橋梁轉體施工設計與分析

董營營， 楊 森

(山東高速四川產業發展有限公司，四川樂山 614000)

橋梁轉體施工設計與分析

董營營， 楊 森

(山東高速四川產業發展有限公司，四川樂山 614000)

文章針對跨線人行天橋的轉建設施工為背景，采用有限元軟件ANSYS建立轉鉸和橋梁結構整體模型，開展單點支承輕型化轉鉸設計、轉體牽引力計算、轉鉸詳細應力計算和抗傾覆穩定性計算。通過詳細的牽引參數計算，以及轉盤構件的應力分析，對轉體施工工藝及力學行為有了進一步認識，所得結論可為該類型橋梁的詳細設計提供有益參考。

轉體； 牽引力； 跨線人行橋； 轉鉸； 抗傾覆穩定性

橋梁轉體施工是指將橋梁結構或其中主要構件在非設計軸線位置澆筑或拼裝成形后，通過轉體就位的一種施工方法。根據橋梁結構的轉動方向，它可分為豎向轉體施工法、水平轉體施工法(簡稱豎轉法和平轉法)以及平轉與豎轉相結合的方法，其中以平轉法應用最多。

橋梁轉體施工技術主要包括平衡系統、錨扣系統、牽引系統和轉動系統四大系統。轉鉸必須具有轉體、承重和平衡等多種功能。依據轉動時平衡穩定條件，轉動支承可分為單點支承和雙點支承轉動系統[1-3]。

轉鉸是實現橋梁轉體施工的關鍵，常用的轉鉸材料有混凝土和鋼材，還有一些新材料轉鉸，比如高強混凝土轉鉸、鋼纖維混凝土轉鉸，尚處于研發階段，短時間內難以付諸工程實踐。目前，世界上鋼制轉鉸的最大轉體質量是比利時的本艾因橋，轉體質量達19 600 t，我國鋼制轉鉸的最大轉體質量是滬杭高速鐵路跨滬杭高速轉體橋，轉體質量為16 800 t。世界上混凝土轉鉸的最大轉體質量是江蘇蘇州的跨蘇嘉杭高速公路特大橋，轉體質量達6 320 t。本項目轉鉸立面如圖1所示。從實際工程應用來看，過萬噸級橋梁轉體施工無一例外的采用鋼制轉鉸，混凝土轉鉸的轉體質量大多數在6 000 t以下。究其原因，主要是因為鋼材具有很高的強度和較低的摩擦系數。鋼制轉鉸最大的問題是價格昂貴，而混凝土轉鉸則有價格低廉、易成型的優勢，因此混凝土轉鉸值得研發并推廣應用。

為研究鐵路曲線剛構橋的力學行為，本文對依托工程進行了靜力和動力分析，并得出相關結論。

1 轉體牽引力計算

根據以往施工經驗可知轉體靜摩擦系數μg一般為0.06～0.09，動摩擦系數μd一般為0.035～0.08，施工時可現場實測，并采取如在聚四氟乙烯板上添加黃油等措施來減小靜、動摩擦系數，從而減小牽引力。

轉體牽引裝置設置在上轉盤兩側，轉體系統壓力的形心在2/3r處。根據力矩平衡∑M=0可得[4]：

(1)

即：

(2)

其中：G為轉體重量；R為上轉盤外半徑；r為轉鉸半徑。若取μg=0.08，G=1500 kN，R=2 m，r=1 m，則F=20 kN。

2 轉鉸應力計算

以某跨鐵路輕型人行橋為例，轉盤結構采用C50鋼筋混凝土，上部結構為T型不對稱懸臂剛構，跨徑組合為15 m+21.5 m，密度按2.6 t/m3計算，根據模型計算可知主梁和橋墩總重為173.37 t，平衡重(配重)為16.59 t。

采用有限元分析軟件ANSYS建模，結果如圖2～圖5所示(負值為壓應力，正值為拉應力，單位為MPa)。計算結果表明，轉盤最大壓應力為4.04 MPa，最大拉應力為0.89 MPa，應力滿足設計要求。設計中上、下轉盤均用鋼板套箍，不但減小轉體的靜、動摩擦系數，同時也增加了轉盤的強度，使結構更加安全可靠。

3 抗傾覆穩定計算

結構的抗傾覆穩定性取決于結構平衡力矩與傾覆力矩二者之間的關系，結構抗傾覆穩定系數為：

(3)

其中：ΣMp為平衡彎矩總和；ΣMq為傾覆彎矩總和。

通過計算可知，本橋平衡彎矩ΣMp=6 228.81 kN·m，傾覆彎矩ΣMq=1 462.16 kN·m，故結構抗傾覆穩定系數Kp=4.26，故本橋結構滿足抗傾覆穩定要求。

4 結論

通過結構檢算，主要有如下結論和建議：

(1) 大型特殊橋梁轉鉸復雜、轉盤巨大、制作精度高、現場安裝難度大、所占場地大、造價高，不適用于既有線輕型橋梁轉體需要，轉鉸結構需滿足簡單、小巧、造價低廉；牽引設備簡單、輕便、方便操作；轉體過程平穩、安全，有足夠保險系數；通用、便于制作安裝等要求。

(2) 轉鉸設計為混凝土下嵌式無中軸平面鉸。轉鉸結構簡單、體積小、便于制作安裝；采用人工手拉鏈條葫蘆牽引轉體，轉體牽引設備簡單、輕便、方便操作；保險腿的設置提高了轉體安全系數；聚四氟乙烯板的設置，可減小上、下轉盤間的摩擦系數。

(3) 轉盤最大壓應力為4.04 MPa，應力滿足設計要求。設計中上、下轉盤均用鋼板套箍，不但減小轉體的摩擦系數，同時也增加了轉盤的強度，使結構更加安全可靠。

[1] 張聯燕,譚邦明,陳俊卿,等.橋梁轉體施工[M].北京:人民交通出版社,2001.

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U445.465

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[定稿日期]2017-08-08