大跨度薄壁U型梁梁上運梁安全性分析

王福興 王 飛

（1.中鐵十九局集團有限公司 河南鄭州 450001；2.寧波工程學院浙江省土木工程工業化建造工程技術研究中心 浙江寧波 315000）

1 引言

隨著城市軌道交通的發展，U型梁在高架線路中的應用越來越廣泛［1］。U型梁具有建筑高度低、降噪效果好、外形優美等特點［2］。伴隨著橋梁工業化的快速推廣，U型梁也逐漸向大跨徑發展，越來越多的U型梁通過工廠化集中預制，采用梁上運梁的施工方案進行架設［3］。該方案能大大縮短工期，提高施工效率，尤其在既有道路旁修建高架具有特殊優勢，能夠最大程度地減小對既有交通的影響。

由于U型梁屬于開口薄壁構件，標準跨徑的加大，更對其抗彎、抗裂性能提出了更高的要求［4－5］。目前，相關學者主要通過理論及試驗分析U型梁在運營荷載下的受力性能，但對大跨徑U型梁在運架施工過程中的安全性研究較少［6－8］。

本文結合寧波機場快速路南延工程，通過理論計算及現場試驗，對該工程項目梁上運梁過程中底部承壓U型梁的安全性進行分析，確保運架施工安全。

2 工程概況

寧波機場快速路南延（鄞州大道－岳林東路）工程位于海曙區、鄞州區和奉化區，北起海曙區鄞州大道，南至奉化區岳林東路，全長約18.8 km。主線采用雙層高架結構，為了降低雙層高架的建設高度，上部城市快速路采用小箱梁，下部軌道交通采用U型梁，工程建設效果如圖1所示。為了提高橋梁建設速度，保證施工質量，同時減小對既有交通的影響，U型梁采用集中預制方案，共計538片，其中最大標準跨徑為35 m，屬于目前國內工程應用中的最大跨徑，所有預制U型梁均采用陸地運輸到指定標段進行架設。

U型梁端部橫斷面如圖2所示，橫向最大寬度為5.1 m，跨中梁高1.875 m，跨中梁底板厚度僅為27 cm。為了提高開口薄壁U型梁的承載能力，35 m U型梁采用C60纖維混凝土，底板設有64根縱向先張預應力鋼絞線S，腹板設有2束后張預應力彎起束N1，以及在底板設有4束后張直線束N2。鋼絞線均選用標準強度為1 860 MPa、直徑為15.2 mm的高強度低松弛鋼絞線，其彈性模量為1.95×105MPa。

為了提高施工效率，U型梁先張預應力采用“長線法”，即在一個臺座上同時對兩片梁進行“串聯式”施工，待混凝土齡期達到7 d后，進行先張預應力放張，張拉控制應力為1 339 MPa，隨后將梁體移至存梁區。

U型梁后張預應力采用預應力智能同步張拉系統，將梁體預應力束兩端同時張拉，并通過無線信號傳輸，控制兩端的張拉力及位移值，以實現“應力應變雙控”目標。后張預應力張拉時，首先張拉腹板彎起束N1，張拉控制應力為1 395 MPa，再張拉后張底板直線束N2，張拉控制應力為1 339 MPa。

U型梁預制完成后通過陸地運輸到指定標段進行架設。架設過程采用梁上運梁施工方案，如圖3所示。即通過一臺運梁平車沿兩片承壓梁縱向中心線上鋪設的軌道，將U型梁運送到架設位置。運梁車總長為35.318 m，總重量約58 t，單側前后共兩個輪組，每個輪組共有8個車輪。被馱運35 m U型梁重量約為220 t。由于35 m U型梁跨徑長、自重大、底板薄，梁上運梁過程中，底部承壓梁承載能力是否滿足要求，需要進一步研究。

3 數值模擬分析

采用Midas／civil建立35 m U型梁梁單元模型，如圖4所示。全梁共53個節點，52個單元。材料選取C60混凝土、1860鋼絞線。預應力束通過軟件內置的鋼束形狀生成器生成，并輸入相關參數自動計算各項預應力損失值。U型梁支座位置一端約束X、Y、Z三個方向的位移及X、Z方向的轉角，另一端約束Y、Z兩個方向的位移及X、Z方向的轉角。

根據計算結果，在自重和預應力作用下，U型梁整體處于受壓狀態，其中跨中截面梁頂壓應力為7.5 MPa，梁底壓應力約為9 MPa。

為了計算U型梁在運輸過程中底部35 m承壓U型梁的受力情況，通過移動荷載，將運輸的U型梁和運梁車的重量等效為運梁車軸載施加至理論模型。

4 梁上運梁試驗測試

4.1 測點布設

在U型梁混凝土澆筑前，分別在各控制截面埋設振弦式混凝土應變計。U型梁控制截面及測點布設如圖5所示，其中1-1、5-5為U型梁端部截面漸變處，2-2、4-4為U型梁1／4斷面處，3-3為 U型梁跨中截面。

4.2 試驗方案

根據梁上運梁施工方案，將運梁平車在行進過程中對底部承壓梁可能造成的不利荷載位置作為待測試工況。在各不利工況下，通過在35 m U型梁內部埋設的混凝土應變傳感器，并通過計算公式（1）將測得的混凝土應變數據換算為混凝土應力變化值。從而得到底部35 m承壓U型梁的應力變化情況，并判斷各工況下梁體的應力反應。

式中：σ為換算出的應力值；Ec為混凝土彈性模量；ε0為初始狀態的應變測量值；εi為 i狀態時的應變測量值；T0為初始狀態溫度測量值；Ti為i狀態時的溫度測量值。現場施工情況如圖6所示。

試驗測試過程共測試四個運梁工況，如圖7所示，分別為：

（1）工況一：運梁平車前輪組前半部分剛好移動到承壓梁跨中位置；

（2）工況二：運梁平車前輪組中部恰好移動到承壓梁跨中位置；

（3）工況三：運梁平車前輪組后半部分前輪移動到承壓梁跨中位置；

（4）工況四：運梁平車前輪組后半部分剛好移動到承壓梁跨中位置。

4.3 試驗結果

采集各工況下承壓U型梁的應變數據，并利用式（1）進行混凝土應力增量計算，各不利工況下試驗數據如表1所示。

表1 各不利工況下承壓U型梁應力測試結果 MPa

根據表1繪制各不利工況下U型梁頂、底板混凝土平均縱向應力變化曲線，如圖8所示。由圖8可知，最大梁底拉應力變化出現在工況二跨中截面，為3.61 MPa。前三個工況中，跨中3-3截面梁底最大拉應力基本接近。

最大梁頂壓應力變化同樣出現在工況二跨中截面，為－5.32 MPa。前三個工況，承壓U型梁呈現跨中截面應力變化較大，遠離跨中處應力變化較小的規律，并且各截面應力變化值相對跨中不完全對稱。在工況四中，4-4截面應力變化超過了跨中截面，但總體變化值比工況二要小。

5 結論

根據U型梁理論分析及試驗測試結果，可得出以下結論：

（1）承壓U型梁在梁上運梁施工荷載作用下，最不利工況為工況二，即運梁平車前輪組中部移動到承壓梁跨中位置。

（2）在自重和預應力作用下，跨中截面梁底存在9 MPa左右的預壓應力，根據實測結果，最不利運梁工況下，跨中截面梁底僅產生了3.61 MPa的拉應力，因此，梁上運梁施工方案承壓U型梁底板縱向受力滿足要求。

（3）在自重和預應力作用下，跨中截面梁頂壓應力為7.5 MPa，根據實測結果，最大梁頂壓應力變化為5.32 MPa。因此，梁上運梁施工方案承壓U型梁梁頂縱向受力滿足要求。

（4）采用單車跨雙幅U型梁梁上運梁施工方案，具有可靠性好、施工效率高等特點；同時運梁設備及軸載布置設計合理，施工荷載較小，有效降低了施工風險。