U型梁陆地运输过程中梁体的抗倾覆研究

蔡慧静 叶 琪 蔡煜梁

1宁波市建设工程安全质量管理服务总站（315000） 2 宁波市城市基础设施建设开发有限公司（315000）3 宁波工程学院（315211） 4 浙江省土木工程工业化建造工程技术研究中心（315211）

U型梁具有建筑高度低、降噪效果好、外形美观等诸多优点，近年来在地铁高架线路中得到广泛使用。随着国家大力推行预制装配化，U型梁也由现场现浇施工转变为工厂化集中预制。U型梁在预制场养护完成后，需用车辆运送到指定标段进行架设。

1 工程概况

机场快速路南延南段工程位于宁波市鄞州区和奉化区，北起绕城高速、南至岳林东路，线路全长约14.4 km，工程路线如图1 所示。规划在方桥镇建立U型梁预制场，预制梁片共计538 片，预制U型梁最大跨径为35 m[1]。

35 m U型梁采用先张法和后张法联合施工工艺，梁高 2.005 m、顶宽 5.35 m、底宽 3.95 m，底板厚度为27 cm，梁重222 t。U型梁跨中横断面如图2 所示。

图2 U型梁跨中横截面

由于该项目处于交通较为繁忙的路段，道路运输时需特别注意大跨径、大吨位U型梁在城市道路运输过程中的安全性和稳定性问题，一旦发生梁体倾覆，将极大影响道路通行状况，并带来不可估量的经济损失。

2 运输方案

U型梁预制场位于地铁线路西侧，沿线向南北两个方向往各个标段运送U型梁，向北运输终止于莫方路，向南运输终止于岳林东路，运输总量为538片[2]。

2.1 预制梁运输路线选择依据

预制U型梁运输严格按照国家及相关部门对大型设备运输的有关规定及要求，以U型梁的规格参数和重量为根据，结合运输设备及装车运输技术对各方面的运输参数和条件加以限制，以安全可靠性、经济适用性、实际可操作性、高效迅速性为原则。运输线路选择依据有:①因高速公路运输速度较快，而槽型梁运输速度相对较慢，故不选用高速公路运输方式；特殊情况下方可选用；②施工便道分段设置；③运梁通道选择等级较高的主干路；④横向道路选择路况较好的次干路；⑤每段便道原则上配备主、辅运输路线（特殊路段除外）；⑥选择桥梁较少的主干道公路；⑦选择车流量较少的路段。

2.2 运输过程中梁体的防扭转、防滑移措施

为了保证预制U型梁在运输过程中的平稳性，避免梁体在车辆转向过程中受到损伤，在运输车上增设了转盘平衡支撑机构，该设施能实现360°旋转，具有自动调整转向、倾斜度等功能。预制U型梁运输专用转盘机构如图3 所示。

2.3 运梁过程中相关要求

运梁便道的承载力＞5 t/m2、坡度＜3%，宽度不得低于6 m；弯道处的转弯半径不得低于30 m，弯道处勿设横坡，以免造成U型梁的损坏。便道两边不得设硬障碍物，以免对梁体造成碰擦损坏。

图3 U型梁运输转盘

在一般道路上直行速度约为20 km/h，通过转弯道路时速度为5 km/h；在通过路口时按押运车的指挥信号安全匀速通过；通过桥梁时不得加减速及紧急制动，需匀速通过桥梁及涵洞。

3 运梁安全性分析

3.1 纵坡稳定性分析

根据U型梁运输方案，运梁便道的坡度＜3%、角度为1.718°。运输时运输车和梁体之间铺设防滑橡皮，以增大摩擦力。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，橡胶与混凝土的摩擦系数为0.3，橡胶与钢板的摩擦系数为0.25，所以橡胶与运输车接触面最先发生滑动。U型梁在道路纵坡上的受力情况如图4 所示，其中为摩擦力[3]。

图4 U型梁在道路纵坡上受力简图

U型梁重力为:G=222 000×9.8=2 175 600 N；

摩擦力为:f=0.25×cos1.718°G=543 655.5 N；

与摩擦力方向相反的重力分力为:Gsin1.718°=65 255.1 N。

由于f＞Gsin1.718°，故在坡度＜3%的便道上运输时，U型梁不会发生下滑。

3.2 U型梁抗倾覆稳定验算

U型梁运输过程中，转弯半径太小可能会导致U型梁离心力太大，进而发生倾覆现象。根据U型梁实际运输方案，U型梁最小转弯半径r=30 m，通过转弯道路时的最大限速为5 km/h。U型梁运输车辆转弯示意如图5 所示[4]。

图5 U型梁运输车辆转弯示意图

通过道路转弯处时速度v=5 km/h=1.389 m/s，由于道路转弯处未设置横坡，则在转弯处U型梁的离心力为:

运输过程中U型梁处于简支状态，其受力横截面如图6 所示，其中:F为离心力；G为重力；h为离心力作用点距离支座水平截面的距离，计算得h=0.73 476 m；b为重力作用点距离支座竖直截面的距离，为1.745 m。

图6 U型梁受力图

由图6 可知，由离心力产生的弯矩为:

M离=F离·h=14 277×0.73 476=10 490 N·m

由重力产生的弯矩为:

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

参照JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 第4.1.8 节关于梁桥抗倾覆性能验算的相关规定，对槽形梁运输过程中的倾覆稳定性能进行验算。U型梁运输过程中的抗倾覆安全系数:

为了验证上述抗倾覆计算的准确性，采用有限元软件ABAQUS 进行数值模拟分析。建立U型梁实体有限元模型，如图7 所示，模型中考虑了普通钢筋和预应力钢筋[5]。

图7 U型梁有限元模型

模型共设有两个加载分析步，第一个分析步施加自重和预应力荷载，第二个分析步施加横向离心力荷载。在施加离心力荷载时，要先找到梁体的质心，将其与同高度的梁平面耦合，然后在形心上施加10 000 kN 的横向离心力，耦合约束及施加离心力如图8 和图9 所示。

图8 U型梁质心与梁平面耦合

图9 施加横向离心力

根据理论计算结果，支座1（或支座3）支反力随分析步变化的时程曲线如图10 所示。

根据时程曲线图可知，在1.393 4 分析步，支座1（支座3）支反力为0，此时即为U型梁倾覆的临界状态，对应的离心力为:

Fu=10 000×0.393 4=3 934 kN

则U型梁在运输过程中的抗倾覆安全系数为:

图10 支座1（支座3）支反力-分析步时程曲线图

由上述计算分析可知，由ABAQUS 软件计算得到的安全系数略小于受力分析计算所得的安全系数361.9，原因在于受力分析计算时采用的模型为简化的二维横截面模型，相当于满布支座的情况，而有限元分析的模型与实际情况更为接近。二者结果都远大于JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中规定的稳定安全系数2.5，故认为采用本运输方案运输时，U型梁具有良好的抗倾覆性能[6]。

3.3 U型梁水平抗滑移验算

U型梁运输时，在运输车与梁体之间铺设防滑橡皮，以增大摩擦力。橡胶与混凝土的摩擦系数为0.3，橡胶与钢板的摩擦系数为0.25，所以橡胶与运输车接触面最先发生滑动。

滑动摩擦力大小为:

Ff=G·μ=222 000×9.8×0.25=543 900 kN

转弯处U型梁的离心力大小为:

因此，U型梁水平向抗滑移满足要求。

4 结论

1）根据理论分析结果，U型梁实际运输过程中，按照运输方案中的相关规定运输是安全的。

2）为了提高梁体的纵坡稳定性，可采用打包带及手拉葫芦对梁体两端头及转盘接触点进行捆扎，但须保证捆扎不会损伤梁体及其外观的整洁性。

3）在进行梁体陆地运输抗倾覆研究时，采用实体单元模型比采用简化二维受力分析模型能更好地模拟支座约束情况，模拟结果与实际情况更为接近。