SPMT轉(zhuǎn)運(yùn)大型預(yù)制混凝土箱梁施工技術(shù)

阮裕和，李洪斌

（中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230）

引 言

對于各種大型物件的運(yùn)輸，傳統(tǒng)的吊裝、滑移工藝由于受到場地、成本等限制，已不能滿足大型物件轉(zhuǎn)存的要求。SPMT模塊車具有拼裝靈活，通過能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在各類工程建設(shè)中發(fā)揮了重要的作用，其應(yīng)用在未來必將會(huì)越來越廣泛。目前采用SPMT轉(zhuǎn)運(yùn)的大型物件主要以鋼結(jié)構(gòu)居多，應(yīng)用于大型預(yù)制混凝土箱梁轉(zhuǎn)運(yùn)的實(shí)例較少。本項(xiàng)目預(yù)制混凝土箱梁具有體形大、長度長、壁厚薄的特點(diǎn)，其整體抗拉、抗扭能力較差，采用SPMT進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，在箱梁頂升、運(yùn)輸、落墩過程中，混凝土存在被拉裂破壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在施工過程中必須做好箱梁的應(yīng)力、變形監(jiān)測，把應(yīng)力、變形量控制在限值內(nèi)，確保箱梁轉(zhuǎn)存的順利進(jìn)行。

1 工程概況

香港將軍澳跨灣連接路工程共有預(yù)制混凝土箱梁 18片，為不規(guī)則變截面曲線箱梁，長度最長75 m，高度3.85 m，梁頂板寬度最大24.5 m，腹板厚度兩端8 m范圍內(nèi)為0.8 m，其它部位0.4 m，底板厚度0.25 m，屬薄壁結(jié)構(gòu)。單榀箱梁最大重量超過3 000 t，為目前國內(nèi)最大預(yù)制箱梁。

箱梁結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。

圖1 雙室箱梁斷面示意

2 箱梁轉(zhuǎn)運(yùn)工藝

2.1 布車

SPMT是一種模塊化生產(chǎn)及組裝的自行式平板車，可以根據(jù)裝載物件的大小、形狀，配置成各種不同的尺寸和結(jié)構(gòu)。SPMT的基礎(chǔ)部件是一個(gè)4軸線或6軸線的模塊組以及一個(gè)動(dòng)力頭（PPU-Power Pack Unit）。SPMT 的主要特點(diǎn)有[1]：

1）單位面積的承載能力高。適合于集中載荷較大的貨物運(yùn)輸。

2）模塊化設(shè)計(jì)。可根據(jù)貨物特征（噸位、外型尺寸等）進(jìn)行任意組合并車，設(shè)備利用率高。

3）電控多模式獨(dú)立轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向模式多、機(jī)動(dòng)靈活、通過性好、可平移、可360°原地轉(zhuǎn)向、可斜行。

4）承載能力強(qiáng)，每軸線額定承載能力為40 t。

5）對地面承載要求小，滿足10 t/m2即可。

6）SPM 在起伏路面上行駛時(shí)，能使貨物下平面保持水平。

圖2 箱梁布車

SPMT配車時(shí)，軸載大小要合適，若軸載過小，當(dāng)車組使用軟連接時(shí)，有可能由于結(jié)構(gòu)物與車板之間的摩擦力不足而發(fā)生車輛不同步現(xiàn)象。若軸載過大，則有超過車輛運(yùn)輸能力的風(fēng)險(xiǎn)。可根據(jù)箱梁的重量、小車的自重以及每軸的承載能力進(jìn)行配車。圖2為箱梁布車示意，箱梁重量為G，車組自重為g，SPMT軸線數(shù)量為n，則 SPMT實(shí)際軸線載荷P=（G+g）/n，實(shí)際載荷率一般不能超過額度荷載率的90 %。

2.2 頂升

箱梁在預(yù)制時(shí)，兩端各通過兩個(gè)或者三個(gè)鋼支墩進(jìn)行支撐，下方預(yù)留進(jìn)車空間。進(jìn)車前需將車組的高度調(diào)整至統(tǒng)一高程，將支墊布置在分載梁上，如圖3所示。分別操控2組車沿著預(yù)先繪制在地面的定位線，進(jìn)入箱梁下方預(yù)先設(shè)定的區(qū)域。車組就位后，操作SPMT整體頂升至最高點(diǎn)，支墊物剛好和箱梁底部接觸,然后以車板最高點(diǎn)為準(zhǔn)將車板調(diào)至相同高度，此過程需檢查保持所有支撐點(diǎn)均不受力。最后敲打楔形枕木塞緊箱梁底部，保證支承梁上各受力點(diǎn)受載的均勻。

圖3 箱梁轉(zhuǎn)運(yùn)支墊示意

完成SPMT車軟并車的相關(guān)電氣系統(tǒng)標(biāo)定后，操作車組對箱梁進(jìn)行整體頂升，頂升流程按如下進(jìn)行：

1）根據(jù)箱梁的重量和2組車中每臺(tái)SPMT軸線數(shù)，計(jì)算每臺(tái)SPMT所承受箱梁的載荷，將其平均劃分為4個(gè)遞增的頂升階段。

2）把4個(gè)階段的載荷換算為SPMT對應(yīng)的壓力值。

3）利用不同的油管連接方式和閥門切換，把2組SPMT分成8個(gè)支撐區(qū)，如圖4所示。

圖4 頂升支撐區(qū)域劃分示意

第一階段：為確保每個(gè)階段都是靠近箱梁端部的支承梁先受力，減小拉應(yīng)力的產(chǎn)生，先同步頂升車組的B1、D1與B2、D2支撐區(qū)，使4個(gè)支撐區(qū)增加的壓力達(dá)到第一階段壓力值，再同步頂升A1、C1、A2、C2四個(gè)支撐區(qū)，使4個(gè)支撐區(qū)的壓力達(dá)到第一階段對應(yīng)壓力值。

重復(fù)上述第一階段的頂升操作，每個(gè)頂升階段同樣按照先B、D區(qū)，后A、C區(qū)的頂升順序。

總共頂升4個(gè)階段，各個(gè)支撐區(qū)壓力逐段增加，每一階段增加總壓力值的25 %。每完成一個(gè)頂升階段需監(jiān)測記錄箱梁的應(yīng)變狀態(tài)，與理論計(jì)算進(jìn)行對照，確認(rèn)未超過警示值，并且箱梁外觀保持完好方能繼續(xù)進(jìn)行頂升。

按照上述步驟操作，直至箱梁底面離開鋼支墩頂面100～150 mm，停止頂升。

4）為最大限度的自適應(yīng)道路不平的影響，并使車體框架與箱梁不承受由于地面不平所帶來的額外的扭曲作用力和扭曲變形，需將所有懸架液壓缸連接為三個(gè)回路，形成三點(diǎn)支撐型式[2]，如圖 5所示。當(dāng)頂升完成時(shí)，打開車板的相關(guān)懸掛截止閥，將車組劃分為3個(gè)支撐區(qū)。

圖5 箱梁三點(diǎn)支撐形式示意

2.3 運(yùn)輸

箱梁運(yùn)輸過程中，SPMT 車組的速度需按相關(guān)規(guī)定進(jìn)行控制，如表1所示。

表1 行駛速度控制

操作SPMT按照規(guī)定的速度沿著預(yù)定的路線運(yùn)輸至存梁區(qū)域，駛?cè)腩A(yù)先布置好的箱梁兩端的存梁鋼支墩之間，調(diào)整SPMT位置完成箱梁與臺(tái)座的對位。運(yùn)輸過程中需要進(jìn)行箱梁的應(yīng)力、變形監(jiān)控，與初始狀態(tài)相比較，計(jì)算出各變化量并與設(shè)定的預(yù)警值比較，超限時(shí)發(fā)出警報(bào)，以及時(shí)通過車組調(diào)節(jié)，將箱梁的變形調(diào)整至限定范圍內(nèi)。

2.4 落墩

檢查并確認(rèn)箱梁兩端底部預(yù)定區(qū)域?qū)?zhǔn)相應(yīng)的支墩后，操控SPMT進(jìn)行車組板面下降，箱梁底面下降至存梁支墩頂面，通過閥門切換將車組分為8個(gè)支撐區(qū)域，如圖4所示。操控SPMT首先同步下降A(chǔ)1、C1、A2、C2四個(gè)區(qū)域，當(dāng)壓力下降25 %后，再同步下降B1、D1、B2、D2四個(gè)區(qū)域，當(dāng)壓力再下降 25 %后，再繼續(xù)下降 A1、C1、A2、C2四個(gè)區(qū)域，如此重復(fù)上述操作，直至存梁支墩承受箱梁80 %的重量時(shí)，靜置20分鐘，檢查并確認(rèn)存梁臺(tái)座等無異常后，繼續(xù)下降至箱梁的全部重量由鋼支墩承受為止。整個(gè)下降卸車過程中進(jìn)行箱梁的變形監(jiān)控。

3 箱梁監(jiān)測

箱梁在頂升、運(yùn)輸過程中，由于梁體在頂升作用下，受力體系由原來的兩點(diǎn)簡支支撐轉(zhuǎn)化成多點(diǎn)支撐，箱梁內(nèi)部因頂升、預(yù)應(yīng)力和自重作用下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)受力變化，在整個(gè)受力轉(zhuǎn)換后，梁底混凝土容易出現(xiàn)受壓破壞，梁頂混凝土容易出現(xiàn)受拉開裂，梁體容易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)拉裂。因此需對梁體的應(yīng)力、變形進(jìn)行監(jiān)測，確保箱梁在運(yùn)輸過程中的結(jié)構(gòu)受力安全[3]。

3.1 應(yīng)力監(jiān)測

1）應(yīng)力測點(diǎn)布置

通過結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算分析出拉應(yīng)力和壓應(yīng)力最大的斷面，在斷面處安裝應(yīng)變感應(yīng)器進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)受力計(jì)算分析，最大正彎矩出現(xiàn)在跨中，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在支撐梁處，斷面選取位置及跨中、支撐處監(jiān)測斷面應(yīng)變傳感器布置方式如圖6所示。

圖6 應(yīng)變傳感器布置

2）應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)由感知層、傳輸層和運(yùn)用層組成，具體為傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)、安全評價(jià)和預(yù)警子系統(tǒng)，通過各個(gè)層相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。

3）應(yīng)力控制值設(shè)置

箱梁受壓應(yīng)力限值判斷主要參照規(guī)范[4]，處于使用階段時(shí)，預(yù)應(yīng)力混凝土抗彎構(gòu)件的正截面受壓區(qū)混凝土的壓應(yīng)力最大值≤0.5fck=19.3 MPa（C60混凝土）；考慮到箱梁在運(yùn)輸過程中為施工運(yùn)輸階段，其轉(zhuǎn)運(yùn)完成后又回到原設(shè)計(jì)狀態(tài)，在進(jìn)行正截面抗裂驗(yàn)算時(shí)按預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件考慮，A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件在短期組合作用下，其受拉區(qū)的混凝土的拉應(yīng)力最大值≤0.7ftk=2.0 MPa（C60混凝土）。故取2.0～-19.3 MPa作為箱梁轉(zhuǎn)運(yùn)安全應(yīng)力控制限值。

4）預(yù)警值設(shè)置

預(yù)警值是由理論得到的應(yīng)力值以一定系數(shù)進(jìn)行折減所得。預(yù)警值確定合理，報(bào)警就比較切合實(shí)際，應(yīng)急響應(yīng)才能恰當(dāng)有效，高預(yù)警值可能導(dǎo)致漏報(bào)，失去監(jiān)測作用；低預(yù)警值可能造成謊報(bào)，造成不必要的應(yīng)急響應(yīng)。目前針對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測，尚未有相關(guān)文獻(xiàn)提出明確的預(yù)警值。設(shè)置時(shí)需考慮梁體結(jié)構(gòu)的一定安全儲(chǔ)備及預(yù)應(yīng)力混凝土梁自身的特點(diǎn)，取理論計(jì)算值的 70 %作為預(yù)警值。

3.2 變形監(jiān)測

在梁體4個(gè)角點(diǎn)布置靜力水準(zhǔn)儀，將其中1個(gè)測點(diǎn)作為基點(diǎn)，測試其余3個(gè)測點(diǎn)相對基點(diǎn)的高差，采用自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對箱梁轉(zhuǎn)存過程中梁體姿態(tài)變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

靜力水準(zhǔn)儀利用連通液的原理，多支通過連通管連接在一起的儲(chǔ)液罐的液面總是在同一水平面，通過測量不同儲(chǔ)液罐的液面高度，經(jīng)過計(jì)算可以得出各個(gè)靜力水準(zhǔn)儀的相對高差。

根據(jù)有限元計(jì)算得出梁體橫向、縱向變形控制值，取控制值的70 %作為預(yù)警值。

箱梁監(jiān)控采用監(jiān)測應(yīng)力及姿態(tài)變形雙控，以應(yīng)力控制為準(zhǔn)，在應(yīng)力允許范圍內(nèi)，高差控制存在困難時(shí)可適當(dāng)調(diào)整。

圖7 靜力水準(zhǔn)儀布置

圖8 靜力水準(zhǔn)儀測試原理

4 相關(guān)計(jì)算

4.1 箱梁轉(zhuǎn)運(yùn)地壓計(jì)算

進(jìn)行箱梁轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，需要計(jì)算SPMT車組對地面的壓力是否小于場地的承載能力。目前國內(nèi)外大件運(yùn)輸行業(yè)確定有效壓載面積S的主要經(jīng)驗(yàn)方法是45°擴(kuò)散法。SPMT車組對地面的壓力為：

式中：

P為SPMT車組對地面的壓力（kg/m2）；

F為箱梁及SPMT車組的重量（kg）；

S為壓載面積（m2）。

4.2 SPMT裝載穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)三點(diǎn)支撐模式，連接每個(gè)支撐區(qū)域的中心，得到一個(gè)三角形。如圖9所示，三角形的每條邊為傾翻線，三條傾翻線所圍成的三角形區(qū)域?yàn)榉€(wěn)定支撐區(qū)域。一旦結(jié)構(gòu)物重心在平面內(nèi)的投影落于穩(wěn)定支撐區(qū)域外，結(jié)構(gòu)物便有傾翻的危險(xiǎn)。同時(shí)，箱梁的傾覆角也不得大于SPMT設(shè)計(jì)的傾覆角。

圖9 箱梁重心與SPMT之間的平面關(guān)系示意

在豎直方向上，箱梁重心與SPMT的關(guān)系如圖10所示。

圖10 箱梁重心與SPMT之間的立面關(guān)系示意

圖11 穩(wěn)性三角形

箱梁的傾覆角計(jì)算公式為：

式中：

θ為箱梁傾覆角（°）；

S為梁重心在豎直方向上的投影距支承區(qū)邊緣的距離（m）；

h為箱梁重心至車輪滾動(dòng)中心的距離（m）；

7°為SPMT設(shè)計(jì)的傾覆角。若θ＞7°穩(wěn)定性滿足，反之不滿足。

4.3 SPMT裝載運(yùn)輸動(dòng)力性計(jì)算

根據(jù)SPMT使用要求，運(yùn)輸通道的路面經(jīng)過平整等處理后，縱橫向坡度不大于 2 %，即坡角α≤1.15°。SPMT爬坡示意如圖12所示。

圖12 箱梁裝運(yùn)爬坡示意

為使SPMT正常爬坡，車輪在路面不打滑，則必須保證附著力大于或等于牽引力，而牽引力必須大于或等于爬坡阻力，則有：

式中：

F附為附著力（N）；

F牽為牽引力（N）；

f為爬坡阻力（N）；

φ為附著系數(shù)，取0.8；

μ為滾動(dòng)摩擦系數(shù)，取0.025；α為坡角（°）；

n為SPMT驅(qū)動(dòng)軸數(shù)量；

P為每個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)力。

5 結(jié) 語

1）在箱梁轉(zhuǎn)運(yùn)施工過程中，通過監(jiān)測，梁體應(yīng)力、變形在可控范圍之內(nèi)，未出現(xiàn)混凝土拉裂、扭裂等破壞，采用SPMT轉(zhuǎn)運(yùn)大型預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁技術(shù)在本項(xiàng)目取得了成功應(yīng)用。

2）當(dāng)實(shí)際重心與理論重心存在較大偏差，或者由于箱梁結(jié)構(gòu)原因無法將車組的承載中心對準(zhǔn)箱梁重心的，裝載時(shí)車組各支撐壓力均不得超過限定值，否則需根據(jù)實(shí)際重心重新調(diào)整車組布置或增加車板。

3）SPMT輪胎在箱梁運(yùn)輸過程出現(xiàn)爆胎情況時(shí)，可將爆胎的車軸暫時(shí)懸吊起來，若SPMT負(fù)荷率超過90 %，則必須進(jìn)行輪胎更換。

4）SPMT分為4個(gè)階段頂升或下降卸載，每個(gè)階段靜置10 min監(jiān)測地面沉降情況，頂升完成或下降卸載至鋼支墩承受箱梁80 %重量后，靜置20分鐘，全面檢查SPMT、箱梁梁體、地面的狀況，無異常后才能采取下一步動(dòng)作。