(yīng)力集中，因此計(jì)算值比實(shí)際情況偏大。最大主壓應(yīng)力值為19.26 MPa，發(fā)生在混凝土與上錨板接觸附近位置，小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，混凝土不會(huì)被壓碎。

圖3 應(yīng)力分布Fig.3 The Stress Distribution （MPa）

通過(guò)以上有限元數(shù)值分析，可見(jiàn)柔性吊耳的鋼絞線強(qiáng)度雖小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，但安全系數(shù)不夠；吊耳上錨板處應(yīng)力集中明顯，混凝土局部應(yīng)力大，局部可能崩裂，需要加強(qiáng)。為了保證吊耳的吊裝安全，提出以下優(yōu)化措施，包括：①每個(gè)吊點(diǎn)的鋼絞線由3 根增加至5 根，即墩頂?shù)醵灿?0 束鋼絞線，增大安全系數(shù)；②將上錨板處鋼板換成3 層φ14 的鋼筋網(wǎng)（100 mm×100 mm），減少應(yīng)力集中；③下錨板厚度加厚至10 mm，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的吊耳示意圖Fig.4 The Schematic Diagram of Optimized Lifting Lug Scheme （mm）

考慮以上各項(xiàng)優(yōu)化措施，進(jìn)行優(yōu)化后的吊耳有限元計(jì)算，在翻轉(zhuǎn)工況下出現(xiàn)了最不利的應(yīng)力分布，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后吊耳在翻轉(zhuǎn)工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Fig.5 The Stress Distribution of Optimized Lifting Lug（MPa）

可見(jiàn)，優(yōu)化后的吊耳頂部最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在翻轉(zhuǎn)工況，為558.2 MPa，小于鋼絞線設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%。吊耳附近混凝土拉應(yīng)力最大值為2.03 MPa，發(fā)生在混凝土與鋼絞線附近位置，而C50 混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.64 MPa，此處混凝土可能頂部會(huì)出現(xiàn)輕微開(kāi)裂或者脫落。最大壓應(yīng)力為27.1 MPa，在墩頂鋼絞線錨固點(diǎn)附近，在該位置存在局部應(yīng)力集中。鑒于有限元計(jì)算的條件比實(shí)際試件吊裝情況更理想化，因此，為確保吊裝過(guò)程中的安全，以及吊耳結(jié)構(gòu)的鋼絞線錨固可靠，還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 吊耳現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)分組

進(jìn)行了兩部分試驗(yàn)：①吊耳單根鋼絞線承載力和錨固深度試驗(yàn)；②優(yōu)化方案的吊耳現(xiàn)場(chǎng)吊裝試驗(yàn)，如圖6所示，受力工況包括垂直起吊和90°翻轉(zhuǎn)2種。

圖6?、圖6?是單根鋼絞線承載力試驗(yàn)，鋼絞線采用φs15.2，改變3 種錨固深度（0.8 m，1.0 m，1.2 m），以確定單根鋼絞線在垂直起吊和90°翻轉(zhuǎn)工況下的極限承載力大小，并確定合理的錨固深度。試驗(yàn)時(shí)，將單根鋼絞線預(yù)埋入鋼筋混凝土立方體構(gòu)件中，尺寸為1.5 m×1.5 m×1.5 m，采用與預(yù)制墩柱同標(biāo)號(hào)的C50 混凝土。垂直起吊工況下的鋼絞線吊點(diǎn)布置于構(gòu)件頂部；翻轉(zhuǎn)工況下的布置于構(gòu)件側(cè)面，混凝土頂面鋼絞線下面布設(shè)鋼絲網(wǎng)片加強(qiáng)。試驗(yàn)時(shí)千斤頂逐級(jí)加載至鋼絞線拉斷或拔出，則荷載加載完畢。試驗(yàn)結(jié)束后，觀察混凝土破壞情況及鋼絞線破壞情況。確定鋼絞線的錨固深度后，采用優(yōu)化后的吊耳方案，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)墩柱吊裝試驗(yàn)，如圖6?所示。

圖6 吊耳試驗(yàn)Fig.6 Tests of Lifting Lugs

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

主要試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。單根鋼絞線吊裝試驗(yàn)結(jié)果表明鋼絞線均在混凝土以外吊點(diǎn)范圍內(nèi)被拉斷。垂直起吊工況下，混凝土只在表面發(fā)生輕微破碎現(xiàn)象，范圍小，深度淺；翻轉(zhuǎn)工況時(shí)在鋼絞線與混凝土的接觸部位發(fā)生輕微混凝土的破碎。2種工況下的承載力結(jié)果表明，最優(yōu)錨固深度為1.0 m，此時(shí)，單根鋼絞線在垂直吊裝和翻轉(zhuǎn)時(shí)，最大承載力分別為46 t、35 t；本文優(yōu)化設(shè)計(jì)方案鋼絞線總共10 根，2 種工況下的最大承載力理想狀態(tài)下分別達(dá)到460 t、350 t，滿足預(yù)制墩柱92 t的吊裝要求，并有較高的安全儲(chǔ)備。

表1 試驗(yàn)分組及主要結(jié)果Tab.1 Test Groups and Main Results

采用優(yōu)化后的吊耳方案的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論翻轉(zhuǎn)工況或是垂直工況，均未發(fā)現(xiàn)有明顯的變形和損壞現(xiàn)象，可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的吊耳，順利實(shí)現(xiàn)了本項(xiàng)目中墩柱的各種吊裝情況。

4 結(jié)論

本文通過(guò)有限元數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，對(duì)大噸位裝配式橋墩的吊耳進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，主要得到以下結(jié)論：

⑴對(duì)柔性吊耳的初步方案設(shè)計(jì)進(jìn)行有限元數(shù)值分析，結(jié)果表明：吊點(diǎn)最大應(yīng)力接近鋼絞線的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，安全儲(chǔ)備不夠；在墩柱頂部的吊點(diǎn)附近，出現(xiàn)較大應(yīng)力集中，混凝土容易崩裂，需進(jìn)行加強(qiáng)。

⑵提出優(yōu)化措施，經(jīng)過(guò)受力分析，滿足預(yù)制墩柱垂直吊裝、90°翻轉(zhuǎn)吊裝2種工況的受力要求。

⑶吊耳現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定了吊耳的極限承載力及最優(yōu)錨固深度，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出的吊耳優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可靠性。