大跨度全封閉聲屏障鋼結(jié)構(gòu)吊裝吊點(diǎn)優(yōu)化數(shù)值研究

于慧龍

（中鐵二十二局集團(tuán)市政工程有限公司，廣東 廣州 510000）

1 緒論

伴隨施工條件環(huán)境以及技術(shù)的進(jìn)步，大多數(shù)的大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程已經(jīng)采用機(jī)械吊裝的安裝方式，其中有分節(jié)點(diǎn)吊裝和一體吊裝。雖然這類施工方式節(jié)能環(huán)保、方便快捷，但是對(duì)施工和技術(shù)要求較高，易引起工程事故，作業(yè)過程中出現(xiàn)的大量問題未獲得相應(yīng)的處理。目前已經(jīng)很多學(xué)者對(duì)橋梁聲屏障的施工方法和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研究分析。

2 工程概況

廣州北站綜合交通樞紐項(xiàng)目——云山大橋東側(cè)高架橋工程位于廣州市花都區(qū)，為城市主干道，規(guī)劃紅線寬度一般路段36.5~39.5 m。

云山大橋東側(cè)高架橋地處繁華地段，東側(cè)高架橋建成后，距離附近居民區(qū)較近，兩側(cè)敏感點(diǎn)所處區(qū)域聲噪環(huán)境預(yù)計(jì)將超出相應(yīng)聲噪功能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的限值，直立聲屏障效果不足，隔音效果不佳，故應(yīng)采取更有效措施解決高架橋交通噪聲污染。

3 基于三維有限元素模擬吊點(diǎn)高度優(yōu)化

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)性能合理的布置吊點(diǎn)，吊裝機(jī)械的相關(guān)適用性能以及索具合理配置情況來確保吊裝作業(yè)的安全可靠，通過綜合分析，得到安全可實(shí)施的吊裝方法，從而達(dá)到優(yōu)化吊點(diǎn)高度的目的。在現(xiàn)場實(shí)施過程中，首先根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)自身的重量與吊裝機(jī)械的起重最大工作安全范圍能力值，以確保吊點(diǎn)位置及數(shù)量的合理性，再對(duì)荷載值進(jìn)行合理的分配，施加合適的約束力，通過軟件分析獲得鋼結(jié)構(gòu)的受力情況，根據(jù)吊裝機(jī)械的工作行程，進(jìn)行合理的布置吊點(diǎn)。但是在現(xiàn)場實(shí)際施工作業(yè)中，會(huì)發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)吊裝的應(yīng)變能受隨著吊索應(yīng)變能的改變而改變，且呈正比狀態(tài)。對(duì)于一般情況下，鋼結(jié)構(gòu)體系自身含有能量越低，其自身的結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。若在受力條件固定的情況下，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的既有能量隨著約束條件的不同而改變。以此可以推斷，只要做到結(jié)構(gòu)約束的合理性，以及優(yōu)化約束布局，才能有效控制其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)。那么在吊裝施工時(shí)，對(duì)于吊點(diǎn)位置的布置過程其實(shí)也是在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束，在吊裝能量體系中，進(jìn)行能量位置最小處進(jìn)行布置，才是最佳的方案。

4 大跨度全封閉聲屏障施工數(shù)值模擬研究

4.1 起吊高度的基本原則

大跨度全封閉聲屏障構(gòu)件安裝需要利用鋼結(jié)構(gòu)對(duì)聲屏障板進(jìn)行固定。對(duì)于規(guī)格較大的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行吊裝時(shí)，在起吊高度不同的情況下，對(duì)結(jié)構(gòu)的影響也會(huì)有所不同，所以在施作起吊至合適高度時(shí)，應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面：

（1）當(dāng)起吊過高時(shí)，結(jié)構(gòu)需配備長繩索，由于繩索過長，所以在風(fēng)的影響下，會(huì)對(duì)吊裝作業(yè)產(chǎn)生較大難度，結(jié)構(gòu)在風(fēng)力的作用下發(fā)生較大偏移，增大生活區(qū)域內(nèi)吊裝作業(yè)的安全隱患。由于繩索較長，再加上起重設(shè)備自身受限，會(huì)使結(jié)構(gòu)無法精準(zhǔn)地安裝到正確位置。

（2）當(dāng)起吊過低時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)繩索的夾角會(huì)變小，繩索所受的力會(huì)增加，同時(shí)因?yàn)槠鸬踹^小的角度，所以會(huì)使鋼桁架水平分力加大、臂桿受力負(fù)載過大，產(chǎn)生屈曲狀態(tài)。

（3）選擇適中的起吊高度，鋼結(jié)構(gòu)和繩索的受力均會(huì)比較合理，在整體施作中會(huì)使鋼構(gòu)件更為平穩(wěn)。

因此，合適的起吊高度就是在一個(gè)標(biāo)高范圍內(nèi)，吊索的索力以及結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)均處于合適的范圍內(nèi)，而通常確定這一合理的吊高范圍都是由經(jīng)驗(yàn)來決定，通常取吊索的夾角為60°左右。因此，合適的吊裝高度會(huì)使得鋼結(jié)構(gòu)和繩索的受力處在合理的界限內(nèi)，這一界限多數(shù)取決于施工經(jīng)驗(yàn)，一般角度為60°（±5°）。

4.2 大跨度鋼結(jié)構(gòu)吊裝過程受力變形分析

基于三維有限元模擬，采取多種吊裝方式對(duì)該鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，分別有單點(diǎn)吊裝，三點(diǎn)吊裝，五點(diǎn)吊裝。通過這幾種吊裝方式分析大跨度鋼結(jié)構(gòu)的x方向的變形和z方向的變形，總結(jié)出最佳的吊裝吊點(diǎn)布置方案。

三維有限元模擬基本步驟：定義材料屬性→定義材料截面尺寸→建立模型→劃分單元→添加單元材料屬性→添加邊界條件→添加荷載→定義施工階段→激活邊界與荷載→求解→后處理結(jié)果。

4.3 單吊點(diǎn)吊裝模擬分析

從以下單點(diǎn)吊裝模擬結(jié)果圖中可以看出，單點(diǎn)吊裝方式在模擬中產(chǎn)生的位移變形都比較大，原因在于單點(diǎn)吊裝對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的約束條件太少，吊裝過程在自重影響下更容易產(chǎn)生變形積累導(dǎo)致下端變形變大，因此在實(shí)際工程施工中大跨度鋼結(jié)構(gòu)的吊裝應(yīng)盡量避免采用單點(diǎn)吊裝的方式，以免鋼結(jié)構(gòu)變形過大，對(duì)精確安裝產(chǎn)生不良影響。

圖1 X方向變形

圖2 Z方向變形

圖3 總位移變形

4.4 三吊點(diǎn)吊裝模擬分析

圖4 X方向變形

圖5 Z方向變形

圖6 總位移變形

對(duì)比三點(diǎn)吊裝和單點(diǎn)吊裝的模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，吊點(diǎn)附近的變形極小，遠(yuǎn)離吊點(diǎn)的大跨度鋼結(jié)構(gòu)位移變形逐漸增加，最終在鋼結(jié)構(gòu)下端立柱位置處產(chǎn)生了相對(duì)較大的變形。說明采用三點(diǎn)吊裝方法模擬的位移形變大幅降低，這是由于大跨度鋼結(jié)構(gòu)下端受重力影響較大所致，符合實(shí)際工程中的變形規(guī)律，證明三點(diǎn)吊裝在實(shí)際工程施工中有較大的實(shí)用性。

4.5 五吊點(diǎn)吊裝模擬分析

圖7 X方向變形

圖8 Z方向變形

圖9 總位移變形

五點(diǎn)吊裝數(shù)值模擬結(jié)果與三點(diǎn)吊裝的變形規(guī)律與總位移規(guī)律接近，均為吊點(diǎn)位置附近幾乎沒有變形，遠(yuǎn)離吊點(diǎn)的鋼結(jié)構(gòu)位移逐漸增加。采用五點(diǎn)吊裝的大跨度鋼結(jié)構(gòu)柱腳端位移變形進(jìn)一步減小，總位移變形最大處約為2 mm，滿足安裝誤差要求。因此，在吊裝方案選擇上采取五點(diǎn)吊裝更能保證大跨度全封閉聲屏障高效化安裝。

5 結(jié)論

文章基于對(duì)云山大橋東側(cè)高架橋的全封閉聲屏蔽安裝的研究，用多種吊裝方式進(jìn)行模擬，結(jié)合三維有限元模擬技術(shù)，對(duì)單點(diǎn)吊裝、三點(diǎn)吊裝和五點(diǎn)吊裝情況下，產(chǎn)生的不同位移變形做出了清晰的比較。得出單點(diǎn)吊裝受力約束小，位移偏大，施工過程易發(fā)生危險(xiǎn)；三點(diǎn)吊裝位移穩(wěn)定，但是落點(diǎn)精度不夠，影響安裝效率；五點(diǎn)吊裝位移更加穩(wěn)定，柱腳處僅為2 mm，保證安全的前提下，定位更加精確，從而縮短施工工期，提高對(duì)工期節(jié)點(diǎn)的控制，同時(shí)為現(xiàn)場安全施工提供決策依據(jù)，保證施工安全及施工質(zhì)量。通過技術(shù)的應(yīng)用，為類似工程的施工提供借鑒意義，且具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。