宋 琢，陸文勝，張 迪，鄭小紅

（1、廣州市市政工程機械施工有限公司 廣州510060；2、華南理工大學土木與交通學院 廣州510641）

0 引言

裝配式橋墩技術(shù)具有預制件質(zhì)量好，大幅縮短工期，減少對地面交通的干擾等優(yōu)勢，達到快速、環(huán)保施工的目標，近年來成為城市橋梁建設關(guān)注的熱點［1-3］。預制橋墩體積大、重量重，其生產(chǎn)和安裝過程涉及到垂直澆筑、臥式運輸、垂直安裝等復雜工序［4］，吊耳的結(jié)構(gòu)設計對于保證預制橋墩裝配技術(shù)的安全至關(guān)重要，然而目前針對裝配式橋墩吊點設計、考慮吊裝過程中實際受力情況的研究極少。王曉宇等人［5］以某跨海工程的預制橋墩吊裝方案為例，采用ANSYS軟件建立預制橋墩的數(shù)值模型，分析吊裝過程中橋墩的受力，對吊裝方案提出優(yōu)化建議。程玉芹等人［6］建立了船舶節(jié)段吊裝的A形剛性吊耳數(shù)值分析模型，計算吊耳接觸強度，分析了不同載荷方向?qū)佑|力的影響。譚逸波等人［7］對港珠澳大橋某預制墩臺吊裝吊具進行有限元分析；劉玉貴等人［8］、盧志君［9］通過Abaqus 軟件對鋼吊耳的接觸應力進行研究，對比分析普通板式吊耳和帶加強板吊耳的受力和變形情況，提出了吊耳結(jié)構(gòu)設計的改進措施；夏程［10］通過錨固試驗，對比分析各種吊耳的優(yōu)缺點。以上研究沒有考慮在預制橋墩吊裝過程中吊耳不同受力的工況，給吊裝過程的安全造成隱患。因此，本文以廣州市芳村大道快捷化改造項目中的裝配式橋墩吊耳為研究對象，采用有限元分析和試驗驗證結(jié)合的方法，進行預制墩柱吊耳結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設計。

1 裝配式橋墩受力工況

本項目中的橋墩采用現(xiàn)場直立式澆筑混凝土預制，尺寸為1 800 mm×1 800 mm，高度為11.2 m，單根墩柱重量最大達到92 t。施工過程包括墩柱豎直澆筑；達到混凝土設計強度后，在預制場進行90°角翻轉(zhuǎn)，水平放置在平板車上，運輸?shù)綐蛑番F(xiàn)場；進行第二次90°角翻轉(zhuǎn)成豎直狀態(tài)，垂直吊裝，對中，安裝就位。整個過程中，吊耳存在2種受力工況：垂直起吊和90°角翻轉(zhuǎn)。為了避免翻轉(zhuǎn)過程中立柱底部混凝土因局部受力過大而破損，翻轉(zhuǎn)前，在墩柱底部墊上一排0.5 m高的土工布卷。翻轉(zhuǎn)時，柔性的土工布卷釋放了墩柱由于自重荷載產(chǎn)生的擠壓變形，以及翻轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的彎矩，使底部混凝土受力均勻，從而保護了柱腳。以下主要針對整個吊耳結(jié)構(gòu)在墩柱自重荷載下的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)、垂直起吊兩種工況進行數(shù)值分析計算。

2 吊耳結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 吊耳初步方案

為了適應預制墩柱澆筑、運輸和安裝的各種工況，便于翻轉(zhuǎn)，提出柔性鋼絞線吊耳方案，如圖1所示。將吊耳設置在墩柱頂部以保證錨固可靠。為了減少單根鋼絞線的受力，吊點處采用雙吊耳對稱設置，吊耳的主要材料為橋梁用預應力鋼絞線（φ=15.2 mm），包括預埋在墩柱里面的錨固裝置和伸出在外的自由端。錨固區(qū)內(nèi)的鋼絞線末端采用墩頭錨，固定在下錨板上，鋼板尺寸：150 mm×300 mm×8 mm，錨固入墩柱混凝土內(nèi)，錨固深度初步設定為1.0 m。在墩柱外表面處設置一塊上錨板，對鋼絞線進行約束定位，尺寸為150 mm×400 mm×8 mm，防止吊耳自由端與墩柱接觸處在轉(zhuǎn)動等工況下對混凝土局部的破壞。根據(jù)吊裝的橋墩的重量，初步確定鋼絞線的數(shù)量為6束。

圖1 吊耳方案示意圖Fig.1 The Schematic Diagram of Lifting Lug Scheme （mm）

2.2 幾何模型

采用ANSYS 有限元分析軟件，建立1∕2 對稱模型，如圖2所示。鋼板與混凝土之間、鋼絞線與上下錨板接觸位置采用固結(jié)，鋼絞線與混凝土內(nèi)部設置接觸?；炷?、鋼絞線以及鋼板均采用Solid65 單元，鋼絞線與混凝土的接觸所設置的接觸單元和目標單元分別采用CONTA172和TARGE169。

圖2 鋼絞線柔性吊耳有限元模型Fig.2 Finite Element Model of the Lifting Lug

鋼絞線、鋼板以及混凝土的本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型，其中鋼絞線彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3，鋼絞線最大拉應力為1 860 MPa，鋼絞線與混凝土的接觸定義摩擦系數(shù)為0.3。上下鋼錨板材料為Q235，屈服強度為235 MPa，極限強度為400 MPa，彈性模量為200 GPa；墩柱混凝土C50 抗壓設計強度為22.4 MPa，抗拉設計強度為1.83 MPa，彈性模量為34 GPa。

2.3 約束條件

考慮垂直吊裝和90°翻轉(zhuǎn)2 種工況，墩柱受到重力作用，吊耳處施加豎直向上的拉力；翻轉(zhuǎn)過程中，墩柱底部的土工布當鉸支座。在混凝土橋墩對稱面施加對稱約束，對鋼絞線錨固區(qū)兩端施加固結(jié)約束，在吊耳上設置向上位移模擬吊裝過程；對整個結(jié)構(gòu)施加自重荷載。

2.4 計算結(jié)果

在翻轉(zhuǎn)工況下，吊耳產(chǎn)生最不利的變形和應力計算結(jié)果如圖3 所示?？梢?，吊環(huán)的最大等效應力為1 261.715 MPa，發(fā)生在鋼絞線與鋼板接觸部位和鋼絞線U 形吊鉤起彎位置，接近鋼絞線設計強度的75%（1 395 MPa），安全儲備不夠，需要加強。吊耳附近混凝土的拉應力結(jié)果如圖3?所示，可見，混凝土主拉應力最大值為11.964 MPa，發(fā)生在混凝土與上部鋼板接觸附近位置，遠遠超過了C50 混凝土抗拉強度極限值ftk=2.64 MPa，此處混凝土有被拉裂、脫落的可能?？紤]到計算模型中該處因為設置了上錨板為固定的約束條件，導致鋼板與混凝土的變形不一致，局部有應力集中，因此計算值比實際情況偏大。最大主壓應力值為19.26 MPa，發(fā)生在混凝土與上錨板接觸附近位置，小于設計強度，混凝土不會被壓碎。

圖3 應力分布Fig.3 The Stress Distribution （MPa）

通過以上有限元數(shù)值分析，可見柔性吊耳的鋼絞線強度雖小于設計強度，但安全系數(shù)不夠；吊耳上錨板處應力集中明顯，混凝土局部應力大，局部可能崩裂，需要加強。為了保證吊耳的吊裝安全，提出以下優(yōu)化措施，包括：①每個吊點的鋼絞線由3 根增加至5 根，即墩頂?shù)醵灿?0 束鋼絞線，增大安全系數(shù)；②將上錨板處鋼板換成3 層φ14 的鋼筋網(wǎng)（100 mm×100 mm），減少應力集中；③下錨板厚度加厚至10 mm，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的吊耳示意圖Fig.4 The Schematic Diagram of Optimized Lifting Lug Scheme （mm）

考慮以上各項優(yōu)化措施，進行優(yōu)化后的吊耳有限元計算，在翻轉(zhuǎn)工況下出現(xiàn)了最不利的應力分布，如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后吊耳在翻轉(zhuǎn)工況下應力計算結(jié)果Fig.5 The Stress Distribution of Optimized Lifting Lug（MPa）

可見，優(yōu)化后的吊耳頂部最大拉應力出現(xiàn)在翻轉(zhuǎn)工況，為558.2 MPa，小于鋼絞線設計強度的75%。吊耳附近混凝土拉應力最大值為2.03 MPa，發(fā)生在混凝土與鋼絞線附近位置，而C50 混凝土抗拉強度標準值ftk=2.64 MPa，此處混凝土可能頂部會出現(xiàn)輕微開裂或者脫落。最大壓應力為27.1 MPa，在墩頂鋼絞線錨固點附近，在該位置存在局部應力集中。鑒于有限元計算的條件比實際試件吊裝情況更理想化，因此，為確保吊裝過程中的安全，以及吊耳結(jié)構(gòu)的鋼絞線錨固可靠，還需要進一步的試驗驗證。

3 吊耳現(xiàn)場實驗研究

3.1 試驗分組

進行了兩部分試驗：①吊耳單根鋼絞線承載力和錨固深度試驗；②優(yōu)化方案的吊耳現(xiàn)場吊裝試驗，如圖6所示，受力工況包括垂直起吊和90°翻轉(zhuǎn)2種。

圖6?、圖6?是單根鋼絞線承載力試驗，鋼絞線采用φs15.2，改變3 種錨固深度（0.8 m，1.0 m，1.2 m），以確定單根鋼絞線在垂直起吊和90°翻轉(zhuǎn)工況下的極限承載力大小，并確定合理的錨固深度。試驗時，將單根鋼絞線預埋入鋼筋混凝土立方體構(gòu)件中，尺寸為1.5 m×1.5 m×1.5 m，采用與預制墩柱同標號的C50 混凝土。垂直起吊工況下的鋼絞線吊點布置于構(gòu)件頂部；翻轉(zhuǎn)工況下的布置于構(gòu)件側(cè)面，混凝土頂面鋼絞線下面布設鋼絲網(wǎng)片加強。試驗時千斤頂逐級加載至鋼絞線拉斷或拔出，則荷載加載完畢。試驗結(jié)束后，觀察混凝土破壞情況及鋼絞線破壞情況。確定鋼絞線的錨固深度后，采用優(yōu)化后的吊耳方案，進行現(xiàn)場墩柱吊裝試驗，如圖6?所示。

圖6 吊耳試驗Fig.6 Tests of Lifting Lugs

3.2 試驗結(jié)果

主要試驗結(jié)果如表1所示。單根鋼絞線吊裝試驗結(jié)果表明鋼絞線均在混凝土以外吊點范圍內(nèi)被拉斷。垂直起吊工況下，混凝土只在表面發(fā)生輕微破碎現(xiàn)象，范圍小，深度淺；翻轉(zhuǎn)工況時在鋼絞線與混凝土的接觸部位發(fā)生輕微混凝土的破碎。2種工況下的承載力結(jié)果表明，最優(yōu)錨固深度為1.0 m，此時，單根鋼絞線在垂直吊裝和翻轉(zhuǎn)時，最大承載力分別為46 t、35 t；本文優(yōu)化設計方案鋼絞線總共10 根，2 種工況下的最大承載力理想狀態(tài)下分別達到460 t、350 t，滿足預制墩柱92 t的吊裝要求，并有較高的安全儲備。

表1 試驗分組及主要結(jié)果Tab.1 Test Groups and Main Results

采用優(yōu)化后的吊耳方案的現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，無論翻轉(zhuǎn)工況或是垂直工況，均未發(fā)現(xiàn)有明顯的變形和損壞現(xiàn)象，可見，經(jīng)過優(yōu)化后的吊耳，順利實現(xiàn)了本項目中墩柱的各種吊裝情況。

4 結(jié)論

本文通過有限元數(shù)值分析和現(xiàn)場試驗的方法，對大噸位裝配式橋墩的吊耳進行結(jié)構(gòu)分析，主要得到以下結(jié)論：

⑴對柔性吊耳的初步方案設計進行有限元數(shù)值分析，結(jié)果表明：吊點最大應力接近鋼絞線的設計強度，安全儲備不夠；在墩柱頂部的吊點附近，出現(xiàn)較大應力集中，混凝土容易崩裂，需進行加強。

⑵提出優(yōu)化措施，經(jīng)過受力分析，滿足預制墩柱垂直吊裝、90°翻轉(zhuǎn)吊裝2種工況的受力要求。

⑶吊耳現(xiàn)場試驗確定了吊耳的極限承載力及最優(yōu)錨固深度，進一步驗證了本文提出的吊耳優(yōu)化設計方案的可靠性。