城市軌道交通高架工程中槽型梁吊裝施工過程的力學特性分析*

梁 巖 毛瑞敏 李 杰 袁會麗

(鄭州大學土木工程學院，450001，鄭州//第一作者，講師)

槽形梁是一種具有建筑高度低、噪聲小、斷面空間利用率高、安全可靠及外型美觀等優點的下承式橋梁結構，因此被廣泛應用于城市高架軌道交通工程[1]。槽型梁腹板和道床板的結合部位受力復雜，從模板的架設、鋼筋籠的吊裝、預應力筋的鋪設到混凝土的澆筑，每一道施工工序都關乎梁體的預制質量[2-6]。國內外研究槽型梁施工方法、結構噪聲的文獻[7-11]較多，但研究槽型梁吊裝過程中受力狀況的較少，有待進一步研究。

本文采用ANSYS有限元軟件建立槽型梁精細模型，通過槽型梁在吊裝過程中的平衡受力及不平衡受力比較分析其力學性能和安全性，并提出施工建議，改善槽型梁施工過程中的受力狀況。

1 工程概況及有限元建模

本次施工設計的范圍為鄭州軌道交通南四環站至機場站，線路全長31.7 km，其中,高架段(祥云路站—孟莊路站)長16.03 km，地下線長14.4 km，過渡段長1.27 km。

高架橋為U型簡支梁，其施工采用后張法梁場整孔預制梁體，梁上運梁，架橋機、汽車吊和龍門吊架設，梁體最大運架質量為191 t。預制U型梁梁寬分別為5.17 m、5.37 m、5.57 m，跨中梁高1.8 m，支點梁高1.94 m，跨中道床板厚0.24 m，梁端道床板厚0.40 m,腹板一側呈折線，另一側呈圓弧線不對稱分布。U型簡支梁橫截面圖如圖1～2所示。

使用材料：梁體混凝土強度等級為C55， 槽型梁采用縱向預應力,縱向腹板采用9-Φs15.2的高強度低松弛預應力鋼絞線(GB/T 5224—2003技術標準)，道床板采用7-Φs15.2的高強度低松弛預應力鋼絞線(預應力鋼絞線標準強度fpk=1 860 MPa，楊氏模量Ey=1.95×105 MPa)。腹板預應力筋張拉控制應力為0.67fpk=1 246.2 MPa。道床板預應力筋張拉控制應力為0.72fpk=1 339.2 MPa。

單位:mm

圖1 U型簡支梁支點梁橫截面

單位:mm

圖2 U型簡支梁跨中橫截面

采用Solid65實體單元模擬梁體混凝土，Link8桿單元模擬預應力鋼筋；采用耦合方式連接預應力鋼筋和混凝土，施加初應變模擬預應力效應；采用映射網格劃分方式保證實體模型的精確度。橫截面網格劃分示意圖如圖3所示。沿橋縱向，梁端部1.4 m范圍內的縱向單元尺寸為0.15 m，其余位置的縱向單元尺寸為0.3 m，整體網格劃分如圖4所示，選取的截面位置如圖5所示。

圖3 橫截面網格劃分

圖4 整體網格劃分

圖5 截面位置(L=30 m)

部分節點位置如圖6所示。把縱向沿節點30的位置稱為道床板下表面左側，沿節點27的位置稱為道床板下表面右側。支座約束如圖7所示，節點30在支座1、支座3一側，節點27在支座2、支座4一側。

圖6 部分節點位置圖

圖7 支座約束示意圖

2 吊裝過程中槽型梁的力學特性

2.1 槽型梁起吊設備及工藝

槽型梁屬于開口薄壁結構，抗扭性能差，且槽型梁吊裝過程又是預制槽型梁拼裝施工過程中的關鍵步驟，因此無論是把初張拉后的槽型梁從制梁場起吊運輸至存梁場，還是把槽型梁從存梁場提運至場外牽引汽車或平板掛車，每個過程都必須嚴格按照技術要求和標準進行作業。預制梁在制梁場內運輸、存梁及出場裝運過程中，吊點和支點距梁端的距離必須滿足下列要求：

(1)槽型梁的吊點設在梁端腹板內側，采用鋼棒插入吊裝孔吊裝的方式。

(2)在吊梁過程中應保證各吊點受力均勻，梁體4個支點應位于同一平面內，誤差不應大于2 mm。

(3)槽型梁起頂、吊運、存放時的最大懸臂長度為0.9 m。工程施工時采用的主要吊裝設備是DLM300型輪胎式提梁機，主要分為承載結構、起升系統、液壓行走系統和動力系統等。承載結構由臺車立支腿、主梁、端梁、起重小車、卷揚機組成，實際結構呈箱形大梁形狀。起升卷揚機采用液壓馬達驅動，鋼絲繩工作原理如圖8所示，遵循“四點起吊，三點平衡”原理，確保吊具平衡系統三點穩定作業。該起吊方式可避免槽型梁在吊裝過程中發生扭轉，對槽型梁起到了最佳保護作用。在吊點測量控制系統中，應確保每個吊點實際容重和4支點的反作用力平均值不超過5%。

圖8 卷揚機鋼絲繩纏繞效果圖

兩組吊具都固定在吊梁小車上，每個液壓卷揚機均裝有機械常閉式制動器，混凝土梁吊裝到位后，同時關閉液壓馬達和制動器，保證運梁機行車時梁體不下落。起升機構安裝了質量傳感器，用于起升機構的超載保護。吊梁工藝如下：

(1)提梁機在存梁區完成試運行后，調整就位；將吊具緩慢放下，調整縱、橫向的位置，使吊具中心和吊孔中心完全重合；吊具上的高強螺栓對準吊裝孔后，慢慢下降到位，下降過程中輕微晃動吊具，避免螺栓卡住。

(2)吊軸穿入梁體吊孔中，墊上圓形墊圈，上緊螺帽；掛鉤后，慢慢起升至鋼絲繩處于微拉緊狀態，后逐漸調試至完全對中。避免由于對中不精確造成梁體橫向、縱向偏移。

(3)對中后，兩端起吊系統應保持點動漸進加載；當鋼絲繩處于繃緊狀態后，要把鋼絲繩卡環重新擰緊，并確保繩夾的螺母、絲桿、鞍座等處于完好狀態；然后逐次遞進加載，直到梁體剛離開梁座。

(4)起吊離開存梁臺座時提梁機先提升，下降至存梁臺時再降落到位，保證梁體始終處于四點靜定起吊或支撐狀態。梁體完全脫離臺座后，使其底面距臺座頂面2 cm的位置，保持2 min的靜止狀態，在此期間詳細檢查提梁機的各項指標，確保一切正常。

2.2 平衡吊裝

由于預應力混凝土梁施工手冊中對起吊加速度沒有嚴格的規定，最終擬定加速度為1.0 m/s2。此時，槽型梁受自重及預應力荷載的作用。通過施加初應變的方法模擬預應力效應，采用ANSYS軟件分析平衡吊裝過程中槽型梁的力學特性，結果見表1～3，部分關鍵截面的應力分布情況見圖9～12。

表1 各控制截面的力學特性結果 MPa

表1指的是控制截面上節點應力的最大值。由于出現最大應力值的位置并不固定，因此該值只是反映槽型梁整體上的力學特性。

結合表1和圖9～12可知，吊裝截面的第一主應力最大，最大值約為2.98 MPa，略超過混凝土的抗拉強度，其他截面的第一主應力基本在0.4～0.8 MPa之間，最大值集中在腹板和底板結合處。結合處的受力比較復雜，屬于薄弱位置，設計及施工過程中需要嚴格執行標準。值得注意的是，吊裝點附近出現局部應力集中的現象，但范圍非常小。

圖9 吊裝處第一主應力

由表2和表3可知，在平衡吊裝過程中，道床板和腹板結合處的縱向應力均為壓應力，變化規律幾乎一致；橫向應力和第一主應力均為拉應力，左結合處的拉應力要大于右結合處的拉應力，這是由于槽型梁截面不對稱，腹板為折線一側的慣性矩偏小，所以應力偏大，但是均小于混凝土的抗拉強度。豎向位移呈拋物線分布如圖13和圖14所示。

圖10 1 L/8截面第一主應力

圖12 4 L/8截面第一主應力表2 道床板與左側腹板結合處的力學特性

位置縱向應力/MPa橫向應力/MPa第一主應力/MPa豎向位移/mm吊裝點-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吊裝點-3.790.390.44-0.07

表3 道床板與右側腹板結合處的力學特性

圖13 結合處節點縱向應力

圖14 結合處節點豎向位移

由圖13和圖14可以看出，截面的不對稱對縱向應力和豎向位移的影響較小，其中縱向應力最大差值為0.27 MPa左右，豎向位移最大差值為0.03 mm。

通過對以上結果分析可知，在平衡吊裝的過程中，除吊裝截面的橫向應力和第一主應力超過混凝土的極限抗拉強度以外，其他截面的應力均在控制范圍內。腹板和底板結合處的應力復雜，但均處于安全范圍內。截面的不對稱對縱向應力和豎向位移的影響較小，主要影響橫向應力。由于槽型梁在實際的施工過程中，吊裝位置附近都有預埋的鋼板，分散了集中力，因此,只要嚴格按照施工標準,保證吊裝過程中各吊索的位置準確、受力均勻，就可以保證吊裝安全。

2.3 不平衡吊裝

工程中無論是采用DLM300型輪胎式提梁機還是汽車吊和履帶吊配合起吊槽型梁，工作原理都是通過“四點起吊，三點平衡”使槽型梁始終處于靜定平衡狀態。其中，為避免梁體受扭，在履帶吊的吊具上架設平衡梁，通過銷軸與吊具梁連接，使槽型梁處于靜定支撐狀態。但是，當出現吊索不等長或銷軸與吊具梁連接失效時，有可能出現4個起吊點不在同一平面上的情況。本小節將通過分析槽型梁被不平衡起吊時的力學性能，進一步研究其過程中的安全性。吊裝過程中，槽型梁支座3位置吊裝高程低于其余3個支座2 mm。

由表4可知，當槽型梁處于4個吊點高差為2 mm的不平衡吊裝狀態時，各控制截面的主應力總體呈增大趨勢，其中7L/8截面的應力已達2.09 MPa，該值雖仍小于混凝土的抗拉強度值，但若不平衡高差繼續增大，該截面處的應力很可能達到極限強度。表4數據表明，當槽型梁處于不平衡吊裝時，受影響的梁體范圍將擴展到7L/8跨徑，而此范圍內的梁體并沒有因吊裝采取相應的加固措施。這也說明在吊裝過程中，保證四點平衡起吊，各吊點受力均勻的重要性。

表4 各控制截面第一主應力對比

由平衡吊裝分析可知，腹板和道床板右結合處的應力比較大，以下同時分析不平衡吊裝對右結合處應力及變形的影響，力學結果見表5及圖16～17。

由表5可知，不平衡吊裝同樣引起結合處應力的變化，結合處應力總體也呈增大趨勢。平衡吊裝時結合處的應力均比較小，不平衡吊裝時7L/8截面的應力最大，再次印證了不平衡吊裝的影響范圍已達到7L/8跨徑。

表5 右結合處的第一主應力

由圖15～16可知，不平衡吊裝時，遠離低吊點一側的道床板和腹板結合處的縱向應力在4L/8跨徑以后明顯增加。這是由于不平衡吊裝時，梁體向低處傾斜，導致高吊點處產生一定的拉應力。雖然不平衡吊裝對梁體豎向位移有影響，但由于右結合處遠離低吊點一側，槽型梁總體仍呈拋物線上拱趨勢。該側結合處豎向位移差最大0.4 mm，小于吊點的2 mm高差，可以認為不平衡吊裝主要影響槽型梁的應力，對變形的影響并不會影響整體質量。

圖15 右結合處的縱向應力

圖16 右結合處的豎向位移

3 結論

通過分析起吊設備的工藝、吊裝過程中槽型梁平衡受力及不平衡受力的力學性能，主要結論如下：

(1)平衡吊裝時，僅節點處應力略大于混凝土的抗拉強度，其他區域混凝土拉應力基本在0.4～0.8 MPa之間。

(2)當4個吊點存在高差(2 mm)時，槽型梁吊點附近區域的應力明顯增大，局部混凝土開裂。

(3)平衡吊裝及不平衡吊裝時，槽型梁豎向位移差最大值為0.4 mm，不平衡吊裝主要影響槽型梁的應力，對變形的影響較小。

(4)城市軌道交通槽型梁吊裝過程中，應在吊裝點區域采取加強保護措施，嚴格控制吊裝點高程，高差控制在2 mm范圍內，避免不平衡吊裝。