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        城市軌道交通高架工程中槽型梁吊裝施工過程的力學(xué)特性分析*

        2018-08-20 05:59:56毛瑞敏袁會麗
        城市軌道交通研究 2018年8期
        關(guān)鍵詞:結(jié)合處床板吊具

        梁 巖 毛瑞敏 李 杰 袁會麗

        (鄭州大學(xué)土木工程學(xué)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(yōu)點的下承式橋梁結(jié)構(gòu),因此被廣泛應(yīng)用于城市高架軌道交通工程[1]。槽型梁腹板和道床板的結(jié)合部位受力復(fù)雜,從模板的架設(shè)、鋼筋籠的吊裝、預(yù)應(yīng)力筋的鋪設(shè)到混凝土的澆筑,每一道施工工序都關(guān)乎梁體的預(yù)制質(zhì)量[2-6]。國內(nèi)外研究槽型梁施工方法、結(jié)構(gòu)噪聲的文獻(xiàn)[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(jìn)一步研究。

        本文采用ANSYS有限元軟件建立槽型梁精細(xì)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(xué)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(shè)計的范圍為鄭州軌道交通南四環(huán)站至機(jī)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(yù)制梁體,梁上運梁,架橋機(jī)、汽車吊和龍門吊架設(shè),梁體最大運架質(zhì)量為191 t。預(yù)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(cè)呈折線,另一側(cè)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(yù)應(yīng)力,縱向腹板采用9-Φs15.2的高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(GB/T 5224—2003技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)),道床板采用7-Φs15.2的高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線(預(yù)應(yīng)力鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強度fpk=1 860 MPa,楊氏模量Ey=1.95×105 MPa)。腹板預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)力為0.67fpk=1 246.2 MPa。道床板預(yù)應(yīng)力筋張拉控制應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼筋;采用耦合方式連接預(yù)應(yīng)力鋼筋和混凝土,施加初應(yīng)變模擬預(yù)應(yīng)力效應(yīng);采用映射網(wǎng)格劃分方式保證實體模型的精確度。橫截面網(wǎng)格劃分示意圖如圖3所示。沿橋縱向,梁端部1.4 m范圍內(nèi)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(wǎng)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(wǎng)格劃分

        圖4 整體網(wǎng)格劃分

        圖5 截面位置(L=30 m)

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

        圖6 部分節(jié)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(xué)特性

        2.1 槽型梁起吊設(shè)備及工藝

        槽型梁屬于開口薄壁結(jié)構(gòu),抗扭性能差,且槽型梁吊裝過程又是預(yù)制槽型梁拼裝施工過程中的關(guān)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(yán)格按照技術(shù)要求和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行作業(yè)。預(yù)制梁在制梁場內(nèi)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(shè)在梁端腹板內(nèi)側(cè),采用鋼棒插入吊裝孔吊裝的方式。

        (2)在吊梁過程中應(yīng)保證各吊點受力均勻,梁體4個支點應(yīng)位于同一平面內(nèi),誤差不應(yīng)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(shè)備是DLM300型輪胎式提梁機(jī),主要分為承載結(jié)構(gòu)、起升系統(tǒng)、液壓行走系統(tǒng)和動力系統(tǒng)等。承載結(jié)構(gòu)由臺車立支腿、主梁、端梁、起重小車、卷揚機(jī)組成,實際結(jié)構(gòu)呈箱形大梁形狀。起升卷揚機(jī)采用液壓馬達(dá)驅(qū)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(tǒng)三點穩(wěn)定作業(yè)。該起吊方式可避免槽型梁在吊裝過程中發(fā)生扭轉(zhuǎn),對槽型梁起到了最佳保護(hù)作用。在吊點測量控制系統(tǒng)中,應(yīng)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(jī)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(jī)均裝有機(jī)械常閉式制動器,混凝土梁吊裝到位后,同時關(guān)閉液壓馬達(dá)和制動器,保證運梁機(jī)行車時梁體不下落。起升機(jī)構(gòu)安裝了質(zhì)量傳感器,用于起升機(jī)構(gòu)的超載保護(hù)。吊梁工藝如下:

        (1)提梁機(jī)在存梁區(qū)完成試運行后,調(diào)整就位;將吊具緩慢放下,調(diào)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(zhǔn)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(tài),后逐漸調(diào)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(tǒng)應(yīng)保持點動漸進(jìn)加載;當(dāng)鋼絲繩處于繃緊狀態(tài)后,要把鋼絲繩卡環(huán)重新擰緊,并確保繩夾的螺母、絲桿、鞍座等處于完好狀態(tài);然后逐次遞進(jìn)加載,直到梁體剛離開梁座。

        (4)起吊離開存梁臺座時提梁機(jī)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(tài)。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?fàn)顟B(tài),在此期間詳細(xì)檢查提梁機(jī)的各項指標(biāo),確保一切正常。

        2.2 平衡吊裝

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

        表1 各控制截面的力學(xué)特性結(jié)果 MPa

        表1指的是控制截面上節(jié)點應(yīng)力的最大值。由于出現(xiàn)最大應(yīng)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(xué)特性。

        結(jié)合表1和圖9~12可知,吊裝截面的第一主應(yīng)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(yīng)力基本在0.4~0.8 MPa之間,最大值集中在腹板和底板結(jié)合處。結(jié)合處的受力比較復(fù)雜,屬于薄弱位置,設(shè)計及施工過程中需要嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。值得注意的是,吊裝點附近出現(xiàn)局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象,但范圍非常小。

        圖9 吊裝處第一主應(yīng)力

        由表2和表3可知,在平衡吊裝過程中,道床板和腹板結(jié)合處的縱向應(yīng)力均為壓應(yīng)力,變化規(guī)律幾乎一致;橫向應(yīng)力和第一主應(yīng)力均為拉應(yīng)力,左結(jié)合處的拉應(yīng)力要大于右結(jié)合處的拉應(yīng)力,這是由于槽型梁截面不對稱,腹板為折線一側(cè)的慣性矩偏小,所以應(yīng)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(yīng)力

        圖12 4 L/8截面第一主應(yīng)力表2 道床板與左側(cè)腹板結(jié)合處的力學(xué)特性

        位置縱向應(yīng)力/MPa橫向應(yīng)力/MPa第一主應(yīng)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(cè)腹板結(jié)合處的力學(xué)特性

        圖13 結(jié)合處節(jié)點縱向應(yīng)力

        圖14 結(jié)合處節(jié)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(yīng)力和豎向位移的影響較小,其中縱向應(yīng)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(jié)果分析可知,在平衡吊裝的過程中,除吊裝截面的橫向應(yīng)力和第一主應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強度以外,其他截面的應(yīng)力均在控制范圍內(nèi)。腹板和底板結(jié)合處的應(yīng)力復(fù)雜,但均處于安全范圍內(nèi)。截面的不對稱對縱向應(yīng)力和豎向位移的影響較小,主要影響橫向應(yīng)力。由于槽型梁在實際的施工過程中,吊裝位置附近都有預(yù)埋的鋼板,分散了集中力,因此,只要嚴(yán)格按照施工標(biāo)準(zhǔn),保證吊裝過程中各吊索的位置準(zhǔn)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(jī)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(tài)。其中,為避免梁體受扭,在履帶吊的吊具上架設(shè)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(tài)。但是,當(dāng)出現(xiàn)吊索不等長或銷軸與吊具梁連接失效時,有可能出現(xiàn)4個起吊點不在同一平面上的情況。本小節(jié)將通過分析槽型梁被不平衡起吊時的力學(xué)性能,進(jìn)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(dāng)槽型梁處于4個吊點高差為2 mm的不平衡吊裝狀態(tài)時,各控制截面的主應(yīng)力總體呈增大趨勢,其中7L/8截面的應(yīng)力已達(dá)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(xù)增大,該截面處的應(yīng)力很可能達(dá)到極限強度。表4數(shù)據(jù)表明,當(dāng)槽型梁處于不平衡吊裝時,受影響的梁體范圍將擴(kuò)展到7L/8跨徑,而此范圍內(nèi)的梁體并沒有因吊裝采取相應(yīng)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(yīng)力對比

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

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

        表5 右結(jié)合處的第一主應(yīng)力

        由圖15~16可知,不平衡吊裝時,遠(yuǎn)離低吊點一側(cè)的道床板和腹板結(jié)合處的縱向應(yīng)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(dǎo)致高吊點處產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力。雖然不平衡吊裝對梁體豎向位移有影響,但由于右結(jié)合處遠(yuǎn)離低吊點一側(cè),槽型梁總體仍呈拋物線上拱趨勢。該側(cè)結(jié)合處豎向位移差最大0.4 mm,小于吊點的2 mm高差,可以認(rèn)為不平衡吊裝主要影響槽型梁的應(yīng)力,對變形的影響并不會影響整體質(zhì)量。

        圖15 右結(jié)合處的縱向應(yīng)力

        圖16 右結(jié)合處的豎向位移

        3 結(jié)論

        通過分析起吊設(shè)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(xué)性能,主要結(jié)論如下:

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

        (2)當(dāng)4個吊點存在高差(2 mm)時,槽型梁吊點附近區(qū)域的應(yīng)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(yīng)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(yīng)在吊裝點區(qū)域采取加強保護(hù)措施,嚴(yán)格控制吊裝點高程,高差控制在2 mm范圍內(nèi),避免不平衡吊裝。

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