預制箱梁段裝載運輸受力驗算及實時監測分析

文/賀明強

1 工程概況

某跨海大橋引橋部分上部結構采用預應力連續箱梁設計，考慮到現場施工難度，連續箱梁改為簡支梁段分段澆筑預制，成型后再從預制梁廠運輸至橋梁施工現場拼裝，現場張拉通長預應力束后形成連續結構。本項目預制箱梁段共計18 片，重量在1763.3～3117.4t之間不等，梁段長度在46.362～75m 之間不等。箱梁段在裝載運輸前均需通過受力驗算來調整、優化裝載運輸方案，同時在裝載運輸時進行實時監測，為運輸公司提供技術支持，避免預制梁段出現破壞。本文選取典型的NW5-4#梁段進行受力驗算和實時監測分析。

2 箱梁段裝載運輸方式

選取的NW5-4#箱梁段梁長46.362m，梁底寬11.725～15.493m，梁體重量達2462.4t。箱梁段裝載運輸時將6 臺SPMT 液壓平板車車組布置于箱梁段底面，平板車上擱支承梁，就位后通過抬高平板車高度頂升箱梁底面的方式完成裝載，裝載完成后拆除原有支撐墩即可實施運輸。圖1 為箱梁段裝載運輸設計圖，表1 為平板車抬高頂升分階段增加荷載控制表[1]。

圖1 箱梁段裝載運輸設計圖

表1 箱梁段裝載頂升各階段增加荷載控制表

3 箱梁段受力驗算

3.1 受力驗算建模

根據設計文件擬定的結構尺寸、配筋情況及施工工序，并結合箱梁裝載受力階段的不同，梁體分別受到自重、預應力鋼束及支承梁各級頂升荷載的作用，分階段建立不同的受力模型進行具體分析。驗算時采用Midas/civil 有限元分析軟件建立桿系模型，采用Midas FEA 軟件建立實體模型，對箱梁段進行仿真分析驗算。

圖2 計算模型示意圖（桿系模型）

圖3 計算模型示意圖（實體模型）

3.2 受力驗算判斷方法

裝載運輸時，箱梁段由原設計的兩點支撐轉化成裝載后的多點支撐，其內部因預應力和自重作用產生結構受力變化，在整個受力轉換后，容易產生破壞形態的主要為箱梁底面混凝土受壓破壞（產生碎裂），箱梁頂面混凝土受拉開裂（產生裂縫），這與箱梁成橋后的受力狀態恰恰相反[2]。

箱梁段受壓應力限值判斷參照我國《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）中的第7.1.5 條規定：“使用階段預應力混凝土受彎構件正截面受壓區混凝土的最大壓應力應≤0.5fck=19.3MPa（C60 混凝土）”；考慮到箱梁在運輸過程中為施工運輸階段，其運輸吊裝完成后又回到原設計狀態，在進行正截面抗裂驗算時按預應力A 類構件考慮，參照我國《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）中6.3.1 條規 定：“預 應力 混 凝 土受彎構件在進行正截面抗裂驗算時，A 類預應力混凝土構件在作用短期組合下受拉區混凝土的最大拉應力應≤0.7ftk=2MPa（C60 混凝土）?！北敬悟炈愕南淞喝L范圍內的應力值應介于+2～-19.3MPa 之間，以此作為箱梁裝載運輸安全控制限值。

同時，裝載多點支撐時，箱梁截面不對稱或頂升力不一致均會導致箱梁在裝載過程中產生扭轉效應，實體建模時將同一橫向斷面的三個頂升力平均分配，該狀態為裝載頂升時最不利狀態，根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004），其最大主拉應力控制值仍應≤0.7ftk=2MPa（C60 混凝土）。

3.3 受力驗算結果

通過仿真建模分析，梁段在裝載運輸過程中受力狀況如下：

圖4 裝載后梁體上、下緣正應力計算圖

圖5 裝載后梁體變形及主拉應力計算云圖

表2 箱梁段正截面法向正應力計算結果

箱梁段在裝載運輸各受力階段，箱梁段梁長范圍內各截面上、下緣理論上均未出現超限應力，裝載運輸方案滿足箱梁段安全受力要求，箱梁段在裝載運輸過程中不會出現頂、底板橫向開裂或受壓破壞。

表3 箱梁段斜截面主拉應力計算結果

箱梁段在裝載運輸完成后，其腹板斜截面主拉應力最大值為1.77MPa，內、外側腹板的主拉應力差值在0.14～0.4MPa 之間，小于規范限值，表明箱梁在裝載過程中，梁體腹板斜截面理論上不會出現斜向開裂[3]。

4 裝載運輸實時監測及分析

4.1 監測點布置

在裝載至運輸過程中，梁體自身從兩點簡支體系轉化為多點支承體系。根據梁體頂升運輸情況，監控主要對梁體的應力、位移及相對變形較大的斷面進行監測。

圖6 應變測試斷面及測點布置

圖7 相對位移測試斷面及測點布置

圖8 現場監測工作照

4.2 監測報警條件預警閾值的確定

預警閾值是由理論得到的應變（位移）值等指標以一定系數進行折減所得。預警閾值的確定既與報警質量密切相關，又制約著應急響應的正確實施。預警值確定合理，報警就比較切合實際，應急響應才能恰當有效，以避免事故發生或將事故的影響降到最小。

本次監控以混凝土結構材料極限拉應力為基本值建立應力預警值。目前，針對預應力混凝土結構應力監測尚未有相關文獻提出明確的預警閾值。本次監測認為，需考慮梁段結構的一定安全儲備及預應力混凝土梁自身的特殊性，確保實測應變值小于理論應變增量，即為確保我國規范《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）中的校驗系數小于1，若以梁段現澆完成預應力鋼束張拉后兩端通過支墩支墊作為初始狀態，后續裝載頂升階段分別進行應變系統和變形系統測試監控，根據有限元計算提出箱梁段在各頂升階段的應變、位移及相對位移預警值。

根據實體模型位移計算結果可知，箱梁裝載運輸時最終頂升階段梁段橫向最大相對變形為8mm，且未出現超限應力。由于實體模型是根據箱梁受力的最不利狀況進行驗算，因此在實際箱梁的位移監控時，梁段同一截面的相對位移偏差預警值裝載運輸時取8mm[4]。

4.3 監測數據分析

4.3.1 箱梁段在裝載過程中各個斷面的相對位移監測結果如下表：

表4 裝載階段梁段相對位移監測表（mm）

根據上表可知：在頂升過程中各測試斷面箱梁兩側最大相對高差均未超過理論計算確定的預警值8mm，表明箱梁在整個裝載頂升過程中基本處于同步上升狀態。

4.3.2 箱梁段在裝載運輸過程中各個斷面的應變監測結果如下圖：

圖9 裝載運輸全過程測試斷面應變變化圖

應變監測數據分析可知：箱梁段在裝載階段各監測斷面的應變值逐步增大，均未超過理論計算所得預警值，且有一定的富余度。箱梁段在運輸階段位于箱梁頂板的1-1 斷面、2-2 斷面應變略有上升趨勢（總體仍趨于平穩），分析頂板監測應變上升主要是由于箱梁在頂升開始階段頂緣直接受太陽暴曬，而梁段運輸過程持續時間長，運輸就位之后頂緣溫度與頂升開始階段相比變化較大所致。位于箱梁底板的3-3 斷面、4-4 斷面在整個運輸階段應力測試值基本無明顯變化，無異常突變點，表明箱梁在運輸過程中受力基本保持穩定。在箱梁落梁階段，各測試斷面各測點的應變變化與卸載過程一一對應，且應變無明顯突變，各測點的應變基本能夠回復至頂升開始時的應變值。

5 結語

大箱梁預制拼裝的施工項目越來越多，預制箱梁段噸位亦越來越重，設計院在箱梁段設計時應充分考慮制梁廠布局、運輸能力等多方面因數，嚴格控制好梁段重量及預應力束布置，運輸公司應結合梁段自身結構優化運輸方案，同時做好相關應急預案，以確保箱梁段在裝載運輸過程中的結構安全。希望本文相關受力驗算及監測數據分析能夠為同類型項目提供幫助。