節段預制拼裝箱梁架梁施工安全性分析

曹新恒

（中鐵二局股份有限公司，四川成都　610031）

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節段預制拼裝箱梁架梁施工安全性分析

曹新恒

（中鐵二局股份有限公司，四川成都610031）

摘要：通過大型有限元軟件ABAQUS，建立了東莞地鐵R2線2312標的節段預制拼裝簡支箱梁三維空間有限元仿真模型，論證了在架橋機過跨和架梁兩種最不利工況作用下的梁體受力性能，提出了梁端附近混凝土拉應力過大問題的施工對策，并分析論證了臨時支撐措施的有效性，保證了架梁施工荷載下結構的安全性。

關鍵詞：架梁施工，箱梁，空間有限元法，架橋機

0　引言

東莞地鐵R2線2312標主要為高架橋梁結構，橋梁跨度有25 m與30 m線兩種結構形式，單跨梁體節段分標準段、過渡段與端節段，其結構形式如圖1所示。箱梁架設采用梁體分節段在梁場預制，待強度滿足設計要求后運輸至橋跨位置，利用架橋機懸拼后再整體落梁的施工方式。由于架梁施工時的臨時荷載遠較正常使用荷載大，因此需對架梁施工時梁體結構的安全性進行分析研究。

圖1　箱梁節段斷面圖

1　計算內容及計算方法

1.1計算內容

架橋機架梁施工的安全驗算屬于橋梁結構的施工階段驗算，此時結構二期恒載還未施加，預應力收縮及混凝土徐變還未發生，此時主要是驗算根據架橋機生產廠家提供的架梁施工時各支腿的支反力對橋梁結構的整體和局部造成的影響是否超過橋梁自身的承載能力。架橋機架梁施工各工況支反力情況見表1。

表1　架梁施工主要工況支腿反力匯總表

根據以上荷載工況的荷載情況，選取工況2和工況3對梁體進行架梁施工安全驗算。

1.2計算方法

由于箱梁在梁端受有局部荷載，而目前箱梁橫向計算的有關研究文獻［1］～［4］均為針對箱梁跨中一般節段的橫向受力性能分析，未能考慮梁端處支座反力對梁體橫向頂板、底板及腹板的耦合影響，因此不能真實的反映梁端附近箱梁局部受力性能。文獻［5］中明確表示平面框架法得到的橫向應力遠大于空間有限元法，在實際設計計算中須謹慎使用平面框架法；文獻［6］也認為平面桿系有限元法是一種實用簡單的結構分析方法，在對結構進行橫向的研究和分析時，是一種相對粗略的計算方法，文獻［7］獲得了比較好的空間受力性能計算結果，文獻［8］同樣表示采用空間實體單元研究箱梁局部開裂問題是較好選擇。因此本文采用大型有限元軟件ABAQUS建立空間實體模型進行仿真分析。

2　有限元計算模型

2.1有限元模型的簡化

根據架橋機架梁施工的荷載工況可知：架橋機過跨時剛好作用在跨中附近，架梁及靜力加載實驗時梁端支反力與梁端同時作用相同荷載的支反力僅相差4. 5%；所有工況荷載位置橫橋向均對稱布置。因此，為減少計算規模取全梁的1/4結構建立有限元模型進行分析計算。

2.2材料參數

表2　結構材料力學參數

2.3預應力加載

預應力加載采用降溫法施加。由于有限元模型中降溫法不能模擬預應力筋的摩阻損失，因此，在對預應力筋施加預應力荷載前根據規范［9］的規定分區域扣除由于摩阻影響損失的預應力，即對不同區域設定不同的降溫值［10］。

2.4有限元模型邊界條件及單元劃分

整個模型按實際情況取1/4結構計算，在箱梁的縱橫對稱面上設立對稱邊界條件，支座處設置鋼板與梁底面建立接觸約束并約束豎向位移。鋼絞線及端節段梁體鋼筋采用embed約束埋入梁體混凝土中。混凝土采用C3D8R單元模擬，預應力鋼絞線和HRB335普通鋼筋采用B31單元。有限元整體模型如圖2所示。

3　計算結果分析

3.1架橋機過跨施工

根據表1，架橋機過跨時可按荷載作用在跨中位置考慮，其荷載為單個支腿1/2的荷載R =695 kN，其主要計算結果如圖3～圖6所示。

圖2　有限元整體模型

圖3　箱梁主拉應力云圖

圖4　箱梁橫向應力云圖

圖5　箱梁豎向應力云圖

圖6　箱梁底板縱向壓應力

由計算結果可知，梁體在架橋機過跨施工荷載作用下梁體主拉應力，橫橋向拉應力均不大于C50混凝土的抗拉強度標準值，底板縱橋向正應力未出現拉應力，符合全預應力結構要求。

3.2架橋機架梁及靜載實驗工況

根據表1，比較架橋機架梁和靜載實驗工況可知，靜載實驗工況更為不利。因此僅對靜載試驗工況進行模擬分析，其主要計算結果見圖7～圖10。

圖7　梁端主拉應力云圖（一）

圖8　梁端橫向應力云圖（一）

圖9　梁端豎向應力云圖（一）

圖10　梁端縱向應力云圖（一）

為更詳細的了解端節段橫向應力分布規律，分別在箱梁頂板上下緣，箱梁底板上緣每隔0. 5 m選擇一條應力查看路徑以分析應力沿箱梁縱向的變化情況，其結果見圖11，圖12。

根據以上計算結果可知：端節段在靜載試驗工況荷載作用下，其主拉應力、頂板橫向拉應力及腹板豎向應力均存在超過C50混凝土抗拉強度的區域。由圖11，圖12可知，梁體橫向應力變化基本上由梁端截面向跨中逐漸減少，到端節段末端其頂板與腹板拉應力均滿足混凝土抗拉強度要求。

圖11　梁端頂板下緣橫向應力

圖12　梁端腹板外側應力

綜合架橋機靜載實驗工況作用下的應力云圖及各截面頂板下緣橫向拉應力和腹板外側豎向拉應力的應力變化情況分析可以確定，架橋機架梁施工時如不采取措施，箱梁將由梁端向跨中方向逐漸開裂形成頂板和腹板的縱向裂縫，這將影響梁體正常運營的使用壽命，為全預應力構件所不允許，因此應采取措施控制架梁施工荷載對梁體結構的影響。

4　架梁施工梁體承載能力不足的對策措施及其分析

針對架梁施工時梁體端節段混凝土應力超標的問題，擬定采用在梁端支座位置設置箱內豎向鋼支撐，以將部分架橋機支腿荷載直接通過鋼支撐傳至支座；臨時鋼支撐設置為順橋向距梁端0. 7 m，橫橋向支座中心距1. 9 m；安裝支撐時對每個支撐施加30 t的預加力。增加臨時支撐后的主要計算結果如圖13～圖16所示。

圖13梁端主拉應力云圖（二）

根據加支撐后的分析計算結果分析可知，臨時支撐的直接傳力作用對改善箱梁的空間應力分布有明顯的效果，其最大主拉應力降到2. 3 MPa以內，小于C50混凝土的抗拉強度標準值ft= 2. 64 MPa，不至于引起混凝土的開裂；原先在箱梁頂板、腹板的混凝土拉應力超限區的正應力也得到有效控制，均未超過混凝土的抗拉強度標準值。

5　結語

通過對箱梁架設過程中的不利工況進行三維空間實體有限元模擬分析，明確了架梁施工荷載下梁體結構不同部位的應力響應，得出以下結論：

圖14　梁端橫向應力云圖（二）

圖15　梁端豎向應力云圖（二）

圖16　梁端縱向應力云圖（二）

1）箱梁在架橋機過跨工況下其主拉應力、跨中荷載作用位置附近頂板、腹板的正應力大小均未超過C50混凝土的抗拉強度標準值，箱梁底板下緣未出現縱向拉應力，仍處于全預應力狀態，梁體結構安全，滿足施工要求。

2）架梁施工時箱梁的頂板、腹板、底板等多個區域出現主拉應力和正應力超標的問題；當采取在梁端增設臨時支撐的施工措施之后，梁端在局部荷載作用下的應力分布情況得到明顯改善，其主拉應力、頂板橫向拉應力和腹板豎向拉應力均控制到C50混凝土抗拉強度標準值以內，可以保證梁體架梁施工的安全。

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Safety study of the box girder erection for the box girder precast segment assembled

Cao Xinheng
（China Railway No. 2 Bureau Co.，Ltd，Chengdu 610031，China）

Abstract：By ABAQUS establishing a three-dimensional finite element model of the Dongguan metro R2 line 2312 standard segmental prefabricated box girder，it is demonstrated that the box girder is affected by the cross and frame beam construction，give a solution to avoid the problem of the oncrete tensile stress near the end of the beam is too large，and through analysis，it is proved that the temporary support measures are effective，ensured the structure safety of erecting beam construction load.

Key words：erecting beam construction，box girder，space finite element method，bridge machine

中圖分類號：U445

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）09-0189-04

收稿日期：2016-01-12

作者簡介：曹新恒（1981-），男，碩士，工程師