吊裝過程中的城市軌道交通U型梁力學性能分析

葉 琪 金增選 張勝林 蔡煜梁

1寧波市城市基礎設施建設開發公司（315040） 2 寧波工程學院建筑與交通工程學院（315211）3 浙江省土木工程工業化建造工程技術研究中心（315211）

U型梁具有建筑高度低、降噪效果好、外形美觀以及安全高效等特點[1]，在地鐵高架線路中被廣泛采用。相比于箱梁，U型梁屬于下承式開口薄壁截面形式，其整體抗彎、抗扭性能較弱[2]，開裂問題較為突出。而混凝土一旦開裂，鋼筋容易發生銹蝕，從而影響整體結構耐久性，縮短工程使用年限[3]。

針對U型梁開裂問題，國內外學者開展了相關的研究工作[4]。2008 年，廣州地鐵2 號線首次采用了U型梁，為了驗證梁體的承載能力是否滿足要求，蘇建華[5]對該工程25 m U型梁開展了足尺破壞性靜載試驗。2009 年，南京地鐵2 號線同樣采用了25 m 跨徑的預應力混凝土U型梁，黎慶[6]分別對其開展了足尺靜載試驗和節段模型疲勞試驗，研究認為： 在設計荷載作用下，U型梁縱向受力滿足要求，但梁體橫向應力較大，容易引起混凝土開裂。2010 年，莊嚴[7]、王彬力[8]分別對重慶軌道交通 1 號線30 m U型梁進行了靜載及疲勞試驗，研究了結構的強度、剛度、抗裂性能、承載能力和疲勞問題。2018 年，梁巖[9]等首次通過有限元分析方法，對鄭州地鐵南四環至鄭州南站線路中跨徑為30 m 的U型梁開展了吊裝施工過程中的力學性能分析，研究結果認為:受梁體自身截面形式影響，吊裝高差需嚴格控制，否則極易出現不平衡吊裝時的梁體開裂問題。

綜上所述，以往的研究主要是通過靜載及疲勞試驗來分析U型梁在設計荷載作用下的抗裂性能，而對U型梁在吊裝過程中的抗裂性能的研究十分稀少。隨著U型梁逐漸向大跨徑發展，梁體自重也不斷加大，特別是早期場內移梁時，混凝土齡期小，預應力只完成初張拉，早期移梁過程是否會對梁體產生不利影響值得我們深入研究。

因此，文章結合某軌道交通高架橋項目，對目前國內最大跨徑的35 m U型梁開展三維數值模擬分析，研究其吊裝過程中的受力狀態，并開展實際吊裝過程中的試驗跟蹤測試，以研究分析吊裝施工方案的安全性及合理性。

1 工程概況

本研究U型梁標準跨徑為35 m，梁體橫向寬度為5.1 m，梁高1.875 m；除梁端1 m 為底板加厚區外，梁底板厚度為27 cm；設計采用C60 纖維混凝土，整體重量約為220 t。U型梁端部橫斷面如圖1 所示，預應力采用先張+后張相結合的形式，預應力鋼絞線選用φ15.2 mm 高強度低松弛鋼絞線。在U型梁底板共設置了64 根縱向先張預應力鋼絞線S，張拉控制應力σcon=1 339 MPa；在U型梁兩側腹板及底板共設置了6 束后張預應力束N1 和N2。

圖1 U型梁端部橫斷面（單位:mm）

U型梁吊裝孔設置如圖2 所示，一端設4 個吊孔，每個吊裝孔的直徑均為80 mm；另一端對稱布置。

當U型梁澆筑完成后、養護時間達到5 d 時，進行脫模及先張預應力筋放張，此時未進行后張預應力張拉。U型梁放張完畢后，采用250 t 輪胎式提梁機起梁，將U型梁吊出制梁臺座，并移向存梁區。

2 試驗方案

在U型梁混凝土澆筑前，分別在各控制截面埋設振弦式混凝土應變計。U型梁控制截面選取如圖3 所示，其中：1-1、5-5 為 U型梁截面漸變處，2-2、4-4 為 U型梁 1/4 斷面處，3-3 為 U型梁跨中截面。

圖2 U型梁吊裝孔設置（單位:mm）

圖3 槽型梁預應力測點斷面位置示意圖

各控制截面縱、橫向應力測點布設情況如圖4所示。

圖4 各控制截面應力測點布設情況

吊裝測試以梁體脫去內模、準備場內移梁時為試驗初始狀態，此時梁體置于外模中，采集傳感器數據作為試驗初始值。試驗共分為三個測試工況:U型梁起吊（工況一）；U型梁行進（工況二）；U型梁落梁（工況三）。分別在每個測試工況采集傳感器應變數據，現場試驗照片如圖5 所示。

圖5 U型梁吊裝試驗

3 吊裝試驗結果分析

3.1 縱向應力分析

移梁過程中，U型梁底板中部Z-5 測點及內側腹板底Z-7 測點縱向應力變化分別如圖6 和圖7所示。由圖6 和圖7 可知，工況一和工況二混凝土應力變化情況基本一致；工況三完全落梁后，由于吊裝點約束轉變為更靠近梁端的存梁臺座支座約束，導致梁底拉應力增加。

圖6 U型梁底板中部縱向應力變化

圖7 U型梁內腹板底處縱向應力變化

3.2 橫向應力分析

U型梁3-3 截面及1-1 截面各測點橫向應力變化如圖8 和圖9 所示。由圖8 和圖9 可知，在U型梁吊裝過程中，靠近吊裝點的1-1 截面橫向應力變化較大，最大橫向應力變化出現在工況二U型梁底腹板交界處上表面（H-2 測點），其值為2.73 MPa。

4 數值模擬分析

4.1 有限元建模

采用數值分析方法，建立35 m U型梁全梁精細化模型。模型中混凝土采用實體單元C3D8(R)，單元網格尺寸為10 cm，全梁共分為99 400 個單元；預應力筋及普通鋼筋采用桁架單元T3D2，并嵌入至混凝土中，通過降溫法模擬預應力效應。U型梁整體網格劃分如圖10 所示。通過在U型梁吊裝孔位置建立四個參考點，模擬吊裝施工。

圖8 U型梁3-3 截面橫向應力變化

圖9 U型梁1-1 截面橫向應力變化

圖10 U型梁網格劃分

4.2 理論值與試驗值對比

U型梁吊裝過程中各控制截面內側腹板底Z-7測點和外側翼緣頂Z-1 測點與有限元分析對比結果分別如圖11 和圖12 所示；工況三的混凝土應變值分別減去工況一、工況二的混凝土應變值，得到圖中的試驗值1 和試驗值2。由圖11 和圖12 可知，在吊裝過程中，U型梁內側腹板底基本承受拉應力的最大值為0.88 MPa，而外側腹板頂基本承受壓應力的最大值為-2.29 MPa。整體而言，理論計算值與模擬值吻合較好，最大差值為0.27 MPa。

圖11 U型梁內側腹板底縱向應力變化

圖12 U型梁外側腹板頂處縱向應力變化

4.3 吊裝分析

U型梁場內移梁時，C60 纖維混凝土齡期為5 d；使用現場預留的混凝土試塊，測得此時混凝土抗拉強度值為3.40 MPa。U型梁吊裝時底腹板結合處縱向應力如圖13 所示。由圖13 可知，在吊裝過程中，U型梁底板交界處縱向均承受壓應力，且整體呈拋物線分布。由于U型梁橫截面不完全對稱，導致內、 外側腹板與底板結合處應力不完全一致，但整體差異較小。

U型梁吊裝截面第一主應力如圖14 所示。由圖14 可知，U型梁吊裝時，底腹板交界處上表面承受拉應力，且靠近吊裝孔位置出現了局部應力集中現象。為了保證梁體吊裝孔位置受力安全，需對吊裝孔局部鋼筋進行加密，以保證吊裝孔附近混凝土不發生開裂。

圖13 底腹板交界處縱向應力

圖14 吊裝截面第一主應力云圖

5 結論

根據某工程35 m U型梁整體吊裝試驗及有限元模擬分析，得出以下結論:

1）U型梁吊裝過程中，梁體整體受力安全，測試最大橫向應力出現在U型梁底腹板交界處上表面，其值為2.73 MPa。

2）根據理論計算結果，在U型梁吊裝過程中，底腹板交界處縱向均承受壓應力，且整體呈拋物線分布。

3）為了避免吊裝孔附近混凝土因應力集中而發生開裂，需對吊裝孔局部鋼筋進行加密，或采用預埋鋼板的形式。