某軌道交通U 型梁架設施工過程力學行為分析

忽慧濤 范 偉 孫九春

(1．山東建筑大學，山東濟南 250101; 2．騰達建設集團股份有限公司，上海 200000)

0 引言

城市軌道交通具有運量大、速度快、安全、準點、保護環境、節約能源和用地等特點。新型梁體U型梁具有降噪效果好，建筑高度低，面空間利用率高等優點，一般采用工廠化預制運至現場安裝的方法施工。吊機吊裝或者龍門吊安裝施工成本很高，占用線下場地面積很大，因此施工人員對上部結構U梁架設方法進行了大膽地創新，采用架橋機梁上架梁方案，即“定點上梁，梁上運梁，橋機架梁，自行轉跨”的方案。本文針對上海軌道交通中一簡支梁體采用仿真分析方法對其進行施工過程分析，了解運架過程中已建梁體由于施工荷載作用引起的內力變化，找出施工過程中的薄弱環節，使運架施工進一步的成熟，可作同類橋梁施工的參考。

1 工程背景

新建的上海某輕軌為U型梁簡支結構，標準跨徑為25 m，30 m和35 m。U型梁為預應力鋼筋混凝土結構，由于施工環境的影響，上部結構U梁架設采用架橋機梁上架梁方案，即“定點上梁，梁上運梁，橋機架梁，自行轉跨”的方案。在此施工方案下，運梁車采用橫跨兩片U型梁的方式布置，即將一榀U型梁的重量橫向分散到兩榀U型梁上，在縱橋向上每側設置了8個輪子，從而大大降低輪壓對結構的影響。針對梁上運梁的施工過程中的最不利的荷載位置，對已建U型梁進行以下的分析。

2 計算模型

該U型梁采用先張法預應力混凝土簡支結構，標準跨徑為30 m，斷面采用U型布置，梁高為1．8 m，總寬為5．4 m，內側凈寬為3．103 m，主梁(腹板)呈傾斜弧線布置，厚為0．25 m，道床板厚為0．25 m，道床板與主梁內側倒角為0．45 m ×0．2 m。

針對該梁體的構造及受力特點，采用橋梁專用有限元軟件Midas/Civil建立U型梁的三維有限元模型，建模方法如下:采用2節點空間梁單元建立單元模型，共30個單元，共配預應力鋼束84束，采用剛性連接和彈性連接模擬雙支座，為了使模型簡化，將運梁及架梁設備等效為荷載作用。按上述原則建立的有限元模型如圖1所示。

圖1 U型梁計算模型

3 U型梁運架工藝流程及計算工況

完整的U型梁架設工藝包括提、運、架三部分，即通過提梁機把U型梁安裝到運梁小車上，由運梁車把U型梁運送到架橋機尾部，然后由架橋機架設。其中關鍵工藝為架梁，由架橋機過孔和架橋機運梁組成(架設設備示意圖見圖2)。

圖2 運架設備示意圖

根據U型梁的架設工藝流程，U型梁的力學行為分析分為以下13個計算工況:

1)計算工況一:后天車吊梁。2)計算工況二:天車同步吊梁縱移(直線段架設)。3)計算工況三:天車同步吊梁縱移(曲線段架設)。4)計算工況四:天車吊梁橫移落梁。5)計算工況五:運梁車縱移。6)計算工況六:縱移前，架橋機由中支腿和運梁車支承，中支腿和運梁車不在同一跨U梁上，運梁車所在的U梁分析。7)計算工況七:縱移前，架橋機由中支腿和運梁車支承，中支腿和運梁車不在同一跨U梁上，中支腿所在的U梁分析。8)計算工況八:縱移到位，中支腿和運梁車在同一跨U梁上，前支腿支撐前。9)計算工況九:縱移到位，中支腿和運梁車在同一跨U梁上，前支腿支撐后。10)計算工況十:后天車吊梁。11)計算工況十一:天車同步吊梁縱移(直線段架設)。12)計算工況十二:天車同步吊梁縱移(曲線段架設)。13)計算工況十三:天車吊梁橫移落梁。

4 計算結果及分析

1)架設施工階段U型梁正截面強度分析。

各計算工況下，最不利荷載引起的正截面彎矩最大值見圖3。

圖3 各工況梁體各節點的彎矩最大值

結論:強度安全系數K最小值為16．6(不考慮二期恒載)，滿足規范要求。

2)架設施工階段U型梁正應力分析。

各計算工況下，各截面混凝土最大壓應力見圖4。

各計算工況下，各截面混凝土最大的拉應力見圖5。

圖4 各計算工況下U型梁各節點混凝土的壓應力最大值及壓力容許值（本圖擇取應力較大的幾個工況）

圖5 各計算工況下U型梁各節點混凝土的拉應力最大值及拉力容許值（本圖擇取應力較大的幾個工況）

結論:各計算工況中，混凝土拉應力最大值為0．839 MPa≤0．5 ×1．96=0．98 MPa，滿足規范要求。

3)架設施工階段受拉區鋼筋拉應力驗算分析。

經計算可知，架設施工階段，扣除短期預應力損失后的預應力鋼筋的有效預應力小于預應力鋼筋張拉控制應力容許值，滿足規范要求。

4)架設施工階段混凝土下邊緣拉應力控制。

各計算工況下，各截面混凝土下邊緣拉應力見圖6。

圖6 各截面混凝土下邊緣拉應力

結論:混凝土下邊緣最大的拉應力為0．839 MPa，相對于C55混凝土軸心抗拉強度設計值1．96 MPa，仍有大于50%的應力儲備。

5)架設施工階段豎向撓度控制。

架設施工階段，各計算工況下U型梁產生的最大撓度值如圖7所示。

結論:由以上計算結果可知，各計算工況荷載作用下，撓度最大值為0．018 9 m≤L/800=0．037 5 m，施工荷載撓度滿足規范要求，即U型梁的整體剛度滿足正常使用狀態要求。

5 結論與建議

結合軌道交通U型梁的實際施工狀況，利用橋梁結構分析軟件Midas，對U型梁進行了靜力計算分析。根據靜力計算分析可得到以下結論:

1)在理想狀態下，由計算結果可知，各施工工況中，在架橋機荷載作用下，各截面應力及預應力鋼筋應力均滿足規范的規定，并且具有很高的安全儲備。另外由于施工荷載所引起的撓度值為總撓度值的30%左右，因此，恒載作用是引起撓度變化的主導作用。由以上結果可知，U型梁體最大的應力應變出現在自行過孔階段，此階段應是運架施工的關鍵步驟。

圖7 各計算工況下U型梁產生的最大撓度值

2)梁上運梁的架設施工方法與其他施工方法(如雙機抬吊法等)相比較，受工程所在區域的外部環境影響較小，經過計算分析，安全性也大大提高。該技術相對于雙機抬吊或龍門吊施工更省錢，經濟效益更明顯。

3)本文對U型梁運架施工過程中U型梁縱向結構進行了力學分析，由于架設過程需在開口薄壁U型梁上進行運架梁作業，因此U型梁橫向結構受力有待進一步進行探索，以便嚴格控制作用其上的運架梁的施工荷載，從而降低施工風險。

4)可對架橋機進行進一步結構設計優化，減輕自重，從而可以使梁體得到優化以后，仍能滿足此種施工方法的使用條件，從經濟上帶來更大的價值。

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