大噸位T梁運輸對已成橋梁局部應力的影響分析

摘 要：在連續(xù)多跨梁橋施工中，預制T梁運輸對已成橋梁局部應力會產生影響，考慮運梁平車的行走線路不同，其對梁體的結構安全可能帶來安全風險。結合湖北黃鄂高速項目，利用Midas Civil橋梁軟件開展六軸運梁平車載運大噸位T梁，對已架設完成的預應力混凝土箱梁和正交導性板鋼桁梁進行不同工況下的局部應力計算，對比分析不同工況下梁體局部應力特征；綜合考慮安全、經(jīng)濟以及現(xiàn)場實際情況，優(yōu)選最佳運梁方案并在工程中實施，確保了工程的質量和安全。

關鍵詞：運梁車荷載；預應力混凝土箱梁；正交異性板鋼桁架；局部應力

橋梁工程是我國基礎建設的重要組成部分，實際工程中多采用連續(xù)多跨結構體系，尤其是在跨海跨江大橋橋梁工程中，橋梁跨度需要滿足航線通過要求，跨度設計大幅度增加。如何運輸和安裝大噸位的預制梁板結構，是目前大跨度、連續(xù)跨度橋梁建設的關鍵技術問題［12］。大噸位預制梁板運輸過程中，其荷載主要由已成橋梁荷載，運輸過程中易在梁體中產生較大應力，影響已成橋梁的穩(wěn)定性和安全性。目前已有許多學者就此問題進行了研究分析，彭德運等［3］針對50m跨徑連續(xù)橋梁工程，探討了架橋機承載能力以及預制塊件運輸對已成橋梁的影響。梅秀道等［4］在預應力混凝土梁橋預制節(jié)段逐跨拼裝施工過程中，對架橋機、臨時吊桿、混凝土主梁組成的吊掛系統(tǒng)進行了受力分析。王學華［5］在高速鐵路連續(xù)橋梁建設工程中，通過有限元模擬研究了不同合龍順序對連續(xù)梁橋的影響，分析了合龍順序對線形控制難度和成橋應力的影響。近年來學者們［68］從不同角度開展了連續(xù)梁施工控制研究，這些充分證明了梁段安裝過程對橋梁建設的重要性。針對上述關鍵問題，本文以黃岡至鄂州高速公路長江大橋主橋為公鐵兩用連續(xù)鋼桁梁斜拉橋為研究對象，將工程實踐與有限元數(shù)值計算進行結合，分析大噸位梁板運輸對已成橋梁的受力、穩(wěn)定性的影響，確保工程的質量與安全。

1 工程概況

黃岡至鄂州高速公路長江大橋主橋為公鐵兩用連續(xù)鋼桁梁斜拉橋，該斜拉橋采用了公鐵共用設計，下層為鐵路，上層為公路，主橋公路橋面結構為正交異性板縱橫梁結構體系，引橋公路橋面為預應力砼現(xiàn)澆箱梁。公路部分南引橋、北引橋為40m、30m預應力鋼筋混凝土T梁。公路部分在兩岸引橋橋梁各建設一座集中預制場，以滿足江南、江北公路橋梁的梁預制任務。在項目實施過程中，由于長江大橋南引橋的T梁預制、安裝進度不能滿足高速公路通車的目標要求。根據(jù)項目建設的情況，擬從江北梁場通過長江大橋的公路橋面運送40m T梁至南引橋架設。其時，主、引橋公路橋面瀝青混凝土面層均未鋪裝，考慮到橋面鋪裝層對輪壓荷載的擴散，在瀝青混凝土未鋪裝的情況下，鋼橋面和箱梁現(xiàn)澆混凝土局部會承受較正常工作狀態(tài)更大的應力和變形。為保證在T梁運輸過程中，橋梁各單元應力不超標，不會因施工荷載的作用而對成橋造成隱患，方案制訂時需對橋梁關鍵受力部位進行應力分析，保證結構安全，并規(guī)劃合理的運輸路線，制訂安全、高效的運梁方案。

40m垮的T梁預制約54m3混凝土，重約135t，以及兩臺運梁平車自重，含運梁車荷載總重計150t。用兩臺運梁車運輸，前后平車中心距37.0m，平車三軸距均為2.0m，單臺平車兩排輪胎凈距1.5m，雙輪胎寬0.7m。建模取其中一輛平車的荷載進行計算，按照三軸六輪平均分配，每輪荷載為12.5t，荷載沖擊系數(shù)1.30，應力分析采用Midas Civil橋梁設計軟件建模計算。

2 混凝土箱梁局部應力計算

混凝土箱梁局部應力是一個復雜且關鍵的問題，它涉及橋梁結構的安全性和穩(wěn)定性，局部應力的產生主要源于多種荷載和因素的綜合作用，主要有車輛荷載、人群荷載等集中荷載；由于日照溫差、季節(jié)溫差等溫度變化，導致箱梁內部產生溫度梯度，進而產生溫度應力，引起的結構變形和應力分布不均而產生；還有施加在箱梁各部位的預應力，雖然可以抵消運營階段的部分拉應力，但預應力的施加也可能導致局部應力的集中和分布不均；箱梁的結構形式、截面尺寸以及腹板傾斜角度等都會影響其局部應力的分布。

混凝土箱梁局部應力分析采用Midas Civil橋梁設計軟件，以上述所建模型為基礎開展計算分析。模型中計算預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁尺寸及荷載作用位置如圖1所示。考慮到預應力鋼筋混凝土現(xiàn)澆箱梁自身承載能力遠大于一片T梁自重，且兩臺運梁車不可能同時處于同一跨，故僅計算箱梁頂板及板翼緣應力狀況。為確保T梁運輸過程中混凝土現(xiàn)澆箱梁的結構安全，擬定運梁平車中心沿箱梁單側腹板中線行走，結合現(xiàn)澆箱梁斷面結構特點，考慮到運梁在行走過程中可能偏離擬定行走路線而產生最不利荷載狀況等因素，擬定按預定線路行駛、偏左行駛和偏右行駛三種工況對比分析。

圖1 預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁各工況荷載作用位置示意圖

根據(jù)設計文件，建立50m長的混凝土現(xiàn)澆箱梁模型，并按單跨跨徑32m設置支座約束條件，箱梁頂面橫向預應力每50cm一束，每束采用3根Фj15.24高強低松弛鋼絞線，張拉應力為控制張拉應力的75%。箱梁橫斷面網(wǎng)絡劃分對應轉折點和平車車輪行駛范圍分割，縱向對應鋼束布置間距劃分網(wǎng)絡，箱梁混凝土標號為C50。

對比擬定的三種工況的計算結果，在工況3時，運梁平車荷載和預應力荷載的共同作用，使得預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁頂板頂面處于受壓狀態(tài)，各工況最大壓應力10.22MPa；在工況3時，翼緣板根部因橫向預應力的偏心作用處于受拉狀態(tài)的部分，在各工況運梁平車荷載相應區(qū)域拉應力減小并呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，但翼緣板根部其他受拉區(qū)域沒有變化，最大拉應力2.02MPa。計算結果表明，運梁平車荷載的作用對預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁頂板頂面的壓應力影響較小，翼緣板根部受拉區(qū)拉應力減小并呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，應力變化符合規(guī)范要求，預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁結構安全。

3 正交導性板鋼桁梁局部應力計算

正交異性板鋼桁梁由正交異性鋼橋面板和鋼桁梁組成，是由縱、橫加勁肋和蓋板組成并共同承受荷載的橋面結構，具有重量輕、強度高、承載能力大等優(yōu)點。而鋼桁梁則是由多個桿件組成的桁架結構，具有良好的穩(wěn)定性和抗風性能，其局部應力的計算和分析是結構設計和安全評估的重要環(huán)節(jié)。在計算過程中，需要充分考慮結構的復雜性、非線性以及邊界條件的影響，并采用合適的計算方法進行分析。同時，還需要注意節(jié)點剛性次應力、邊界條件和荷載對局部應力的影響。

采用Midas Civil橋梁設計軟件進行計算，橋梁主結構鋼材為Q370qE，選取全幅兩塊橋面板單元作為研究對象，建模計算。主縱梁、主橫梁、小橫梁、U肋、橋面鋼板等設置為板單元，橋梁外側弦桿設置為梁單元，并根據(jù)設計文件設置邊界條件。

模型選取順橋向兩個位置，橫橋向三條線路設置荷載。

位置1：運梁車中間軸在任意兩組主橫梁的中間斷面（工況1、工況2、工況3）。

位置2：運梁車中間軸位于任意一組主橫梁上（工況4、工況5、工況6）。

各工況荷載在橋梁橫斷面的作用位置，見圖2。

圖2 鋼桁梁正交導性板各工況荷載作用位置示意圖

根據(jù)前面已建模型，以上述6種工況開展橋面鋼板橫向應力、橋面鋼板縱向應力、U肋應力、橫梁應力、小橫梁應力和主縱梁應力6個方面的應力計算，計算結果見表1。

對比以上各工況計算結果和表1所示：在工況2時，橋面鋼板橫向最大壓應力為各工況最大值18.4MPa，該工況拉應力最大值為13.35MPa；在工況3時，橋面鋼板縱向最大壓應力為各工況最大值29.35MPa，該工況拉應力最大值為13.19MPa；在工況5時，U肋縱向最大拉應力為各工況最大值59.2MPa，同時該工況最大壓應力也為各工況最大值61.83MPa；在工況6時，主橫梁最大壓應力為各工況最大值95.32MPa，該工況拉應力最大值為32.2Mpa；在工況1時，小橫梁最大壓應力為各工況最大值47.24MPa，該工況拉應力最大值為41.87MPa；在工況2時，主縱梁最大壓應力為各工況最大值25.02MPa，該工況拉應力最大值為37.92MPa。6種工況下鋼桁梁的6個關鍵部位其應力（拉或壓）均遠小于鋼材的強度220MPa，說明該鋼梁在施工過程中始終處在應力安全狀態(tài)。通過計算6種工況下結構的變形發(fā)現(xiàn)，在工況3時結構產生了最大的豎向變形5.05mm。

計算結果表明，在各計算工況荷載作用下，鋼桁梁橋面各構件應力、應變均符合規(guī)范要求，能夠滿足結構安全需要。

4 梁板運輸方案

以上計算結果表明，運梁平車在各種不利位置工況的荷載作用下，對鋼桁梁橋面及預應力混凝土現(xiàn)澆箱梁局部應力、應變進行計算，結果均小于規(guī)范要求，滿足結構安全需要，運梁方案總體可行。根據(jù)計算結果，結合現(xiàn)場實際情況制訂詳細的運梁方案和保障措施。對于引橋部分：運梁車從長江大橋北引橋右幅通過，行駛位置在右幅右側腹板之上，運梁車中心線正對腹板中心行駛，兩側輪胎對稱于腹板兩側。運梁車行走范圍采用白色標線指示。運梁時運輸平車要安排專人指揮，運梁車嚴格按照指定的白色標線行駛。對于主橋部分：主橋部分整體受力較為均勻，所以無需限制運梁車行駛路線，盡量靠中間行駛，線路不作標線。根據(jù)實際梁板運輸情況來看，理論分析的結果符合工程實際，能夠有效指導工程施工。

另外，在起吊過程中，應確保鋼絲繩等吊裝工具與梁體的接觸部位加有襯墊，避免造成損壞，裝載過程中應平穩(wěn)對位，避免產生過大的沖擊和振動。運梁車在運輸過程中應勻速前進，嚴禁突然加速或急剎車，在一般地段，走行速度應控制在一定范圍內（如5km/h以內），在通過隧道、曲線、坡道地段時，速度應進一步降低（如3km/h以內）。運梁車重載運行時應有專人跟車監(jiān)控，隨時觀察梁體的穩(wěn)定性和運梁車的運行狀態(tài)，跟車監(jiān)控人員應隨時準備采取制動措施，以防止異常情況的發(fā)生。

參考文獻：

［1］楊欣然，王淑敏，馬辰龍，等.高速鐵路大跨度混合梁連續(xù)剛構設計關鍵技術研究［J］.鐵道標準設計，2023，67（03）：104108+114.

［2］金耀，朱強，徐文城，等.多跨波形鋼腹板連續(xù)梁橋施工控制技術［J］.公路，2023，68（04）：163166.

［3］彭德運，吳艷麗，朱穎.節(jié)段預制逐跨拼裝連續(xù)梁橋的設計與施工［J］.公路，2012（3）：59.

［4］梅秀道，李亞民，李志.預制節(jié)段逐跨拼裝架設施工吊掛系統(tǒng)受力分析［J］.橋梁建設，2013（01）：4246.

［5］王學華.合龍順序對高速鐵路連續(xù)梁橋的影響分析［J］.鐵道標準設計，2014，58（07）：7275.

［6］白應華，湯旭.預應力混凝土連續(xù)梁橋拆除施工監(jiān)控研究［J］.中外公路，2023，43（01）：104107.

［7］岳秀鵬，孟姣，張文亮，等.120m跨鋼混組合連續(xù)梁橋施工方案研究［J］.世界橋梁，2023，51（01）：5863.

［8］高琦.金竹特大橋道岔連續(xù)梁梁柱式支架的施工分析［J］.湖北理工學院學報，2022，38（05）：5660.

作者簡介：潘誠文（1978— ），男，漢族，湖北黃岡人，碩士研究生，高級工程師，主要從事道路與橋梁工程的施工及管理工作。