大跨度全封閉聲屏障鋼結構吊裝吊點優化數值研究

于慧龍

（中鐵二十二局集團市政工程有限公司，廣東 廣州 510000）

1 緒論

伴隨施工條件環境以及技術的進步，大多數的大跨度鋼結構工程已經采用機械吊裝的安裝方式，其中有分節點吊裝和一體吊裝。雖然這類施工方式節能環保、方便快捷，但是對施工和技術要求較高，易引起工程事故，作業過程中出現的大量問題未獲得相應的處理。目前已經很多學者對橋梁聲屏障的施工方法和設計方案進行了研究分析。

2 工程概況

廣州北站綜合交通樞紐項目——云山大橋東側高架橋工程位于廣州市花都區，為城市主干道，規劃紅線寬度一般路段36.5~39.5 m。

云山大橋東側高架橋地處繁華地段，東側高架橋建成后，距離附近居民區較近，兩側敏感點所處區域聲噪環境預計將超出相應聲噪功能區標準的限值，直立聲屏障效果不足，隔音效果不佳，故應采取更有效措施解決高架橋交通噪聲污染。

3 基于三維有限元素模擬吊點高度優化

根據鋼結構自身的結構性能合理的布置吊點，吊裝機械的相關適用性能以及索具合理配置情況來確保吊裝作業的安全可靠，通過綜合分析，得到安全可實施的吊裝方法，從而達到優化吊點高度的目的。在現場實施過程中，首先根據鋼結構自身的重量與吊裝機械的起重最大工作安全范圍能力值，以確保吊點位置及數量的合理性，再對荷載值進行合理的分配，施加合適的約束力，通過軟件分析獲得鋼結構的受力情況，根據吊裝機械的工作行程，進行合理的布置吊點。但是在現場實際施工作業中，會發生鋼結構吊裝的應變能受隨著吊索應變能的改變而改變，且呈正比狀態。對于一般情況下，鋼結構體系自身含有能量越低，其自身的結構越穩定。若在受力條件固定的情況下，其結構內部的既有能量隨著約束條件的不同而改變。以此可以推斷，只要做到結構約束的合理性，以及優化約束布局，才能有效控制其結構的穩定狀態。那么在吊裝施工時，對于吊點位置的布置過程其實也是在對結構進行約束，在吊裝能量體系中，進行能量位置最小處進行布置，才是最佳的方案。

4 大跨度全封閉聲屏障施工數值模擬研究

4.1 起吊高度的基本原則

大跨度全封閉聲屏障構件安裝需要利用鋼結構對聲屏障板進行固定。對于規格較大的鋼結構進行吊裝時，在起吊高度不同的情況下，對結構的影響也會有所不同，所以在施作起吊至合適高度時，應該注意以下幾個方面：

（1）當起吊過高時，結構需配備長繩索，由于繩索過長，所以在風的影響下，會對吊裝作業產生較大難度，結構在風力的作用下發生較大偏移，增大生活區域內吊裝作業的安全隱患。由于繩索較長，再加上起重設備自身受限，會使結構無法精準地安裝到正確位置。

（2）當起吊過低時，鋼結構對應繩索的夾角會變小，繩索所受的力會增加，同時因為起吊過小的角度，所以會使鋼桁架水平分力加大、臂桿受力負載過大，產生屈曲狀態。

（3）選擇適中的起吊高度，鋼結構和繩索的受力均會比較合理，在整體施作中會使鋼構件更為平穩。

因此，合適的起吊高度就是在一個標高范圍內，吊索的索力以及結構的受力狀態均處于合適的范圍內，而通常確定這一合理的吊高范圍都是由經驗來決定，通常取吊索的夾角為60°左右。因此，合適的吊裝高度會使得鋼結構和繩索的受力處在合理的界限內，這一界限多數取決于施工經驗，一般角度為60°（±5°）。

4.2 大跨度鋼結構吊裝過程受力變形分析

基于三維有限元模擬，采取多種吊裝方式對該鋼結構進行模擬，分別有單點吊裝，三點吊裝，五點吊裝。通過這幾種吊裝方式分析大跨度鋼結構的x方向的變形和z方向的變形，總結出最佳的吊裝吊點布置方案。

三維有限元模擬基本步驟：定義材料屬性→定義材料截面尺寸→建立模型→劃分單元→添加單元材料屬性→添加邊界條件→添加荷載→定義施工階段→激活邊界與荷載→求解→后處理結果。

4.3 單吊點吊裝模擬分析

從以下單點吊裝模擬結果圖中可以看出，單點吊裝方式在模擬中產生的位移變形都比較大，原因在于單點吊裝對大跨度鋼結構的約束條件太少，吊裝過程在自重影響下更容易產生變形積累導致下端變形變大，因此在實際工程施工中大跨度鋼結構的吊裝應盡量避免采用單點吊裝的方式，以免鋼結構變形過大，對精確安裝產生不良影響。

圖1 X方向變形

圖2 Z方向變形

圖3 總位移變形

4.4 三吊點吊裝模擬分析

圖4 X方向變形

圖5 Z方向變形

圖6 總位移變形

對比三點吊裝和單點吊裝的模擬結果可以發現，吊點附近的變形極小，遠離吊點的大跨度鋼結構位移變形逐漸增加，最終在鋼結構下端立柱位置處產生了相對較大的變形。說明采用三點吊裝方法模擬的位移形變大幅降低，這是由于大跨度鋼結構下端受重力影響較大所致，符合實際工程中的變形規律，證明三點吊裝在實際工程施工中有較大的實用性。

4.5 五吊點吊裝模擬分析

圖7 X方向變形

圖8 Z方向變形

圖9 總位移變形

五點吊裝數值模擬結果與三點吊裝的變形規律與總位移規律接近，均為吊點位置附近幾乎沒有變形，遠離吊點的鋼結構位移逐漸增加。采用五點吊裝的大跨度鋼結構柱腳端位移變形進一步減小，總位移變形最大處約為2 mm，滿足安裝誤差要求。因此，在吊裝方案選擇上采取五點吊裝更能保證大跨度全封閉聲屏障高效化安裝。

5 結論

文章基于對云山大橋東側高架橋的全封閉聲屏蔽安裝的研究，用多種吊裝方式進行模擬，結合三維有限元模擬技術，對單點吊裝、三點吊裝和五點吊裝情況下，產生的不同位移變形做出了清晰的比較。得出單點吊裝受力約束小，位移偏大，施工過程易發生危險；三點吊裝位移穩定，但是落點精度不夠，影響安裝效率；五點吊裝位移更加穩定，柱腳處僅為2 mm，保證安全的前提下，定位更加精確，從而縮短施工工期，提高對工期節點的控制，同時為現場安全施工提供決策依據，保證施工安全及施工質量。通過技術的應用，為類似工程的施工提供借鑒意義，且具有一定的推廣應用價值。