箱梁橋上運存預制梁的結構安全性分析

李彥偉

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

由于建設橋梁施工場地限制、特殊橋梁的施工復雜性及預制梁場面積不足等因素的影響，致使無法在橋梁附近找到預制梁場的合適場地[1]。如欲在距建設橋梁較遠地帶建設預制梁場，則必須考慮預制梁運輸可行性及橋梁的建設效率[2]。針對以上問題，唐小富[3]結合理論計算與實橋試驗對炮車在已安裝裸梁上運輸預制梁進行了安全性論證，進而提出相關安全保證措施以確保運輸梁的施工安全；李嘉華[4]利用有限元分析軟件Midas Civil與Ansys分別建立了粵西某鐵路橋梁的桿系與局部實體模型，同時結合靜載試驗詳細分析了新建橋梁梁上運存預制梁的受力狀態，對大橋的運營狀況進行最終評估；馬耕[5]通過對國內某連續箱梁進行精細化實體模型的結構響應分析，結果表明移梁過程中墩頂斷面翼緣端部位置處的橫向應力最大，因而須進行局部位置的加勁處理。綜上可知對于在山嶺重丘區建設公路與鐵路橋梁而言，可能面臨預制梁場無法存放問題，本文對某已施工簡支箱梁橋上的預制T型梁進行了運輸及存放的方案設計，同時對箱梁結構進行了整體及局部的承載力、應力及位移驗算工作，進而依據結構響應數據以驗證預制梁運輸及存放方案的可行性，為今后類似利用已建設橋梁進行預制梁運輸及存放項目提供參考。

1 工程概況

1.1 主橋介紹

該市政橋全長872 m，其設計速度為80 km/h，同時設計荷載為公路-Ⅰ級。其跨徑長度布置為（5×43）m+（50+50）m+（43+40）m+50 m+（31+43+38）m+（4×43）m+（40+50+40）m，其中50 m長度梁采用預制形式，其他跨徑梁采用斜腹板式單箱多室預應力混凝土箱梁結構以完成橋梁建設；針對預應力鋼筋混凝土主箱梁以及預應力混凝土橋墩蓋梁均采用C50混凝土，橋墩采用C40混凝土；其他如樁基、臺帽、承臺均采用C30混凝土。

圖1 第一聯橋梁布置圖（單位：cm）

如圖1所示，第一聯橋梁采用5×43 m跨徑的斜腹板式單箱多室預應力混凝土等截面連續箱梁結構作為50 m預制梁的運存梁位置；該聯橋梁單幅全寬16.4 m，箱梁高2.2 m，底板寬10.13 m，橋面布置為0.45 m（防撞護欄）+15.5 m（車行道）+0.45 m（防撞護欄）；其橫截面尺寸如圖2所示。

圖2 箱型橫截面（單位：cm）

由于地形及梁場限制，箱梁橋上運輸與存放的T梁預制長度為4 992 cm，T梁梁高280 cm，腹板厚24 cm，馬蹄寬60 cm。

1.2 預制梁參數及運存梁方案

圖3 門式起重機滑動支撐布置圖

預制梁運輸主要采用門式起重機作業，滑動支撐點主要由4條腿中的8個滑動軌輪組成；其滑動鋼軌寬13 cm，距離箱梁邊緣點垂直距離為195 cm，門式起重機單側兩腿間距布置為600 cm，單腿輪間距60 cm，圖3即為運輸預制梁的門式起重機滑動支撐布置圖。預制T梁的運輸過程主要為兩臺門式起重機同時作業，將T型梁運送至指定位置后將其放置于預先布置的枕梁上以使箱梁受力均勻，枕梁尺寸長1 400 cm，寬60 cm，高40 cm。

由于預制梁長度為50 m，大于單跨箱梁長度43 m，因此方案布置為單跨左幅放置預制梁3片，單跨右幅放置預制梁2片，并在右幅預留出6 m寬行車通道，其橋上存梁平面布置圖如圖4所示，P1-P1代表支座斷面。同時，部分梁端放置于橋頭處以減小荷載作用。右幅T梁的橫向間隔距離為343 cm，左幅T梁間距分別為343 cm與360 cm，每片T梁存放位置均為箱梁腹板中心上方以減小翼緣板應力與應變。

圖4 存梁平面布置圖（單位：mm）

2 運存梁驗算工況

2.1 荷載大小

在預制梁的運輸以及存放過程中，箱梁主要承受三部分荷載。首先是箱梁自重、預應力荷載、橋面鋪裝等二期恒載及枕梁荷載，該荷載可統稱為恒荷載；其次為門式起重機運輸T梁時所產生的荷載作用；最后即為橋上已放預制T梁片數。其中，預制梁的自重為2.6 t/m3×71 m3=184.6 t，單臺門式起重機自重為80 t；因此門式起重機在吊梁運輸過程中單根支撐受力為[（184.6/2×（30-11.78）/30）/2+20]×9.8=471 kN與[（184.6/2×（30-4.45）/30）/2+80/4]×9.8=581 kN；存放T梁通過枕梁將力作用傳遞至箱梁上，由于存梁臺座枕梁寬度為60 cm，高度為30 cm，在考慮力的擴散作用后馬蹄寬度為60 cm的T梁在箱梁上的荷載作用面積為60 cm×120 cm，門式起重機單個滑輪位置處荷載作用面積為50 cm×30 cm。

2.2 施工工況

通過以上運存梁方案與荷載作用位置可知，箱梁的最不利荷載主要為以下3種工況。

表1 運存梁工況表

a）工況一 主要荷載作用為箱梁自重、3片預制梁均布荷載及門式起重機自重，其中均布荷載q1取值為：

門式起重機自重在滑動輪位置處產生的均布荷載q2取值為：

其存梁橫斷面與平面布置如圖5、圖6所示。

圖5 工況一橫斷面布置示意圖（單位：mm）

圖6 工況一平面布置示意圖

b）工況二 主要荷載作用為箱梁自重、2片預制梁均布荷載及門式起重機運輸作業，其中門式起重機在吊裝預制梁過程中滑動輪位置處均布荷載q3取值為：

其存梁橫斷面與平面布置如圖7、圖8所示。

圖7 工況二橫斷面布置示意圖（單位：mm）

圖8 工況二平面布置示意圖

c）工況三 主要荷載作用為箱梁自重及門式起重機運輸作業，其中門式起重機在吊裝預制梁過程中滑動輪位置處均布荷載q4取值為：

其存梁橫斷面與平面布置如圖9、圖10所示。

圖9 工況三橫斷面布置示意圖（單位：mm）

圖10 工況三平面布置示意圖

3 數值模擬分析

3.1 整體桿件分析

為研究鋼混箱梁橋上運存預制T型梁過程中整體及局部的變形與應力情況，利用不同有限元軟件分別建立單跨簡支箱梁的整體桿件模型與局部實體單元模型。整體模型中采用梁單元模擬箱梁，橋墩支座按簡支情況進行約束，其運存梁荷載主要以線荷載進行施加；混凝土材料為C50，相關參數如表2所示，同時考慮相關鋼筋作用，圖11即為43 m箱梁有限元模型。

表2 C50混凝土參數表

圖11 單跨箱梁有限元桿件模型

由于第二跨箱梁橋上放置有兩部分支撐預制T梁的枕梁，因此選擇第二跨作為整體縱橋向桿件驗算對象。分析存梁方案可知，當第二跨箱梁橋上T梁放置完成后，此時縱橋向彎矩與變形達到最大值，因此在箱梁自重、預應力荷載、預制T梁壓力及門式起重機荷載綜合作用下可得其單跨箱梁混凝土應力如圖12所示。

圖12 單跨箱梁法向應力圖（單位：MPa）

由第二跨箱梁縱橋向法向應力圖可知，箱梁最大壓應力值出現在兩枕梁中間，其值為12.98 MPa，小于C50混凝土抗壓強度設計值；最大拉應力值為1.07 MPa，小于C50混凝土抗拉強度設計值，因此縱橋向整體承載能力符合安全要求。

3.2 局部實體分析

為確保運存梁過程中大橋關鍵截面局部位置受力安全，建立局部空間實體有限元模型以對局部狀態進行分析。建模過程中箱梁橫向長度為16.40 m，縱向長度為1.20 m，采用0.10 m高階實體網格單元建立局部有限元模型并進行了分析。不同工況下箱梁局部控制斷面頂板最大應力與位移值見表3。

圖13 箱梁局部實體模型

表3 不同工況下箱梁局部最大應力與位移值

由表3可知，箱梁處于工況一作用下時應力最大值出現于縱向邊緣處，應力值為1.82 MPa，同時最大位移值出現于均布荷載位置——預制T梁支撐枕梁處，其值為3.3 mm，主要原因在于存梁主要放置于箱梁腹板上，進而完全發揮出混凝土材料抗壓特性，位移相對較??；工況二作用下應力最大值出現于門式起重機滑動輪位置處，應力值為6.33 MPa，同時最大位移值亦位于該處，位移值為5.9 mm，主要原因在于門式起重機吊裝運輸過程中滑動支撐位置所受壓力較大且受壓面積相對較小，因此其均布荷載值過大導致應力與應變均增大；同理，工況三作用下應力最大值與位移最大值均位于門式起重機滑動輪位置處，其中應力值為12.38 MPa，位移值為8.3 mm，對比不同工況荷載作用可知工況三的影響最大，即最開始利用門式起重機進行預制T梁的吊裝運輸時支撐腿輪組處對于箱梁橋上的壓力最大且豎向變形最大，因而局部位置可進行加固處理以排除安全隱患。

4 結語

通過數值化模擬對某鋼混箱梁橋上的運存梁方案進行了整體桿件模型及局部實體模型的安全性分析，得出如下結論：

a）針對簡支箱梁橋上的運存梁受力分析可知，當6片梁全部放置完畢時，第二跨整體所受荷載最大，由其整體有限元桿件模型應力圖知其最大壓應力值位于兩枕梁中間，其值為12.98 MPa，小于C50混凝土抗壓強度設計值。

b）通過建立局部空間實體有限元模型以確保運存梁過程中大橋關鍵截面受力安全，由不同工況下應力云圖及位移云圖可知，工況三荷載作用下的應力值及位移值最大，分別為12.38 MPa與8.3 mm，箱梁局部應力與位移處于允許范圍內，但局部位置可進行加固處理以增大安全儲備。