墩柱鋼筋失穩對轉動支座完好性影響分析

2018-04-23 12:51:32車曉軍郭子會張小龍

交通科技 2018年2期

車曉軍郭子會張小龍

(1.武漢理工大學交通學院武漢 430063； 2.內蒙古伊泰準東鐵路有限責任公司鄂爾多斯 010300； 3.內蒙古公路交通投資發展有限公司烏海分公司烏海 016000)

某跨鐵路轉體斜拉橋跨徑為2×70 m，雙向6車道，橋梁總寬29.0 m。轉動支座額定承載能力為16×104kN，轉體支座平面直徑為3.5 m。轉體支座上、下球擺均為ZG270-500鑄造而成的整體，上球擺底面具有凸球面，上球擺底面中心設有銷孔，下球擺頂面具有與上球擺的凸球面相配合的凹球面，下球擺面中心設置有與銷孔相配合的銷軸，銷孔側壁與銷軸側壁形成具有夾角的間隙，轉動系統構造見圖1。

圖1 轉動系統構造示意圖

由于轉體橋梁噸位大，墩柱高，預埋鋼筋數量多，施工中容易出現鋼筋失穩現象，影響轉動支座的完好性，甚至會影響后續轉體安全，為此，開展墩柱鋼筋失穩對轉動支座受力和變形影響分析的研究，具有十分重要的意義。

1 墩柱鋼筋失穩荷載計算

1.1 失穩形式

由圖1可知，墩柱鋼筋在施工過程中，由于水平向缺少支撐或聯結偏弱，容易出現沿縱橋方向的失穩。

鋼筋失穩會對上承臺產生較大的沖擊，同時將荷載傳遞給下部的轉動關鍵受力部件——轉動支座，使其完好性和受力性能受到影響。

1.2 墩柱鋼筋數量計算

根據設計圖紙,墩柱鋼筋具體類型及數量見表1。

表1 鋼筋數量一覽表

1.3 墩柱失穩等效荷載計算

1) 墩柱鋼筋失穩沿縱橋大里程方向，等效荷載計算示意見圖2。

2) 通過換算關系可得圖2中各參數數值如下：①鋼筋失穩內側(縱向大里程方向)鋼筋等效力G1中心作用力臂L1=362.5 cm；②鋼筋失穩外側(縱向小里程方向)鋼筋等效力G2中心作用力臂L2=587.5 cm；③等效荷載最大力臂La=475 cm；④等效荷載合理力臂Lb=350 cm；⑤等效荷載最小力臂Lc=225 cm。

圖2 等效荷載計算示意圖(單位：cm)

3) 等效荷載計算方法。

①G1與G2的分類計算。將鋼筋失穩時的荷載按橫橋向軸線兩側分為G1和G22個集中荷載，取鋼筋骨架半幅中心位置，與軸線距離為112.5 cm。

鋼筋荷載計算取值范圍：鋼筋骨架高度等效于G1，G2中心作用力臂長度，經計算，G1的鋼筋重量為75 170 kN,G2的鋼筋重量為121 010 kN。

②不同力臂下的等效加載重量。設G為等效荷載加載位置，考慮Ga，Gb，Gc3種加載位置情況，根據力矩平衡原理計算，由G·L=G1·L1+G2·L2。

分別計算，得

Ga=(G1·L1+G2·L2)/La=207.04 kN

Gb=(G1·L1+G2·L2)/Lb=280.98 kN

Gc=(G1·L1+G2·L2)/Lc=437.08 kN

③考慮鋼筋倒塌時沖擊影響，計算等效荷載見表2。

表2 考慮沖擊影響的計算荷載

2 轉動支座有限元仿真

2.1 建模過程

1) 材料特性選取。轉動支座由上轉盤、銷軸和下轉盤組成，受力性能屬于典型的接觸分析[1-3]，模型中C50混凝土采用Concrete Damage Plasticity模型模擬，輸入其應力-應變曲線、彈性模量、泊松比、破壞因子、斷裂準則。

轉動支座材料，Q235和Q345鋼材采用Ductile metal 模型模擬，輸入其應力-應變曲線、彈性模量、泊松比、延性破壞準則、剪切破壞準則，混凝土和鋼材應力-應變曲線見圖5、圖6，圖7為鋼材應力軟化曲線及損傷因子確定曲線。

圖4 鋼材應力-應變曲線

圖5 鋼材應力軟化曲線及損傷因子確定曲線

2) 接觸分析模擬。有限元模擬分析的關鍵在于摩擦接觸的分析[4]。建立如圖6所示模型，主要包括：上承臺(灰色混凝土)、連接凸起(混凝土)、上鋼轉盤、下鋼轉盤、墊板(鋼材)、墊石(混凝土)、下承臺(混凝土)，圖7為轉動支座的細節圖。各部分構造若澆筑在一起，用“tie”模擬，如上承臺與連接凸起間的連接；若材料不同的構造連接在一起，則用“surface to surface”模擬[5-6]，如鋼轉盤與混凝土之間的接觸；上、下鋼轉盤間鋪有聚四氟乙烯板，起減小轉動摩擦阻力的作用，上、下鋼轉盤間的摩擦系數實際較小，也可發生相對位移，因此用“surface to surface”模擬，靜摩擦系數為0.1。

模型選擇實體單元C3D8R，整體單元尺寸為0.25 m×0.25 m×0.25 m，接觸部分、轉動支座細部采用加密單元，最小細分到0.01 m×0.01 m×0.01 m。模型計算分為2步：第一步，計算結構自重，第二步，計算偏載。