大跨径肋板体系桥梁50mT梁的吊装稳定性研究

　　摘要：50mT梁在吊装时很容易出现梁体开裂以及断梁事故，本文将吊装时的T梁简化成简支梁计算，得出在一个合理的加速度下梁体不至于出现裂缝。分析表明，吊装过程中的二期恒载占用比例大是T梁断裂的关键原因之一。
　　关键词：肋板式结构；T梁；吊装
　　前言
　　肋板体系结构按主梁间距和肋宽又分为大跨稀排肋板式结构和大跨密排肋板式结构，这两种结构都有其自身的特点。大跨密排肋板式结构其主梁间距小，主梁片数多，主梁的肋板比较薄，预制工作量大，但是吊装重量轻，对于大跨结构，其长细比比较大，吊装时的稳定性比较难以保证；另外，根据对我国干线公路桥梁进行调查，调查中反映了干线公路桥梁主要类型以及产生的缺陷、病害的部位、损坏程度及对承载能力和使用功能的影响，从中可以看出，桥梁局部损坏较严重，主要原因就是主梁截面尺寸过小，肋板过于薄弱，保护层厚度不够导致钢筋外露引起锈蚀，降低了桥梁的耐久性。大跨稀排肋板式结构，其主梁肋板厚（可达300—500mm）、间距大（可达到3—6m），这就决定了它的主梁片数少，预制工作量也少，但是单根主梁的自重大，吊装是其主要需解决的问题。
　　随着我国公路建设的快速发展、预应力技术的不断提高以及吊装施工技术的逐步成熟，预应力混凝土T梁凭借其施工简单、工期较短等优点得到了广泛的应用，标准跨径亦随之增大，50米跨的T型梁(以下简称T梁)已不鲜见。尽管预应力混凝土T梁的施上技术较为成熟.然而在T梁吊装过程中时有断梁事故发生，分析断梁事故原因并提出预防措施成为工程界所关注的问题之一。
　　1计算模型建立
　　1.1T梁的施工工艺流程
　　由于现场支架浇注混凝土施工有一定的局限性，通常受到桥下净空的限制、施工进度的限制等，因此，目前采用现场支架浇注混凝土的施工方法很少采用；而预制安装施工法可以加快施工速度，保证混凝土的浇注质量，实现机械化施工，加快进度等优点，因而被经常采用。采用预制安装法施工时T梁的施工流程主要包括T梁的预制和T梁的安装两部分。
　　（1）T梁的预制
　　T梁的预制包括模板的制作安装、普通钢筋的帮扎、混凝土的浇注、预应力筋的张拉和孔道灌浆；T梁在预制过程中应注意以下问题：
　　由于梁预应力筋张拉后，梁体向上反拱，梁体的重量全部由底模承担，因此两端的基础应加大加宽，并在底模上预留出吊梁槽；此外，底模顶面要求水平且压光，并在底模上铺设5mm厚钢板作为隔离层，以利于T梁吊装脱模及梁体温度和干缩变形；钢筋制作安装前应先放样，然后正式加工生产；钢筋的焊接接头在同一断面不得大于50％，并距钢筋弯折处不得小于10d；波纹管的位置必须准确，曲线波纹管在混凝土浇注前把钢绞线穿好，避免混凝土浇注后，波纹管变形，穿钢绞线困难；混凝土浇注采用斜面分层,从一端向另一端顺序浇注；由于底部及腹板插入式振动器振捣困难,采用附着式振动器，上部腹板用插入式振动器振捣,顶板用平板振动器振动；振动棒振捣应避免碰撞波纹管及预埋件；混凝土浇注完毕初凝后,应开始养护,养护时间不得少于7d，如果气温在5°c以下时，须按照冬季砼施工规范进行养护。
　　梁的混凝土强度达到100%时张拉全部钢绞线,钢绞线为低松驰钢绞线，强度1860Mpa，张拉应按设计顺序进行；梁的张拉程序：0→初应力10%σk→σk→(持荷5min)σk(锚固),采用两端张拉；,张拉过程中应对张拉力及伸长值双控；钢铰线断丝滑丝每束不得大于1根,每个断面断丝之和不应超过钢丝总和的1%。
　　（2）T梁的安装
　　T梁的安装包括运梁和吊装；T梁在安装过程中应注意以下问题：
　　当采用龙门吊时，龙门吊起梁、落梁要慢速、平稳，尤其是边梁，起梁时要找准重心位置，保证梁肋中心垂直地面，防止梁体倾斜导致侧向受力，倾覆失稳。落梁时要保证落梁位置的梁底支撑物水平、牢固，同时也要准备好支撑两侧翼缘板或横隔板的支撑物，才能开始落梁。落梁要慢速下落，待梁底落稳，完全承受梁的重力时，打好两侧支撑，才能彻底松绳。平车运梁时应保证横向加固牢靠；由于架桥机机身短，架桥机过孔主要考虑的是抗倾覆稳定问题。T梁在起吊、横移、落梁的过程中容易出现开裂和断梁事故，因此应进行T梁的静力和动力分析，制定合理的施工方案和保护措施，完成T梁的吊装施工。
　　墩上T梁安装后进行临时加固，待全部T梁都吊装完毕后做湿接头的施工和处理以及横向连接，最后形成连续梁体系。
　　1.2T梁受力模型的建立
　　本文着重研究T梁在吊装过程中的静力分析。现在以一跨40+50+40m的连续梁建立模型，如图1所示。
　　       
　　
　　桥面宽为15m，采用5片主梁，主梁翼缘宽3m，梁高2.5m，腹板宽0.5m；预制T梁翼缘宽1.8m，1.2m为现浇混凝土部分，将梁横向连成整体，图2所示。
　　           
　　边跨设置6道横隔梁，中跨设置7道横隔梁，横隔梁间距为8.1m，如图3所示。采用现简支后连续的施工工艺。
　　                  
　　　　若采用现场预制安装法施工，则在现场预制预应力混凝土梁，梁高为2.5米；宽为1.8米；翼缘高为0.2米；T梁的腋部坡度为1：3，腋高0.1米，宽0.3米；肋宽为0.5米；见图4所示：
　　                               
　　                                      图4T梁的截面尺寸
　　吊装时采用两点吊装，吊点距梁端部1m处，在T梁的底部和翼缘处垫20mm的钢板，T梁的起吊点处的构造图如图5所示。
　　                           
　　                               图5T梁吊点处的构造图
　　在垂直运动方向因有竖向约束可将T梁简化成简支梁计算，而在水平横移过程中则无横向约束，因此在横向加速度的作用下，横向惯性力只考虑静力作用而不考虑横向的振动。其简化图如下：
　　             
　　                                                                  图6T梁的受力简化模型图
　　吊车起升机构在每个工作周期内有两段工作时期和两段停歇时期。工作时期即起升梁片和下降梁片时期;停歇时期即起升机构不工作.而由操作人员在起动和制动之间变换的时期。每一工作时期又分为起动(加速)、稳定运动(等速)和制动(减速)3个阶段。在起动和制动阶段.机构作变速运动.因而有加速度与惯性力作用。为了简化计算.假定机构在起动、制动过程中作等加(减)速运动。下图所示为起升机构工作过程的速度—时间简图(速度的正值表示起升梁片;速度的负值表示下降梁片)。
　　       
　　                                       图7T梁在吊装过程中的时间—速度简图
　　根据图示，可确定其强迫函数（即激励函数）应是非对称阶跃型函数F(t)（自变量时间t由起升机构的电机特性以及实际操作情况确定），如图8所示（图8中，F为不同阶段钢丝绳上所受的拉力值；t为各个阶段所经历的时间）。
　　           
　                                     　图8作用在T梁上的激振力函数图
　　
　　2静力分析
　　经过计算由于该50m跨的T梁吊装重量达185.4t，梁高2.5m,且重心高，因此吊装过程中极易发生安全事故，尤其是边梁，左右两侧重量不相等，重心与梁肋中心线不重合，更为边梁的安装增大了难度。
　　2.1T梁的应力计算
　　在自重的作用下，每个横隔梁自重为13.65kN；主梁自重为34.97kN/m。结合吊装时的工况并设定起吊用的钢绳支撑在距梁端lm处的梁底，则起吊时T梁在自重作用看成为简支梁受线性荷载和5个集中荷载的作用，如图所示。另外，T梁在吊装时将会有一定的横向加速度，同竖向荷载一样横向瞬时加速度引起的惯性力也看成线性荷载和5个集中荷载作用于横向简支梁上。
　　                                
　                                                                　图9T梁的受力图（图中q=34.97kN/m；P=13.65kN；长度单位：cm）
　　根据前苏联符拉索夫理论和一般T梁截面特征，T梁通常为薄壁杆件。在吊装过程中由起吊，横移和落梁三部分组成，在起吊和落梁过程中由于起动和制动而产生加速度，在加速度的作用，梁受到竖向惯性力作用，并产生竖向振动。
　　                
　　                                                        图10T梁的钢束布置图及形心位置图
　　在起吊、横移和落梁的过程中经常会出现T梁开裂甚至断梁的事故，其断裂原因分析如下：
　　根据前苏联符拉索夫理论和一般T梁截面特征，T梁通常为薄壁杆件。现取T梁的一般构造实例进行计算分析。
　　薄壁杆件理论计算分析：
　　根据薄壁杆件理论，图10中的x、y轴为形心主轴，则弯曲正应力按下式计算
　　                               
　　式中N为预应力筋在计算截面的预压力；Mx为自重和竖向加速度引起的惯性力在计算截面产生的弯矩；My为横向加速度引起的惯性力在计算截面的弯矩，其余符号同前。
　　在吊装过程中，由起吊横移和落梁三部分组成，在起吊和落梁过程中由于起动和制动而产生加速度，在加速度的作用，梁受到竖向惯性力作用；同样，在横移过程中，梁在水平加速度的作用下受到水平惯性力的作用。惯性力都作为均布荷载和五个集中荷载垂直或水平的加在梁上，作用形式同自重的荷载作用形式。
　　2.2T梁开裂的原因分析
　　通过以上的计算分析和仿真模拟综合T梁吊装时断裂的两个主要原因如下:
　　(1)T型梁虽然很好地满足了在使用荷载作用下结构的受力要求，但整个腹板的面积都集中在Y轴附近，而又采用短且薄的翼板，这就使得T型梁的横向抗弯能力非常弱。其竖向抗弯惯性矩Ix与横向抗弯惯性矩Iy之比Ix/Iy接近于10。所以在张拉预应力筋施工时，梁体突然横向失稳而脆断的事故都有发生过。
　　(2)使用这种短而薄翼板的T型梁时，二期的现浇连结段和桥面等恒载要占有很大的比例，而一期吊装时的恒载就相对较小。所以吊装施工时，在预应力筋的作用下翼板的压应力较小。
　　由于上面两个主要原因，在吊装T梁时，较小的加速度产生的惯性力就能使T型梁翼板边缘中的拉应力达到混凝土抗拉强度标准值，使翼板开裂，此时梁的横向刚度进一步降低，若横向运动的加速度仍未减少，便会发生断梁事故。
　　此外根据规范第7.2.8条对边缘混凝土拉应力的规定，也应严格控制吊装时的横向加速度。
　　结束语
　　综合以上对一般构造T梁的计算和分析表明T梁的横向刚度很小，吊装过程中的横向加速度以及二期恒载占用比例大是T梁断裂的关键原因。所以吊装施工时应高度重视，并严格控制起吊、安装以及运动过程中的加速度。为避免T梁在吊装过程中的开裂或断梁的事故，建议注意以下几点。
　　(a)对于这类T梁在吊装过程中的瞬时最大横向加速度应控制在0.5m/s2以下;
　　(b)在有横向加速度的同时避免有竖向向下运动的加速度。
　　(c)设计时，在满足使用阶段受力要求的同时，也要十分注意施工阶段的工况，可适当减少二期恒载的比例或增加一定数量的构造钢筋以保证施工时的安全。
　　参考文献
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　　[3]姚玲森.桥梁工程.北京:人民交通出版社.1988.
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