吊裝過(guò)程中的城市軌道交通U型梁力學(xué)性能分析

葉 琪 金增選 張勝林 蔡煜梁

1寧波市城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)開(kāi)發(fā)公司（315040） 2 寧波工程學(xué)院建筑與交通工程學(xué)院（315211）3 浙江省土木工程工業(yè)化建造工程技術(shù)研究中心（315211）

U型梁具有建筑高度低、降噪效果好、外形美觀以及安全高效等特點(diǎn)[1]，在地鐵高架線(xiàn)路中被廣泛采用。相比于箱梁，U型梁屬于下承式開(kāi)口薄壁截面形式，其整體抗彎、抗扭性能較弱[2]，開(kāi)裂問(wèn)題較為突出。而混凝土一旦開(kāi)裂，鋼筋容易發(fā)生銹蝕，從而影響整體結(jié)構(gòu)耐久性，縮短工程使用年限[3]。

針對(duì)U型梁開(kāi)裂問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)的研究工作[4]。2008 年，廣州地鐵2 號(hào)線(xiàn)首次采用了U型梁，為了驗(yàn)證梁體的承載能力是否滿(mǎn)足要求，蘇建華[5]對(duì)該工程25 m U型梁開(kāi)展了足尺破壞性靜載試驗(yàn)。2009 年，南京地鐵2 號(hào)線(xiàn)同樣采用了25 m 跨徑的預(yù)應(yīng)力混凝土U型梁，黎慶[6]分別對(duì)其開(kāi)展了足尺靜載試驗(yàn)和節(jié)段模型疲勞試驗(yàn)，研究認(rèn)為： 在設(shè)計(jì)荷載作用下，U型梁縱向受力滿(mǎn)足要求，但梁體橫向應(yīng)力較大，容易引起混凝土開(kāi)裂。2010 年，莊嚴(yán)[7]、王彬力[8]分別對(duì)重慶軌道交通 1 號(hào)線(xiàn)30 m U型梁進(jìn)行了靜載及疲勞試驗(yàn)，研究了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、抗裂性能、承載能力和疲勞問(wèn)題。2018 年，梁巖[9]等首次通過(guò)有限元分析方法，對(duì)鄭州地鐵南四環(huán)至鄭州南站線(xiàn)路中跨徑為30 m 的U型梁開(kāi)展了吊裝施工過(guò)程中的力學(xué)性能分析，研究結(jié)果認(rèn)為:受梁體自身截面形式影響，吊裝高差需嚴(yán)格控制，否則極易出現(xiàn)不平衡吊裝時(shí)的梁體開(kāi)裂問(wèn)題。

綜上所述，以往的研究主要是通過(guò)靜載及疲勞試驗(yàn)來(lái)分析U型梁在設(shè)計(jì)荷載作用下的抗裂性能，而對(duì)U型梁在吊裝過(guò)程中的抗裂性能的研究十分稀少。隨著U型梁逐漸向大跨徑發(fā)展，梁體自重也不斷加大，特別是早期場(chǎng)內(nèi)移梁時(shí)，混凝土齡期小，預(yù)應(yīng)力只完成初張拉，早期移梁過(guò)程是否會(huì)對(duì)梁體產(chǎn)生不利影響值得我們深入研究。

因此，文章結(jié)合某軌道交通高架橋項(xiàng)目，對(duì)目前國(guó)內(nèi)最大跨徑的35 m U型梁開(kāi)展三維數(shù)值模擬分析，研究其吊裝過(guò)程中的受力狀態(tài)，并開(kāi)展實(shí)際吊裝過(guò)程中的試驗(yàn)跟蹤測(cè)試，以研究分析吊裝施工方案的安全性及合理性。

1 工程概況

本研究U型梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑為35 m，梁體橫向?qū)挾葹?.1 m，梁高1.875 m；除梁端1 m 為底板加厚區(qū)外，梁底板厚度為27 cm；設(shè)計(jì)采用C60 纖維混凝土，整體重量約為220 t。U型梁端部橫斷面如圖1 所示，預(yù)應(yīng)力采用先張+后張相結(jié)合的形式，預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)選用φ15.2 mm 高強(qiáng)度低松弛鋼絞線(xiàn)。在U型梁底板共設(shè)置了64 根縱向先張預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)S，張拉控制應(yīng)力σcon=1 339 MPa；在U型梁兩側(cè)腹板及底板共設(shè)置了6 束后張預(yù)應(yīng)力束N1 和N2。

圖1 U型梁端部橫斷面（單位:mm）

U型梁吊裝孔設(shè)置如圖2 所示，一端設(shè)4 個(gè)吊孔，每個(gè)吊裝孔的直徑均為80 mm；另一端對(duì)稱(chēng)布置。

當(dāng)U型梁澆筑完成后、養(yǎng)護(hù)時(shí)間達(dá)到5 d 時(shí)，進(jìn)行脫模及先張預(yù)應(yīng)力筋放張，此時(shí)未進(jìn)行后張預(yù)應(yīng)力張拉。U型梁放張完畢后，采用250 t 輪胎式提梁機(jī)起梁，將U型梁吊出制梁臺(tái)座，并移向存梁區(qū)。

2 試驗(yàn)方案

在U型梁混凝土澆筑前，分別在各控制截面埋設(shè)振弦式混凝土應(yīng)變計(jì)。U型梁控制截面選取如圖3 所示，其中：1-1、5-5 為 U型梁截面漸變處，2-2、4-4 為 U型梁 1/4 斷面處，3-3 為 U型梁跨中截面。

圖2 U型梁吊裝孔設(shè)置（單位:mm）

圖3 槽型梁預(yù)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)斷面位置示意圖

各控制截面縱、橫向應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況如圖4所示。

圖4 各控制截面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況

吊裝測(cè)試以梁體脫去內(nèi)模、準(zhǔn)備場(chǎng)內(nèi)移梁時(shí)為試驗(yàn)初始狀態(tài)，此時(shí)梁體置于外模中，采集傳感器數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)初始值。試驗(yàn)共分為三個(gè)測(cè)試工況:U型梁起吊（工況一）；U型梁行進(jìn)（工況二）；U型梁落梁（工況三）。分別在每個(gè)測(cè)試工況采集傳感器應(yīng)變數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片如圖5 所示。

圖5 U型梁吊裝試驗(yàn)

3 吊裝試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 縱向應(yīng)力分析

移梁過(guò)程中，U型梁底板中部Z-5 測(cè)點(diǎn)及內(nèi)側(cè)腹板底Z-7 測(cè)點(diǎn)縱向應(yīng)力變化分別如圖6 和圖7所示。由圖6 和圖7 可知，工況一和工況二混凝土應(yīng)力變化情況基本一致；工況三完全落梁后，由于吊裝點(diǎn)約束轉(zhuǎn)變?yōu)楦拷憾说拇媪号_(tái)座支座約束，導(dǎo)致梁底拉應(yīng)力增加。

圖6 U型梁底板中部縱向應(yīng)力變化

圖7 U型梁內(nèi)腹板底處縱向應(yīng)力變化

3.2 橫向應(yīng)力分析

U型梁3-3 截面及1-1 截面各測(cè)點(diǎn)橫向應(yīng)力變化如圖8 和圖9 所示。由圖8 和圖9 可知，在U型梁吊裝過(guò)程中，靠近吊裝點(diǎn)的1-1 截面橫向應(yīng)力變化較大，最大橫向應(yīng)力變化出現(xiàn)在工況二U型梁底腹板交界處上表面（H-2 測(cè)點(diǎn)），其值為2.73 MPa。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 有限元建模

采用數(shù)值分析方法，建立35 m U型梁全梁精細(xì)化模型。模型中混凝土采用實(shí)體單元C3D8(R)，單元網(wǎng)格尺寸為10 cm，全梁共分為99 400 個(gè)單元；預(yù)應(yīng)力筋及普通鋼筋采用桁架單元T3D2，并嵌入至混凝土中，通過(guò)降溫法模擬預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。U型梁整體網(wǎng)格劃分如圖10 所示。通過(guò)在U型梁吊裝孔位置建立四個(gè)參考點(diǎn)，模擬吊裝施工。

圖8 U型梁3-3 截面橫向應(yīng)力變化

圖9 U型梁1-1 截面橫向應(yīng)力變化

圖10 U型梁網(wǎng)格劃分

4.2 理論值與試驗(yàn)值對(duì)比

U型梁吊裝過(guò)程中各控制截面內(nèi)側(cè)腹板底Z-7測(cè)點(diǎn)和外側(cè)翼緣頂Z-1 測(cè)點(diǎn)與有限元分析對(duì)比結(jié)果分別如圖11 和圖12 所示；工況三的混凝土應(yīng)變值分別減去工況一、工況二的混凝土應(yīng)變值，得到圖中的試驗(yàn)值1 和試驗(yàn)值2。由圖11 和圖12 可知，在吊裝過(guò)程中，U型梁內(nèi)側(cè)腹板底基本承受拉應(yīng)力的最大值為0.88 MPa，而外側(cè)腹板頂基本承受壓應(yīng)力的最大值為-2.29 MPa。整體而言，理論計(jì)算值與模擬值吻合較好，最大差值為0.27 MPa。

圖11 U型梁內(nèi)側(cè)腹板底縱向應(yīng)力變化

圖12 U型梁外側(cè)腹板頂處縱向應(yīng)力變化

4.3 吊裝分析

U型梁場(chǎng)內(nèi)移梁時(shí)，C60 纖維混凝土齡期為5 d；使用現(xiàn)場(chǎng)預(yù)留的混凝土試塊，測(cè)得此時(shí)混凝土抗拉強(qiáng)度值為3.40 MPa。U型梁吊裝時(shí)底腹板結(jié)合處縱向應(yīng)力如圖13 所示。由圖13 可知，在吊裝過(guò)程中，U型梁底板交界處縱向均承受壓應(yīng)力，且整體呈拋物線(xiàn)分布。由于U型梁橫截面不完全對(duì)稱(chēng)，導(dǎo)致內(nèi)、 外側(cè)腹板與底板結(jié)合處應(yīng)力不完全一致，但整體差異較小。

U型梁吊裝截面第一主應(yīng)力如圖14 所示。由圖14 可知，U型梁吊裝時(shí)，底腹板交界處上表面承受拉應(yīng)力，且靠近吊裝孔位置出現(xiàn)了局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。為了保證梁體吊裝孔位置受力安全，需對(duì)吊裝孔局部鋼筋進(jìn)行加密，以保證吊裝孔附近混凝土不發(fā)生開(kāi)裂。

圖13 底腹板交界處縱向應(yīng)力

圖14 吊裝截面第一主應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

根據(jù)某工程35 m U型梁整體吊裝試驗(yàn)及有限元模擬分析，得出以下結(jié)論:

1）U型梁吊裝過(guò)程中，梁體整體受力安全，測(cè)試最大橫向應(yīng)力出現(xiàn)在U型梁底腹板交界處上表面，其值為2.73 MPa。

2）根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，在U型梁吊裝過(guò)程中，底腹板交界處縱向均承受壓應(yīng)力，且整體呈拋物線(xiàn)分布。

3）為了避免吊裝孔附近混凝土因應(yīng)力集中而發(fā)生開(kāi)裂，需對(duì)吊裝孔局部鋼筋進(jìn)行加密，或采用預(yù)埋鋼板的形式。