朱加名 ZHU Jia-ming；王國(guó)萍 WANG Guo-ping

（云南交投集團(tuán)云嶺建設(shè)有限公司，昆明 650224）

0 引言

橋梁上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有荷載大構(gòu)件多的特點(diǎn)，且構(gòu)件吊運(yùn)安裝過程中存在施工設(shè)備荷載及沖擊等因素，不同的梁板安裝順序直接關(guān)系到加載過程的應(yīng)力狀態(tài)，特別對(duì)于懸臂蓋梁等關(guān)鍵受力構(gòu)件，在施工過程中分階段張拉多束鋼絞線逐步建立承載能力，過程中某個(gè)階段，蓋梁并未完全達(dá)到設(shè)計(jì)承載力而加載荷載過大直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)安全。橋梁規(guī)范目前按照設(shè)計(jì)和施工規(guī)范單獨(dú)發(fā)行，盡管在設(shè)計(jì)規(guī)范中有充分考慮施工加載過程的規(guī)定，但往往設(shè)計(jì)人員對(duì)施工實(shí)際過程不了解或考慮不足特別對(duì)于架設(shè)梁板的大型架橋設(shè)備荷載沒有充分的計(jì)算論證。施工中多個(gè)設(shè)計(jì)院的通用圖完全一致，多家設(shè)計(jì)院的上部梁板安裝規(guī)定是在蓋梁上對(duì)稱均勻加載，并不詳細(xì)具體，也未對(duì)相關(guān)施工設(shè)備做出限制。這容易給施工造成誤導(dǎo)，盲目認(rèn)為過程中的懸臂蓋梁有足夠的承載力，而對(duì)稱加載可以從中間往兩邊或從兩邊至中間。對(duì)于懸臂蓋梁一般均為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，而懸臂端的預(yù)應(yīng)力鋼絞線不能全部一次張拉，通常采用配合上部結(jié)構(gòu)分批張拉。這就導(dǎo)致不同階段不同預(yù)應(yīng)力束作用下懸臂蓋梁的承載力不一樣，只有全部張拉完成才具備最終的設(shè)計(jì)承載力。這使得過程中的加載順序必須完全配合預(yù)應(yīng)力的張拉過程，否則可能出現(xiàn)危及結(jié)構(gòu)安全的工況。

1 常見懸臂蓋梁簡(jiǎn)況

高速公路三車道40mT 梁橋形結(jié)構(gòu)，一孔跨徑通常為七片T 梁，一種常見的懸臂蓋梁通用圖見圖1，這種通用圖紙?jiān)谠颇隙鄠€(gè)高速項(xiàng)目上使用。其主要的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：上部40mT 梁邊梁重量為140 噸，中梁為127 噸。蓋梁為雙柱大懸臂蓋梁，C50 混凝土，蓋梁長(zhǎng)16m，寬2.35m，墩柱中心間距3.9m，蓋梁懸臂長(zhǎng)5.15m，蓋梁懸臂根部截面高2m，端部高1.1m。 蓋梁預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)計(jì)為5 孔預(yù)應(yīng)力鋼絞線束，鋼束張拉控制力為4883kN。在根部位置鋼絞線合力點(diǎn)距上邊緣的距離為0.15m。

圖1 懸臂蓋梁立面圖

蓋梁總計(jì)控制張拉預(yù)應(yīng)力為4883kN×5，需按照上部施工情況分兩批張拉。張拉時(shí)蓋梁混凝土強(qiáng)度應(yīng)達(dá)100%并養(yǎng)護(hù)不少于14 天，第一批張拉N1 號(hào)鋼束，N1 應(yīng)在T 梁安裝以前張拉；第二批張拉N2 號(hào)鋼束，N2 應(yīng)在本蓋梁上全部T 梁安裝以后10cm 橋面混凝土澆筑以前張拉。張拉N2 號(hào)鋼束時(shí)，應(yīng)先張拉中間的鋼束，再同步張拉兩邊的鋼束，鋼絞線布置見圖2。

圖2 懸臂蓋梁端頭錨索布置

2 懸臂蓋梁設(shè)計(jì)工況分析計(jì)算

上述為設(shè)計(jì)規(guī)定，依據(jù)其加載和張拉過程僅選取懸臂蓋梁為分析研究對(duì)象，其受力過程分為四個(gè)階段。第一階段為完成蓋梁混凝土澆筑張拉N1 鋼絞線束后拆卸蓋梁模板。第二階段為架設(shè)T 梁，該階段在橫橋向的架梁順序可從邊至中間或從中間往兩邊。第三階段為張拉剩余鋼絞線N2。第四階段為完成橋面附屬工程。為了驗(yàn)算施工過程中的承載力主要以懸臂根部作為受彎的控制截面見圖3中A-A，滓1 為上邊緣應(yīng)力，滓2 為截面下邊緣應(yīng)力正值為壓應(yīng)力負(fù)值為拉應(yīng)力。第一階段自重作用下的彎矩：

由于已經(jīng)張拉2 束鋼絞線N1，依據(jù)混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范6.2.10 節(jié)[1]，A-A 截面的水平方向受力平衡，且力矩平衡可列出以下方程：

方程組左邊化簡(jiǎn)后得到式（1）后續(xù)將按照簡(jiǎn)化的公式直接求解計(jì)算不在列出原始公式。

求解式（1）得到：

從計(jì)算結(jié)果來看張拉2 束鋼絞線由于僅有蓋梁自重作用，下部已出現(xiàn)較大的受拉應(yīng)力，即接近混凝土受拉標(biāo)準(zhǔn)值2.64MPa。這是在未加載T 梁時(shí)能夠張拉的極限值，這種情況下超張拉對(duì)結(jié)構(gòu)更加的不利。

第二階段安裝T 梁，荷載布置見圖3，40mT 梁采用架橋機(jī)安裝，40m 跨需采用60m 桁架架橋機(jī)額定起重量大于200 噸。架橋機(jī)及橋上設(shè)備總計(jì)在架梁階段分配到T 梁支座處的荷載約為30 噸。按照T 梁位置將荷載布置于蓋梁上。F1 為邊梁荷載，F(xiàn)2 為中梁荷載，F(xiàn)3 為架橋機(jī)及其他施工荷載，此時(shí)蓋梁懸臂根部的彎矩為：

圖3 懸臂蓋梁荷載布置圖

按照平衡原理參照式（1）得到該工況下標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)的方程組：

求解得到：

這是計(jì)算得到的理想工況，但施工中并非完全與理想的一致。首先是蓋梁鋼束較短僅16m，且在蓋梁中的布置存在彎道，鋼絞線的摩擦阻力不可避免，錨頭及夾具變形均可對(duì)有效預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生較大的影響[2]。因此預(yù)應(yīng)力鋼絞線放張后不可避免地存在預(yù)應(yīng)力的損失。另外施工中梁板吊裝不可避免地存在沖擊作用，在公路鋼筋混凝土規(guī)范[3]7.2.2 條規(guī)定：當(dāng)構(gòu)件運(yùn)輸和安裝計(jì)算時(shí)，構(gòu)件自重應(yīng)乘以動(dòng)力系數(shù)1.2。計(jì)算中按照架梁實(shí)際情況T 梁的一半重量應(yīng)考慮動(dòng)力系數(shù)。預(yù)應(yīng)力損失與動(dòng)荷載作用同時(shí)考慮，其計(jì)算結(jié)果才具有實(shí)際意義?？紤]到?jīng)_擊作用則懸臂根部的應(yīng)力狀態(tài)直接與架梁順序有著直接關(guān)系，懸臂蓋梁上共計(jì)有四個(gè)T 梁端頭安裝于蓋梁，若從中間往兩邊安裝T 梁則安裝邊跨最后一片T 梁時(shí)其余荷載均已作用于T 梁，最后一片邊梁安裝按照規(guī)范動(dòng)力系數(shù)計(jì)算。于是懸臂根部的彎矩：

按照承載能力極限狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力作為有利作用分項(xiàng)系數(shù)不大于1.0，重力作用為不利作用荷載組合時(shí)采用分項(xiàng)系數(shù)1.2。按荷載基本組合得到下列方程組：

此時(shí)懸臂蓋梁根部上邊緣已經(jīng)超過混凝土受拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

若按照先架設(shè)邊梁后架設(shè)中梁，則架邊梁時(shí)尚無中梁荷載；安裝中梁盡管已有邊梁荷載但產(chǎn)生沖擊動(dòng)荷載的中梁力臂遠(yuǎn)小于邊梁力臂。此時(shí)得到懸臂根部的彎矩：

按照承載能力極限狀態(tài)的荷載基本組合得到：

可以看出此時(shí)的A-A 截面受拉應(yīng)力小于（3）式，得出結(jié)論懸臂蓋梁T 梁架設(shè)順序從中間往兩邊加載懸臂梁根部的應(yīng)力極限值更小。

架設(shè)完T 梁后張拉剩余的三束鋼絞線則懸臂蓋梁的承載力達(dá)到最終的設(shè)計(jì)狀態(tài)，后續(xù)無論是防撞護(hù)欄或橋面鋪裝，懸臂蓋梁都具有足夠的承載力，這個(gè)階段已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)的最終狀態(tài)。因此整個(gè)懸臂蓋梁的最危險(xiǎn)狀態(tài)存在于施工過程中，但設(shè)計(jì)一般對(duì)施工過程的考慮較少或重視程度不高，才會(huì)出現(xiàn)對(duì)于梁板吊裝順序沒有充分的論證計(jì)算，僅是規(guī)定對(duì)稱安裝，這對(duì)施工具有極大的風(fēng)險(xiǎn)。其次這種懸臂概梁的預(yù)應(yīng)力張拉與加載過程也不盡合理，先張拉的兩束鋼絞線即承擔(dān)了所有梁板的自重，剩余三束僅是承擔(dān)橋面鋪裝及行車荷載，對(duì)于這種40m 橋梁上部結(jié)構(gòu)按照公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范[4]整體計(jì)算時(shí)活荷載采用車道荷載與集中荷載，其對(duì)蓋梁的作用小于梁板自重的。因此張拉程序的不均衡使得施工過程中承載力偏低或不足使得結(jié)構(gòu)存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 動(dòng)力系數(shù)討論

吊裝落梁時(shí)盡管速度較慢但連續(xù)梁均需要設(shè)置臨時(shí)支座，待連續(xù)端橫梁澆筑后才替換為橡膠支座，一般的臨時(shí)支座為砂箱，砂箱的剛性遠(yuǎn)大于橡膠支座。在豎向上特別是瞬時(shí)荷載作用下接近于剛體，落梁的瞬間梁與砂箱接觸即受力，此時(shí)作為柔性的吊索隨即卸荷，即吊索的拉力瞬間轉(zhuǎn)移到砂箱，另外由于吊裝中的吊鉤上升或下降都有一個(gè)固定速度或者最小速度，常規(guī)SH-JQJ180-40A3 型架橋機(jī)的吊鉤速度為0.56m/min，安裝梁板通過人為開啟或暫?？刂坡淞核俣?。由Fs=mv 可知盡管落梁速度很小，但剛性接觸的時(shí)間極短這也會(huì)導(dǎo)致接觸瞬間獲得較大的沖擊系數(shù)F/mg，且人工控制落梁速度具有較大的偏差和經(jīng)驗(yàn)性。分析梁體與砂箱接觸的瞬態(tài)，此時(shí)吊鉤的柔性索失去作用，按照理論力學(xué)[5]自由落體推導(dǎo)沖擊系數(shù)如式（5）：

式中Δh 為梁自由下落高度，因選取的計(jì)算模型為梁與砂箱已經(jīng)相互接觸取為零，Δs 為砂箱及整個(gè)下部結(jié)構(gòu)的豎向變形量，在式（5）中無需求解。因此理論上最小的沖擊系數(shù)為2，這是直接針對(duì)參與沖擊的荷載而言。落梁中由于一片T 梁有兩端支座受力因此近似取一半的荷載考慮沖擊系數(shù)應(yīng)是合理的。從上述分析來看施工過程因考慮實(shí)際可能存在的最不利工況，公路鋼筋混凝土規(guī)范對(duì)于動(dòng)力系數(shù)的取值1.2 是偏小的。另外在國(guó)標(biāo)混凝土規(guī)范中對(duì)于裝配構(gòu)件在吊裝、運(yùn)輸?shù)惹闆r下取用的安全系數(shù)為1.5，同時(shí)規(guī)定可依據(jù)具體情況進(jìn)行增減?？紤]到?jīng)_擊荷載作用下材料強(qiáng)度有一定的強(qiáng)化作用，即加載越快材料強(qiáng)度越高[6]，但材料的這種強(qiáng)化效應(yīng)難以量化，且與沖擊的關(guān)系還未完全掌握，現(xiàn)行規(guī)范中也未將這種材料強(qiáng)化效應(yīng)定量化和理論化，按照經(jīng)驗(yàn)處理則主觀因素較大?？紤]到目前以概率理論為基礎(chǔ)以分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的設(shè)計(jì)方法[7]，不論是對(duì)于效應(yīng)還是材料強(qiáng)度都具有一定的富裕程度，兩者同時(shí)達(dá)到界限值的概率極小，因此混凝土規(guī)范取用了1.5 的安全系數(shù)且考慮特殊情況特殊處理可依據(jù)實(shí)際情況增減更加合理。

4 張拉與加載優(yōu)化

對(duì)于文中提到懸臂長(zhǎng)度較大的蓋梁，懸臂端集中布置了邊梁和中梁兩片梁板的重量；但這兩片梁板的重量是由四片梁板的支座端施加，即T 梁在順橋向往一個(gè)方向架設(shè)，就存在蓋梁懸臂端的荷載是分成四次加載完成的。通過前面的計(jì)算分析得出結(jié)論直接張拉2 束鋼絞線懸臂蓋梁A-A 截面下緣出現(xiàn)了較大拉應(yīng)力，且該工況超張拉極可能導(dǎo)致懸臂根部的下緣出現(xiàn)裂縫，吊裝全部梁板后懸臂蓋梁A-A 截面上端出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，且在不注意吊裝順序的情況下極有可能造成懸臂上部開裂。施工過程中的承載力不足，這與工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范[8]充分考慮全壽命周期特別強(qiáng)調(diào)施工階段承載力的強(qiáng)制性規(guī)定相違背。說明設(shè)計(jì)在考慮施工加載過程存在明顯缺陷。

為盡可能地方便施工又降低施工過程中出現(xiàn)的這種結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)。我們依據(jù)前面的計(jì)算將對(duì)加載過程和預(yù)應(yīng)力張拉進(jìn)行優(yōu)化。以下計(jì)算中按照極端不利的情況張拉預(yù)應(yīng)力考慮3%的超張拉，放張后考慮總計(jì)8%的預(yù)應(yīng)力損失。第一階段張拉兩束鋼絞線懸臂蓋梁A-A 下部出現(xiàn)較大受拉區(qū)。因此第一階段僅張拉中間的N2 一束鋼絞線，得到AA 截面的的平衡方程：

隨后架設(shè)懸臂蓋梁?jiǎn)蝹?cè)的1 片T 梁（單個(gè)支座端），架梁順序?yàn)閺倪呏林虚g考慮荷載動(dòng)力系數(shù)，懸臂根部彎矩：

得到平衡方程：

之后張拉兩束N1 鋼絞線得到：

最后架設(shè)剩余的全部T 梁（三個(gè)支座端），最不利工況平衡方程：

完成T 梁安裝后張拉邊上剩余的兩束鋼絞線N2，這個(gè)工況已與原設(shè)計(jì)保持一致。上述的幾個(gè)階段分析計(jì)算得出蓋梁A-A 截面應(yīng)力均遠(yuǎn)小于混凝土的抗拉和抗壓設(shè)計(jì)值，施工過程盡管出現(xiàn)拉應(yīng)力但上下緣均無開裂風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然施工中相應(yīng)的將兩次張拉調(diào)整為了三次張拉，增加了預(yù)應(yīng)力張拉的工序。

5 結(jié)論

①結(jié)構(gòu)安全與施工過程加載密切相關(guān)，文中列舉的設(shè)計(jì)通用圖對(duì)施工過程加載考慮欠妥，預(yù)應(yīng)力張拉與上部T梁加載順序不合理，存在極大施工風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于大懸臂蓋梁采用先架設(shè)邊梁后中梁的順序可以減小懸臂跟部的應(yīng)力幅值。②對(duì)于懸臂蓋梁施工過程中承載力是通過預(yù)應(yīng)力張拉逐漸建立起來的，不同階段承載力差距巨大，盡管最終都能達(dá)到設(shè)計(jì)效果，但施工過程的不利工況可能導(dǎo)致根部上下緣開裂甚至危及施工安全。③梁板吊裝按照公路鋼筋混凝土規(guī)范取用1.2 的動(dòng)力系數(shù)偏小，建議參考國(guó)標(biāo)混凝土規(guī)范吊裝時(shí)取1.5 或依據(jù)實(shí)際情況增減。④優(yōu)化加載順序需與鋼絞線的張拉密切結(jié)合，減小張拉的梯級(jí)數(shù)量，增加加載過程中的張拉次數(shù)對(duì)于減小懸臂蓋梁的峰值應(yīng)力效果顯著，施工過程應(yīng)對(duì)關(guān)鍵的工序進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，避免設(shè)計(jì)缺陷造成施工風(fēng)險(xiǎn)。