大跨度連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工球鉸局部應(yīng)力分析

王磊

中鐵九局集團(tuán)有限公司 沈陽 110013

摘要：轉(zhuǎn)體施工是一種先進(jìn)的橋梁施工方法，轉(zhuǎn)體施工的關(guān)鍵構(gòu)件就是承載整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)重量的轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸，其設(shè)計(jì)的合理性將直接影響到施工質(zhì)量及安全性。本文以現(xiàn)有有限元計(jì)算理論為指導(dǎo)，結(jié)合工程實(shí)例，利用有限元分析程序MIDAS建立了該橋轉(zhuǎn)臺(tái)的空間有限元模型，給出了球鉸在特定荷載工況下的計(jì)算結(jié)果，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，為以后同類結(jié)構(gòu)球鉸的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)體施工；關(guān)鍵構(gòu)件；球鉸；有限元模型；參考

隨著新技術(shù)、新工藝的不斷出現(xiàn)以及在工程中的應(yīng)用，轉(zhuǎn)體施工已經(jīng)發(fā)展一種成為比較成熟的橋梁施工方法，該方法施工工藝科學(xué)、造價(jià)經(jīng)濟(jì)、加快了施工進(jìn)度，隨著該方法的進(jìn)一步探索和推廣，在橋梁建設(shè)中將發(fā)揮越來越大的作用，產(chǎn)生越來越好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

選擇平面轉(zhuǎn)體法施工“T”形連續(xù)梁橫跨既有構(gòu)筑物，其主橋下部結(jié)構(gòu)、箱梁現(xiàn)澆以及轉(zhuǎn)體施工等過程，對(duì)既有構(gòu)筑物的正常使用影響較小，從而減小了因本橋的修建引起的既有構(gòu)筑物的中斷使用帶來的經(jīng)濟(jì)損失。這種施工方法的轉(zhuǎn)盤部分是施工的關(guān)鍵部位，轉(zhuǎn)軸的定位精度直接影響上部結(jié)構(gòu)位置的準(zhǔn)確性，下轉(zhuǎn)盤表面的平整度是影響轉(zhuǎn)動(dòng)過程中摩擦力大小的關(guān)鍵因素，轉(zhuǎn)盤混凝土的密實(shí)與否，決定著轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)能否正常轉(zhuǎn)動(dòng)。因此在轉(zhuǎn)體施工中必須抓好這三方面的質(zhì)量要求，進(jìn)而保證轉(zhuǎn)體的成功。通過對(duì)下轉(zhuǎn)盤施工、球鉸加工、運(yùn)輸及安裝、滑道安裝和上轉(zhuǎn)盤施工等施工精度的有效控制，確保轉(zhuǎn)體橋梁按照設(shè)計(jì)要求及施工規(guī)范順利轉(zhuǎn)體；通過施工過程中的高程、應(yīng)力等的控制，保證施工質(zhì)量并使合龍后的橋梁偏差控制在規(guī)范和設(shè)計(jì)要求之內(nèi)，確保了整個(gè)橋梁線形的美觀。

1 工程概況

盤錦至營(yíng)口客運(yùn)專線盤錦特大橋124#～127#墩設(shè)計(jì)為（80.6+128+80.6）m現(xiàn)澆連續(xù)梁，其中124# ～125#墩跨林豐路、125#～126#墩跨既有溝海線和電廠專用線，與溝海線斜交角度為167°10′、126# ～127#墩跨石油管廊。該梁平面位于半徑5500m的圓曲線上，縱斷面位于半徑25000m的豎曲線上，線路縱坡為-12.7‰，為抵消轉(zhuǎn)體時(shí)曲梁的橫向不平衡彎矩，轉(zhuǎn)動(dòng)中心橫向偏心9.7cm。

為減少上部結(jié)構(gòu)施工對(duì)鐵路行車安全的影響，該橋采用平衡轉(zhuǎn)體的施工方法。即先在鐵路兩側(cè)澆筑梁體，然后通過轉(zhuǎn)體使主梁就位、調(diào)整梁體線形、封固球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)體系的上、下盤，最后澆筑合龍段，使全橋貫通。轉(zhuǎn)體段梁長(zhǎng)63m+63m；轉(zhuǎn)體角度125#墩為12°23'、126#墩為12°10'，轉(zhuǎn)體重量為12000t。

本橋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)上、下轉(zhuǎn)盤均為六邊形，上轉(zhuǎn)盤厚2.0m，下轉(zhuǎn)盤厚5.0m，下轉(zhuǎn)盤為支承轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)全部重量的基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)體完成后，與上轉(zhuǎn)盤共同形成基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)盤采用C50混凝土。上轉(zhuǎn)盤設(shè)縱橫向預(yù)應(yīng)力筋，縱向設(shè)24根12-7φ5鋼絞線，橫向設(shè)縱向設(shè)28根12-7φ5鋼絞線。縱、橫向鋼絞線均采用單端張拉，張拉端、錨固端交錯(cuò)布置，張拉端采用OVM15-12錨具，固定端采用OVM15-12P錨具。管道采用內(nèi)徑φ90金屬波紋管。

球鉸由上、下球鉸、球鉸間鑲嵌四氟乙烯片、上下球鉸的固定鋼銷軸、下球鉸定位鋼定位架組成，設(shè)計(jì)豎向承載力12000kN，上球鉸平面直徑4.1m，下球鉸平面直徑3.8m，球鉸球徑為8.0m。在對(duì)應(yīng)滑道位置上轉(zhuǎn)盤內(nèi)共設(shè)有6對(duì)雙φ800x24mm的撐腳，撐腳高0.9m（含底部3cm的走板），撐腳鋼管內(nèi)灌注C50微膨脹混凝土。

2 局部應(yīng)力分析

2.1 有限元模型

本文應(yīng)用有限元分析軟件MIDAS進(jìn)行分析計(jì)算，該軟件單元種類豐富，功能強(qiáng)大，基本上可以滿足工程需要。取橋墩底面以上3米到樁底范圍建立有限元模型，并采用網(wǎng)格自動(dòng)劃分功能劃分單元，采用空間塊體單元、彈簧單元以及接觸面單元等對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸、上、下承臺(tái)、墩身及樁基礎(chǔ)建立空間有限元模型。有限元計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

2.2 局部應(yīng)力分析

本文分兩種荷載工況對(duì)轉(zhuǎn)盤的局部應(yīng)力進(jìn)行分析：第一種工況為轉(zhuǎn)體的重量全部由主墩承受，再經(jīng)主墩傳給轉(zhuǎn)盤，第二種工況為轉(zhuǎn)體的重量全部由臨時(shí)支墩承受，再經(jīng)臨時(shí)支墩傳給轉(zhuǎn)盤。計(jì)算結(jié)果如圖2、3所示。限于篇幅，本文僅給出了兩種荷載工況下球鉸斷面和縱橋向豎向應(yīng)力。

（a） 球鉸斷面豎向應(yīng)力云圖 （b）縱橋向豎向應(yīng)力云圖

圖2 工況一轉(zhuǎn)盤應(yīng)力云圖

（a） 球鉸斷面豎向應(yīng)力云圖 （b）縱橋向豎向應(yīng)力云圖

圖3 工況二轉(zhuǎn)盤應(yīng)力云圖（單位：MPa）

由圖2、3應(yīng)力云圖可以看出：在工況一作用下，上下球鉸接觸部位豎向壓應(yīng)力大部分在1.634～6.198MPa之間，應(yīng)力集中部位達(dá)到11.753MPa。群樁豎向應(yīng)力呈現(xiàn)中間大，四周小的趨勢(shì)。在工況二作用下，上下球鉸接觸部位豎向壓應(yīng)力大部分在1.762～6.374MPa之間，應(yīng)力集中部位達(dá)13.755MPa，臨時(shí)支墩處局部應(yīng)力最大為10.987MPa，群樁豎向應(yīng)力同樣呈現(xiàn)中間大，四周小的趨勢(shì)。因此，應(yīng)加大下轉(zhuǎn)盤的剛度，使樁基受力趨向均勻，并且在樁基檢算時(shí)應(yīng)考慮轉(zhuǎn)體施工階段中荷載在樁基中的分布。

通過比較發(fā)現(xiàn)：兩種工況下球鉸處豎向應(yīng)力相差不大，群樁的豎向應(yīng)力分布趨勢(shì)相同。施加預(yù)應(yīng)力后，預(yù)應(yīng)力鋼束能夠提高上轉(zhuǎn)盤的剛度，有效減小豎向應(yīng)力峰值，使得上部結(jié)構(gòu)的力更均勻的向下傳遞，因此設(shè)計(jì)中在上轉(zhuǎn)盤配置縱、橫向預(yù)應(yīng)力鋼束是合理的，這對(duì)改善球鉸上轉(zhuǎn)盤的應(yīng)力分配具有積極的作用。

2.3 球鉸偏心對(duì)轉(zhuǎn)盤應(yīng)力的影響

球鉸的精確定位與安裝是轉(zhuǎn)體施工的關(guān)鍵工序，其施工質(zhì)量直接決定轉(zhuǎn)盤的受力狀況與轉(zhuǎn)體施工能否順利進(jìn)行。為分析球鉸偏心對(duì)轉(zhuǎn)盤受力及位移的影響，本文在第一種荷載工況下假定四種偏心距進(jìn)行有限元分析，分別為0.05m、0.1m、0.2m和0.3m，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

（a） 球鉸偏心0.05m的豎向應(yīng)力云圖 （b） 球鉸偏心0.1m的豎向應(yīng)力云圖

（c） 球鉸偏心0.2m的豎向應(yīng)力云圖 （d） 球鉸偏心0.3m的豎向應(yīng)力云圖

圖4 不同偏心距下球鉸斷面豎向應(yīng)力云圖（單位：MPa）

通過圖4可以看出，隨著球鉸偏心距的逐步增大，球鉸處的最大豎向應(yīng)力也明顯增加，從球鉸不偏心最大豎向應(yīng)力11.753MPa到偏心0.3m時(shí)的16.749MPa，并且應(yīng)力在球鉸斷面呈一側(cè)大一側(cè)小，差值最大約為14MPa。由此可見，球鉸偏心對(duì)球鉸的受力產(chǎn)生不利影響，使得球鉸局部受力過大，并且分布不均。

3 結(jié)論

（1）通過有限元計(jì)算：球鉸部分有較高壓應(yīng)力水平，應(yīng)力分布呈中間小、四周大的趨勢(shì)，邊緣處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（2）在轉(zhuǎn)體施工階段，群樁豎向受力呈現(xiàn)中間大、四周小的分布規(guī)律，對(duì)中間樁基受力較為不利，在設(shè)計(jì)中可通過加大下轉(zhuǎn)盤的厚度，使樁基受力趨向均勻。

（3）通過對(duì)上轉(zhuǎn)盤施加縱、橫向預(yù)應(yīng)力，增加了上轉(zhuǎn)盤的剛度，有效減小豎向應(yīng)力峰值，顯著改善了球鉸的應(yīng)力分布，從理論上驗(yàn)證了在上轉(zhuǎn)盤配置預(yù)應(yīng)力鋼束的必要性。

（4）研究了縱向不平衡偏心距對(duì)轉(zhuǎn)盤受力的影響，結(jié)果表明：隨著球鉸偏心距的增大，球鉸處的最大豎向壓應(yīng)力也明顯增加，使得球鉸局部受力變大，分布更加不均，對(duì)球鉸的受力產(chǎn)生不利影響。

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