吊装过程中的城市轨道交通U型梁力学性能分析

叶 琪 金增选 张胜林 蔡煜梁

1宁波市城市基础设施建设开发公司（315040） 2 宁波工程学院建筑与交通工程学院（315211）3 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、外形美观以及安全高效等特点[1]，在地铁高架线路中被广泛采用。相比于箱梁，U型梁属于下承式开口薄壁截面形式，其整体抗弯、抗扭性能较弱[2]，开裂问题较为突出。而混凝土一旦开裂，钢筋容易发生锈蚀，从而影响整体结构耐久性，缩短工程使用年限[3]。

针对U型梁开裂问题，国内外学者开展了相关的研究工作[4]。2008 年，广州地铁2 号线首次采用了U型梁，为了验证梁体的承载能力是否满足要求，苏建华[5]对该工程25 m U型梁开展了足尺破坏性静载试验。2009 年，南京地铁2 号线同样采用了25 m 跨径的预应力混凝土U型梁，黎庆[6]分别对其开展了足尺静载试验和节段模型疲劳试验，研究认为： 在设计荷载作用下，U型梁纵向受力满足要求，但梁体横向应力较大，容易引起混凝土开裂。2010 年，庄严[7]、王彬力[8]分别对重庆轨道交通 1 号线30 m U型梁进行了静载及疲劳试验，研究了结构的强度、刚度、抗裂性能、承载能力和疲劳问题。2018 年，梁岩[9]等首次通过有限元分析方法，对郑州地铁南四环至郑州南站线路中跨径为30 m 的U型梁开展了吊装施工过程中的力学性能分析，研究结果认为:受梁体自身截面形式影响，吊装高差需严格控制，否则极易出现不平衡吊装时的梁体开裂问题。

综上所述，以往的研究主要是通过静载及疲劳试验来分析U型梁在设计荷载作用下的抗裂性能，而对U型梁在吊装过程中的抗裂性能的研究十分稀少。随着U型梁逐渐向大跨径发展，梁体自重也不断加大，特别是早期场内移梁时，混凝土龄期小，预应力只完成初张拉，早期移梁过程是否会对梁体产生不利影响值得我们深入研究。

因此，文章结合某轨道交通高架桥项目，对目前国内最大跨径的35 m U型梁开展三维数值模拟分析，研究其吊装过程中的受力状态，并开展实际吊装过程中的试验跟踪测试，以研究分析吊装施工方案的安全性及合理性。

1 工程概况

本研究U型梁标准跨径为35 m，梁体横向宽度为5.1 m，梁高1.875 m；除梁端1 m 为底板加厚区外，梁底板厚度为27 cm；设计采用C60 纤维混凝土，整体重量约为220 t。U型梁端部横断面如图1 所示，预应力采用先张+后张相结合的形式，预应力钢绞线选用φ15.2 mm 高强度低松弛钢绞线。在U型梁底板共设置了64 根纵向先张预应力钢绞线S，张拉控制应力σcon=1 339 MPa；在U型梁两侧腹板及底板共设置了6 束后张预应力束N1 和N2。

图1 U型梁端部横断面（单位:mm）

U型梁吊装孔设置如图2 所示，一端设4 个吊孔，每个吊装孔的直径均为80 mm；另一端对称布置。

当U型梁浇筑完成后、养护时间达到5 d 时，进行脱模及先张预应力筋放张，此时未进行后张预应力张拉。U型梁放张完毕后，采用250 t 轮胎式提梁机起梁，将U型梁吊出制梁台座，并移向存梁区。

2 试验方案

在U型梁混凝土浇筑前，分别在各控制截面埋设振弦式混凝土应变计。U型梁控制截面选取如图3 所示，其中：1-1、5-5 为 U型梁截面渐变处，2-2、4-4 为 U型梁 1/4 断面处，3-3 为 U型梁跨中截面。

图2 U型梁吊装孔设置（单位:mm）

图3 槽型梁预应力测点断面位置示意图

各控制截面纵、横向应力测点布设情况如图4所示。

图4 各控制截面应力测点布设情况

吊装测试以梁体脱去内模、准备场内移梁时为试验初始状态，此时梁体置于外模中，采集传感器数据作为试验初始值。试验共分为三个测试工况:U型梁起吊（工况一）；U型梁行进（工况二）；U型梁落梁（工况三）。分别在每个测试工况采集传感器应变数据，现场试验照片如图5 所示。

图5 U型梁吊装试验

3 吊装试验结果分析

3.1 纵向应力分析

移梁过程中，U型梁底板中部Z-5 测点及内侧腹板底Z-7 测点纵向应力变化分别如图6 和图7所示。由图6 和图7 可知，工况一和工况二混凝土应力变化情况基本一致；工况三完全落梁后，由于吊装点约束转变为更靠近梁端的存梁台座支座约束，导致梁底拉应力增加。

图6 U型梁底板中部纵向应力变化

图7 U型梁内腹板底处纵向应力变化

3.2 横向应力分析

U型梁3-3 截面及1-1 截面各测点横向应力变化如图8 和图9 所示。由图8 和图9 可知，在U型梁吊装过程中，靠近吊装点的1-1 截面横向应力变化较大，最大横向应力变化出现在工况二U型梁底腹板交界处上表面（H-2 测点），其值为2.73 MPa。

4 数值模拟分析

4.1 有限元建模

采用数值分析方法，建立35 m U型梁全梁精细化模型。模型中混凝土采用实体单元C3D8(R)，单元网格尺寸为10 cm，全梁共分为99 400 个单元；预应力筋及普通钢筋采用桁架单元T3D2，并嵌入至混凝土中，通过降温法模拟预应力效应。U型梁整体网格划分如图10 所示。通过在U型梁吊装孔位置建立四个参考点，模拟吊装施工。

图8 U型梁3-3 截面横向应力变化

图9 U型梁1-1 截面横向应力变化

图10 U型梁网格划分

4.2 理论值与试验值对比

U型梁吊装过程中各控制截面内侧腹板底Z-7测点和外侧翼缘顶Z-1 测点与有限元分析对比结果分别如图11 和图12 所示；工况三的混凝土应变值分别减去工况一、工况二的混凝土应变值，得到图中的试验值1 和试验值2。由图11 和图12 可知，在吊装过程中，U型梁内侧腹板底基本承受拉应力的最大值为0.88 MPa，而外侧腹板顶基本承受压应力的最大值为-2.29 MPa。整体而言，理论计算值与模拟值吻合较好，最大差值为0.27 MPa。

图11 U型梁内侧腹板底纵向应力变化

图12 U型梁外侧腹板顶处纵向应力变化

4.3 吊装分析

U型梁场内移梁时，C60 纤维混凝土龄期为5 d；使用现场预留的混凝土试块，测得此时混凝土抗拉强度值为3.40 MPa。U型梁吊装时底腹板结合处纵向应力如图13 所示。由图13 可知，在吊装过程中，U型梁底板交界处纵向均承受压应力，且整体呈抛物线分布。由于U型梁横截面不完全对称，导致内、 外侧腹板与底板结合处应力不完全一致，但整体差异较小。

U型梁吊装截面第一主应力如图14 所示。由图14 可知，U型梁吊装时，底腹板交界处上表面承受拉应力，且靠近吊装孔位置出现了局部应力集中现象。为了保证梁体吊装孔位置受力安全，需对吊装孔局部钢筋进行加密，以保证吊装孔附近混凝土不发生开裂。

图13 底腹板交界处纵向应力

图14 吊装截面第一主应力云图

5 结论

根据某工程35 m U型梁整体吊装试验及有限元模拟分析，得出以下结论:

1）U型梁吊装过程中，梁体整体受力安全，测试最大横向应力出现在U型梁底腹板交界处上表面，其值为2.73 MPa。

2）根据理论计算结果，在U型梁吊装过程中，底腹板交界处纵向均承受压应力，且整体呈抛物线分布。

3）为了避免吊装孔附近混凝土因应力集中而发生开裂，需对吊装孔局部钢筋进行加密，或采用预埋钢板的形式。