城市轨道交通高架工程中槽型梁吊装施工过程的力学特性分析*

2018-08-20毛瑞敏袁会丽

城市轨道交通研究 2018年8期

梁岩毛瑞敏李杰袁会丽

(郑州大学土木工程学院，450001，郑州//第一作者，讲师)

槽形梁是一种具有建筑高度低、噪声小、断面空间利用率高、安全可靠及外型美观等优点的下承式桥梁结构，因此被广泛应用于城市高架轨道交通工程[1]。槽型梁腹板和道床板的结合部位受力复杂，从模板的架设、钢筋笼的吊装、预应力筋的铺设到混凝土的浇筑，每一道施工工序都关乎梁体的预制质量[2-6]。国内外研究槽型梁施工方法、结构噪声的文献[7-11]较多，但研究槽型梁吊装过程中受力状况的较少，有待进一步研究。

本文采用ANSYS有限元软件建立槽型梁精细模型，通过槽型梁在吊装过程中的平衡受力及不平衡受力比较分析其力学性能和安全性，并提出施工建议，改善槽型梁施工过程中的受力状况。

1 工程概况及有限元建模

本次施工设计的范围为郑州轨道交通南四环站至机场站，线路全长31.7 km，其中,高架段(祥云路站—孟庄路站)长16.03 km，地下线长14.4 km，过渡段长1.27 km。

高架桥为U型简支梁，其施工采用后张法梁场整孔预制梁体，梁上运梁，架桥机、汽车吊和龙门吊架设，梁体最大运架质量为191 t。预制U型梁梁宽分别为5.17 m、5.37 m、5.57 m，跨中梁高1.8 m，支点梁高1.94 m，跨中道床板厚0.24 m，梁端道床板厚0.40 m,腹板一侧呈折线，另一侧呈圆弧线不对称分布。U型简支梁横截面图如图1～2所示。

使用材料：梁体混凝土强度等级为C55，槽型梁采用纵向预应力,纵向腹板采用9-Φs15.2的高强度低松弛预应力钢绞线(GB/T 5224—2003技术标准)，道床板采用7-Φs15.2的高强度低松弛预应力钢绞线(预应力钢绞线标准强度fpk=1 860 MPa，杨氏模量Ey=1.95×105 MPa)。腹板预应力筋张拉控制应力为0.67fpk=1 246.2 MPa。道床板预应力筋张拉控制应力为0.72fpk=1 339.2 MPa。

单位:mm

图1 U型简支梁支点梁横截面

单位:mm

图2 U型简支梁跨中横截面

采用Solid65实体单元模拟梁体混凝土，Link8杆单元模拟预应力钢筋；采用耦合方式连接预应力钢筋和混凝土，施加初应变模拟预应力效应；采用映射网格划分方式保证实体模型的精确度。横截面网格划分示意图如图3所示。沿桥纵向，梁端部1.4 m范围内的纵向单元尺寸为0.15 m，其余位置的纵向单元尺寸为0.3 m，整体网格划分如图4所示，选取的截面位置如图5所示。

图3 横截面网格划分

图4 整体网格划分

图5 截面位置(L=30 m)

部分节点位置如图6所示。把纵向沿节点30的位置称为道床板下表面左侧，沿节点27的位置称为道床板下表面右侧。支座约束如图7所示，节点30在支座1、支座3一侧，节点27在支座2、支座4一侧。

图6 部分节点位置图

图7 支座约束示意图

2 吊装过程中槽型梁的力学特性

2.1 槽型梁起吊设备及工艺

槽型梁属于开口薄壁结构，抗扭性能差，且槽型梁吊装过程又是预制槽型梁拼装施工过程中的关键步骤，因此无论是把初张拉后的槽型梁从制梁场起吊运输至存梁场，还是把槽型梁从存梁场提运至场外牵引汽车或平板挂车，每个过程都必须严格按照技术要求和标准进行作业。预制梁在制梁场内运输、存梁及出场装运过程中，吊点和支点距梁端的距离必须满足下列要求：

(1)槽型梁的吊点设在梁端腹板内侧，采用钢棒插入吊装孔吊装的方式。

(2)在吊梁过程中应保证各吊点受力均匀，梁体4个支点应位于同一平面内，误差不应大于2 mm。

(3)槽型梁起顶、吊运、存放时的最大悬臂长度为0.9 m。工程施工时采用的主要吊装设备是DLM300型轮胎式提梁机，主要分为承载结构、起升系统、液压行走系统和动力系统等。承载结构由台车立支腿、主梁、端梁、起重小车、卷扬机组成，实际结构呈箱形大梁形状。起升卷扬机采用液压马达驱动，钢丝绳工作原理如图8所示，遵循“四点起吊，三点平衡”原理，确保吊具平衡系统三点稳定作业。该起吊方式可避免槽型梁在吊装过程中发生扭转，对槽型梁起到了最佳保护作用。在吊点测量控制系统中，应确保每个吊点实际容重和4支点的反作用力平均值不超过5%。

图8 卷扬机钢丝绳缠绕效果图

两组吊具都固定在吊梁小车上，每个液压卷扬机均装有机械常闭式制动器，混凝土梁吊装到位后，同时关闭液压马达和制动器，保证运梁机行车时梁体不下落。起升机构安装了质量传感器，用于起升机构的超载保护。吊梁工艺如下：

(1)提梁机在存梁区完成试运行后，调整就位；将吊具缓慢放下，调整纵、横向的位置，使吊具中心和吊孔中心完全重合；吊具上的高强螺栓对准吊装孔后，慢慢下降到位，下降过程中轻微晃动吊具，避免螺栓卡住。

(2)吊轴穿入梁体吊孔中，垫上圆形垫圈，上紧螺帽；挂钩后，慢慢起升至钢丝绳处于微拉紧状态，后逐渐调试至完全对中。避免由于对中不精确造成梁体横向、纵向偏移。

(3)对中后，两端起吊系统应保持点动渐进加载；当钢丝绳处于绷紧状态后，要把钢丝绳卡环重新拧紧，并确保绳夹的螺母、丝杆、鞍座等处于完好状态；然后逐次递进加载，直到梁体刚离开梁座。

(4)起吊离开存梁台座时提梁机先提升，下降至存梁台时再降落到位，保证梁体始终处于四点静定起吊或支撑状态。梁体完全脱离台座后，使其底面距台座顶面2 cm的位置，保持2 min的静止状态，在此期间详细检查提梁机的各项指标，确保一切正常。

2.2 平衡吊装

由于预应力混凝土梁施工手册中对起吊加速度没有严格的规定，最终拟定加速度为1.0 m/s2。此时，槽型梁受自重及预应力荷载的作用。通过施加初应变的方法模拟预应力效应，采用ANSYS软件分析平衡吊装过程中槽型梁的力学特性，结果见表1～3，部分关键截面的应力分布情况见图9～12。

表1 各控制截面的力学特性结果 MPa

表1指的是控制截面上节点应力的最大值。由于出现最大应力值的位置并不固定，因此该值只是反映槽型梁整体上的力学特性。

结合表1和图9～12可知，吊装截面的第一主应力最大，最大值约为2.98 MPa，略超过混凝土的抗拉强度，其他截面的第一主应力基本在0.4～0.8 MPa之间，最大值集中在腹板和底板结合处。结合处的受力比较复杂，属于薄弱位置，设计及施工过程中需要严格执行标准。值得注意的是，吊装点附近出现局部应力集中的现象，但范围非常小。

图9 吊装处第一主应力

由表2和表3可知，在平衡吊装过程中，道床板和腹板结合处的纵向应力均为压应力，变化规律几乎一致；横向应力和第一主应力均为拉应力，左结合处的拉应力要大于右结合处的拉应力，这是由于槽型梁截面不对称，腹板为折线一侧的惯性矩偏小，所以应力偏大，但是均小于混凝土的抗拉强度。竖向位移呈抛物线分布如图13和图14所示。

图10 1 L/8截面第一主应力

图12 4 L/8截面第一主应力表2 道床板与左侧腹板结合处的力学特性

位置纵向应力/MPa横向应力/MPa第一主应力/MPa竖向位移/mm吊装点-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吊装点-3.790.390.44-0.07

表3 道床板与右侧腹板结合处的力学特性

图13 结合处节点纵向应力

图14 结合处节点竖向位移

由图13和图14可以看出，截面的不对称对纵向应力和竖向位移的影响较小，其中纵向应力最大差值为0.27 MPa左右，竖向位移最大差值为0.03 mm。

通过对以上结果分析可知，在平衡吊装的过程中，除吊装截面的横向应力和第一主应力超过混凝土的极限抗拉强度以外，其他截面的应力均在控制范围内。腹板和底板结合处的应力复杂，但均处于安全范围内。截面的不对称对纵向应力和竖向位移的影响较小，主要影响横向应力。由于槽型梁在实际的施工过程中，吊装位置附近都有预埋的钢板，分散了集中力，因此,只要严格按照施工标准,保证吊装过程中各吊索的位置准确、受力均匀，就可以保证吊装安全。

2.3 不平衡吊装

工程中无论是采用DLM300型轮胎式提梁机还是汽车吊和履带吊配合起吊槽型梁，工作原理都是通过“四点起吊，三点平衡”使槽型梁始终处于静定平衡状态。其中，为避免梁体受扭，在履带吊的吊具上架设平衡梁，通过销轴与吊具梁连接，使槽型梁处于静定支撑状态。但是，当出现吊索不等长或销轴与吊具梁连接失效时，有可能出现4个起吊点不在同一平面上的情况。本小节将通过分析槽型梁被不平衡起吊时的力学性能，进一步研究其过程中的安全性。吊装过程中，槽型梁支座3位置吊装高程低于其余3个支座2 mm。

由表4可知，当槽型梁处于4个吊点高差为2 mm的不平衡吊装状态时，各控制截面的主应力总体呈增大趋势，其中7L/8截面的应力已达2.09 MPa，该值虽仍小于混凝土的抗拉强度值，但若不平衡高差继续增大，该截面处的应力很可能达到极限强度。表4数据表明，当槽型梁处于不平衡吊装时，受影响的梁体范围将扩展到7L/8跨径，而此范围内的梁体并没有因吊装采取相应的加固措施。这也说明在吊装过程中，保证四点平衡起吊，各吊点受力均匀的重要性。

表4 各控制截面第一主应力对比

由平衡吊装分析可知，腹板和道床板右结合处的应力比较大，以下同时分析不平衡吊装对右结合处应力及变形的影响，力学结果见表5及图16～17。

由表5可知，不平衡吊装同样引起结合处应力的变化，结合处应力总体也呈增大趋势。平衡吊装时结合处的应力均比较小，不平衡吊装时7L/8截面的应力最大，再次印证了不平衡吊装的影响范围已达到7L/8跨径。

表5 右结合处的第一主应力

由图15～16可知，不平衡吊装时，远离低吊点一侧的道床板和腹板结合处的纵向应力在4L/8跨径以后明显增加。这是由于不平衡吊装时，梁体向低处倾斜，导致高吊点处产生一定的拉应力。虽然不平衡吊装对梁体竖向位移有影响，但由于右结合处远离低吊点一侧，槽型梁总体仍呈抛物线上拱趋势。该侧结合处竖向位移差最大0.4 mm，小于吊点的2 mm高差，可以认为不平衡吊装主要影响槽型梁的应力，对变形的影响并不会影响整体质量。