预制装配式桥墩吊耳结构分析及优化

2021-08-04陆文胜郑小红

广东土木与建筑 2021年7期

宋琢，陆文胜，张迪，郑小红

（1、广州市市政工程机械施工有限公司广州510060；2、华南理工大学土木与交通学院广州510641）

0 引言

装配式桥墩技术具有预制件质量好，大幅缩短工期，减少对地面交通的干扰等优势，达到快速、环保施工的目标，近年来成为城市桥梁建设关注的热点［1-3］。预制桥墩体积大、重量重，其生产和安装过程涉及到垂直浇筑、卧式运输、垂直安装等复杂工序［4］，吊耳的结构设计对于保证预制桥墩装配技术的安全至关重要，然而目前针对装配式桥墩吊点设计、考虑吊装过程中实际受力情况的研究极少。王晓宇等人［5］以某跨海工程的预制桥墩吊装方案为例，采用ANSYS软件建立预制桥墩的数值模型，分析吊装过程中桥墩的受力，对吊装方案提出优化建议。程玉芹等人［6］建立了船舶节段吊装的A形刚性吊耳数值分析模型，计算吊耳接触强度，分析了不同载荷方向对接触力的影响。谭逸波等人［7］对港珠澳大桥某预制墩台吊装吊具进行有限元分析；刘玉贵等人［8］、卢志君［9］通过Abaqus 软件对钢吊耳的接触应力进行研究，对比分析普通板式吊耳和带加强板吊耳的受力和变形情况，提出了吊耳结构设计的改进措施；夏程［10］通过锚固试验，对比分析各种吊耳的优缺点。以上研究没有考虑在预制桥墩吊装过程中吊耳不同受力的工况，给吊装过程的安全造成隐患。因此，本文以广州市芳村大道快捷化改造项目中的装配式桥墩吊耳为研究对象，采用有限元分析和试验验证结合的方法，进行预制墩柱吊耳结构分析和优化设计。

1 装配式桥墩受力工况

本项目中的桥墩采用现场直立式浇筑混凝土预制，尺寸为1 800 mm×1 800 mm，高度为11.2 m，单根墩柱重量最大达到92 t。施工过程包括墩柱竖直浇筑；达到混凝土设计强度后，在预制场进行90°角翻转，水平放置在平板车上，运输到桥址现场；进行第二次90°角翻转成竖直状态，垂直吊装，对中，安装就位。整个过程中，吊耳存在2种受力工况：垂直起吊和90°角翻转。为了避免翻转过程中立柱底部混凝土因局部受力过大而破损，翻转前，在墩柱底部垫上一排0.5 m高的土工布卷。翻转时，柔性的土工布卷释放了墩柱由于自重荷载产生的挤压变形，以及翻转过程中转动产生的弯矩，使底部混凝土受力均匀，从而保护了柱脚。以下主要针对整个吊耳结构在墩柱自重荷载下的翻转状态、垂直起吊两种工况进行数值分析计算。

2 吊耳结构有限元分析

2.1 吊耳初步方案

为了适应预制墩柱浇筑、运输和安装的各种工况，便于翻转，提出柔性钢绞线吊耳方案，如图1所示。将吊耳设置在墩柱顶部以保证锚固可靠。为了减少单根钢绞线的受力，吊点处采用双吊耳对称设置，吊耳的主要材料为桥梁用预应力钢绞线（φ=15.2 mm），包括预埋在墩柱里面的锚固装置和伸出在外的自由端。锚固区内的钢绞线末端采用墩头锚，固定在下锚板上，钢板尺寸：150 mm×300 mm×8 mm，锚固入墩柱混凝土内，锚固深度初步设定为1.0 m。在墩柱外表面处设置一块上锚板，对钢绞线进行约束定位，尺寸为150 mm×400 mm×8 mm，防止吊耳自由端与墩柱接触处在转动等工况下对混凝土局部的破坏。根据吊装的桥墩的重量，初步确定钢绞线的数量为6束。

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

2.2 几何模型

采用ANSYS 有限元分析软件，建立1∕2 对称模型，如图2所示。钢板与混凝土之间、钢绞线与上下锚板接触位置采用固结，钢绞线与混凝土内部设置接触。混凝土、钢绞线以及钢板均采用Solid65 单元，钢绞线与混凝土的接触所设置的接触单元和目标单元分别采用CONTA172和TARGE169。

图2 钢绞线柔性吊耳有限元模型Fig.2 Finite Element Model of the Lifting Lug

钢绞线、钢板以及混凝土的本构关系采用理想弹塑性模型，其中钢绞线弹性模量为200 GPa，泊松比为0.3，钢绞线最大拉应力为1 860 MPa，钢绞线与混凝土的接触定义摩擦系数为0.3。上下钢锚板材料为Q235，屈服强度为235 MPa，极限强度为400 MPa，弹性模量为200 GPa；墩柱混凝土C50 抗压设计强度为22.4 MPa，抗拉设计强度为1.83 MPa，弹性模量为34 GPa。

2.3 约束条件

考虑垂直吊装和90°翻转2 种工况，墩柱受到重力作用，吊耳处施加竖直向上的拉力；翻转过程中，墩柱底部的土工布当铰支座。在混凝土桥墩对称面施加对称约束，对钢绞线锚固区两端施加固结约束，在吊耳上设置向上位移模拟吊装过程；对整个结构施加自重荷载。

2.4 计算结果

在翻转工况下，吊耳产生最不利的变形和应力计算结果如图3 所示。可见，吊环的最大等效应力为1 261.715 MPa，发生在钢绞线与钢板接触部位和钢绞线U 形吊钩起弯位置，接近钢绞线设计强度的75%（1 395 MPa），安全储备不够，需要加强。吊耳附近混凝土的拉应力结果如图3⒝所示，可见，混凝土主拉应力最大值为11.964 MPa，发生在混凝土与上部钢板接触附近位置，远远超过了C50 混凝土抗拉强度极限值ftk=2.64 MPa，此处混凝土有被拉裂、脱落的可能。考虑到计算模型中该处因为设置了上锚板为固定的约束条件，导致钢板与混凝土的变形不一致，局部有应力集中，因此计算值比实际情况偏大。最大主压应力值为19.26 MPa，发生在混凝土与上锚板接触附近位置，小于设计强度，混凝土不会被压碎。

图3 应力分布Fig.3 The Stress Distribution （MPa）

通过以上有限元数值分析，可见柔性吊耳的钢绞线强度虽小于设计强度，但安全系数不够；吊耳上锚板处应力集中明显，混凝土局部应力大，局部可能崩裂，需要加强。为了保证吊耳的吊装安全，提出以下优化措施，包括：①每个吊点的钢绞线由3 根增加至5 根，即墩顶吊耳共有10 束钢绞线，增大安全系数；②将上锚板处钢板换成3 层φ14 的钢筋网（100 mm×100 mm），减少应力集中；③下锚板厚度加厚至10 mm，如图4所示。

图4 优化后的吊耳示意图Fig.4 The Schematic Diagram of Optimized Lifting Lug Scheme （mm）

考虑以上各项优化措施，进行优化后的吊耳有限元计算，在翻转工况下出现了最不利的应力分布，如图5所示。

图5 优化后吊耳在翻转工况下应力计算结果Fig.5 The Stress Distribution of Optimized Lifting Lug（MPa）

可见，优化后的吊耳顶部最大拉应力出现在翻转工况，为558.2 MPa，小于钢绞线设计强度的75%。吊耳附近混凝土拉应力最大值为2.03 MPa，发生在混凝土与钢绞线附近位置，而C50 混凝土抗拉强度标准值ftk=2.64 MPa，此处混凝土可能顶部会出现轻微开裂或者脱落。最大压应力为27.1 MPa，在墩顶钢绞线锚固点附近，在该位置存在局部应力集中。鉴于有限元计算的条件比实际试件吊装情况更理想化，因此，为确保吊装过程中的安全，以及吊耳结构的钢绞线锚固可靠，还需要进一步的试验验证。

3 吊耳现场实验研究

3.1 试验分组

进行了两部分试验：①吊耳单根钢绞线承载力和锚固深度试验；②优化方案的吊耳现场吊装试验，如图6所示，受力工况包括垂直起吊和90°翻转2种。

图6⒜、图6⒝是单根钢绞线承载力试验，钢绞线采用φs15.2，改变3 种锚固深度（0.8 m，1.0 m，1.2 m），以确定单根钢绞线在垂直起吊和90°翻转工况下的极限承载力大小，并确定合理的锚固深度。试验时，将单根钢绞线预埋入钢筋混凝土立方体构件中，尺寸为1.5 m×1.5 m×1.5 m，采用与预制墩柱同标号的C50 混凝土。垂直起吊工况下的钢绞线吊点布置于构件顶部；翻转工况下的布置于构件侧面，混凝土顶面钢绞线下面布设钢丝网片加强。试验时千斤顶逐级加载至钢绞线拉断或拔出，则荷载加载完毕。试验结束后，观察混凝土破坏情况及钢绞线破坏情况。确定钢绞线的锚固深度后，采用优化后的吊耳方案，进行现场墩柱吊装试验，如图6⒞所示。

图6 吊耳试验Fig.6 Tests of Lifting Lugs

3.2 试验结果

主要试验结果如表1所示。单根钢绞线吊装试验结果表明钢绞线均在混凝土以外吊点范围内被拉断。垂直起吊工况下，混凝土只在表面发生轻微破碎现象，范围小，深度浅；翻转工况时在钢绞线与混凝土的接触部位发生轻微混凝土的破碎。2种工况下的承载力结果表明，最优锚固深度为1.0 m，此时，单根钢绞线在垂直吊装和翻转时，最大承载力分别为46 t、35 t；本文优化设计方案钢绞线总共10 根，2 种工况下的最大承载力理想状态下分别达到460 t、350 t，满足预制墩柱92 t的吊装要求，并有较高的安全储备。