文/賀明強(qiáng)
某跨海大橋引橋部分上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁設(shè)計,考慮到現(xiàn)場施工難度,連續(xù)箱梁改為簡支梁段分段澆筑預(yù)制,成型后再從預(yù)制梁廠運輸至橋梁施工現(xiàn)場拼裝,現(xiàn)場張拉通長預(yù)應(yīng)力束后形成連續(xù)結(jié)構(gòu)。本項目預(yù)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(diào)整、優(yōu)化裝載運輸方案,同時在裝載運輸時進(jìn)行實時監(jiān)測,為運輸公司提供技術(shù)支持,避免預(yù)制梁段出現(xiàn)破壞。本文選取典型的NW5-4#梁段進(jìn)行受力驗算和實時監(jiān)測分析。
選取的NW5-4#箱梁段梁長46.362m,梁底寬11.725~15.493m,梁體重量達(dá)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(shè)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(shè)計圖
表1 箱梁段裝載頂升各階段增加荷載控制表
根據(jù)設(shè)計文件擬定的結(jié)構(gòu)尺寸、配筋情況及施工工序,并結(jié)合箱梁裝載受力階段的不同,梁體分別受到自重、預(yù)應(yīng)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(jìn)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(jìn)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)
裝載運輸時,箱梁段由原設(shè)計的兩點支撐轉(zhuǎn)化成裝載后的多點支撐,其內(nèi)部因預(yù)應(yīng)力和自重作用產(chǎn)生結(jié)構(gòu)受力變化,在整個受力轉(zhuǎn)換后,容易產(chǎn)生破壞形態(tài)的主要為箱梁底面混凝土受壓破壞(產(chǎn)生碎裂),箱梁頂面混凝土受拉開裂(產(chǎn)生裂縫),這與箱梁成橋后的受力狀態(tài)恰恰相反[2]。
箱梁段受壓應(yīng)力限值判斷參照我國《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62-2004)中的第7.1.5 條規(guī)定:“使用階段預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件正截面受壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)力應(yīng)≤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?shù)跹b完成后又回到原設(shè)計狀態(tài),在進(jìn)行正截面抗裂驗算時按預(yù)應(yīng)力A 類構(gòu)件考慮,參照我國《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62-2004)中6.3.1 條規(guī) 定:“預(yù) 應(yīng)力 混 凝 土受彎構(gòu)件在進(jìn)行正截面抗裂驗算時,A 類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件在作用短期組合下受拉區(qū)混凝土的最大拉應(yīng)力應(yīng)≤0.7ftk=2MPa(C60 混凝土)?!北敬悟炈愕南淞喝L范圍內(nèi)的應(yīng)力值應(yīng)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(dǎo)致箱梁在裝載過程中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng),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(tài)為裝載頂升時最不利狀態(tài),根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62-2004),其最大主拉應(yīng)力控制值仍應(yīng)≤0.7ftk=2MPa(C60 混凝土)。
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(yīng)力計算圖
圖5 裝載后梁體變形及主拉應(yīng)力計算云圖
表2 箱梁段正截面法向正應(yīng)力計算結(jié)果
箱梁段在裝載運輸各受力階段,箱梁段梁長范圍內(nèi)各截面上、下緣理論上均未出現(xiàn)超限應(yīng)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(xiàn)頂、底板橫向開裂或受壓破壞。
表3 箱梁段斜截面主拉應(yīng)力計算結(jié)果
箱梁段在裝載運輸完成后,其腹板斜截面主拉應(yīng)力最大值為1.77MPa,內(nèi)、外側(cè)腹板的主拉應(yīng)力差值在0.14~0.4MPa 之間,小于規(guī)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(xiàn)斜向開裂[3]。
在裝載至運輸過程中,梁體自身從兩點簡支體系轉(zhuǎn)化為多點支承體系。根據(jù)梁體頂升運輸情況,監(jiān)控主要對梁體的應(yīng)力、位移及相對變形較大的斷面進(jìn)行監(jiān)測。
圖6 應(yīng)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(xiàn)場監(jiān)測工作照
預(yù)警閾值是由理論得到的應(yīng)變(位移)值等指標(biāo)以一定系數(shù)進(jìn)行折減所得。預(yù)警閾值的確定既與報警質(zhì)量密切相關(guān),又制約著應(yīng)急響應(yīng)的正確實施。預(yù)警值確定合理,報警就比較切合實際,應(yīng)急響應(yīng)才能恰當(dāng)有效,以避免事故發(fā)生或?qū)⑹鹿实挠绊懡档阶钚 ?/p>
本次監(jiān)控以混凝土結(jié)構(gòu)材料極限拉應(yīng)力為基本值建立應(yīng)力預(yù)警值。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)警閾值。本次監(jiān)測認(rèn)為,需考慮梁段結(jié)構(gòu)的一定安全儲備及預(yù)應(yīng)力混凝土梁自身的特殊性,確保實測應(yīng)變值小于理論應(yīng)變增量,即為確保我國規(guī)范《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》(JTG/T J21-2011)中的校驗系數(shù)小于1,若以梁段現(xiàn)澆完成預(yù)應(yīng)力鋼束張拉后兩端通過支墩支墊作為初始狀態(tài),后續(xù)裝載頂升階段分別進(jìn)行應(yīng)變系統(tǒng)和變形系統(tǒng)測試監(jiān)控,根據(jù)有限元計算提出箱梁段在各頂升階段的應(yīng)變、位移及相對位移預(yù)警值。
根據(jù)實體模型位移計算結(jié)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(xiàn)超限應(yīng)力。由于實體模型是根據(jù)箱梁受力的最不利狀況進(jìn)行驗算,因此在實際箱梁的位移監(jiān)控時,梁段同一截面的相對位移偏差預(yù)警值裝載運輸時取8mm[4]。
4.3.1 箱梁段在裝載過程中各個斷面的相對位移監(jiān)測結(jié)果如下表:
表4 裝載階段梁段相對位移監(jiān)測表(mm)
根據(jù)上表可知:在頂升過程中各測試斷面箱梁兩側(cè)最大相對高差均未超過理論計算確定的預(yù)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(tài)。
4.3.2 箱梁段在裝載運輸過程中各個斷面的應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果如下圖:
圖9 裝載運輸全過程測試斷面應(yīng)變變化圖
應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知:箱梁段在裝載階段各監(jiān)測斷面的應(yīng)變值逐步增大,均未超過理論計算所得預(yù)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(yīng)變略有上升趨勢(總體仍趨于平穩(wěn)),分析頂板監(jiān)測應(yīng)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(xù)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(yīng)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(wěn)定。在箱梁落梁階段,各測試斷面各測點的應(yīng)變變化與卸載過程一一對應(yīng),且應(yīng)變無明顯突變,各測點的應(yīng)變基本能夠回復(fù)至頂升開始時的應(yīng)變值。
大箱梁預(yù)制拼裝的施工項目越來越多,預(yù)制箱梁段噸位亦越來越重,設(shè)計院在箱梁段設(shè)計時應(yīng)充分考慮制梁廠布局、運輸能力等多方面因數(shù),嚴(yán)格控制好梁段重量及預(yù)應(yīng)力束布置,運輸公司應(yīng)結(jié)合梁段自身結(jié)構(gòu)優(yōu)化運輸方案,同時做好相關(guān)應(yīng)急預(yù)案,以確保箱梁段在裝載運輸過程中的結(jié)構(gòu)安全。希望本文相關(guān)受力驗算及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析能夠為同類型項目提供幫助。