平轉橋梁墩柱鋼筋倒塌對轉動支座受力影響分析

車曉軍 雷志超 王彥合 羅 平

(1.武漢理工大學交通學院 武漢 430063; 2.中交路橋華南工程有限公司 中山 528427)

某在建公路跨越繁忙既有鐵路，設計采用2×70 m先平行鐵路支架現澆，后轉體跨越既有鐵路線方案。設計采用轉動支座作為轉動和主要受力部件，額定承載能力為160 000 kN。轉體支座構造由上、下2個鑄造而成的球擺組成，平面直徑d=3.50 m,由相配合的凸球面和凹球面通過底面中心銷軸連接，轉動系統構造組成見圖1。

圖1 轉動系統構造示意圖(單位：cm)

斜拉橋轉體噸位較大，設計墩柱比較高，由于缺少勁性骨架容易出現倒塌現象，從而對轉動支座的受力性能產生一定影響[1-2]，甚至危及轉體安全，開展墩柱鋼筋倒塌對轉動支座受力和變形影響分析，具有較強的理論和實踐意義。

1 墩柱鋼筋倒塌荷載分析

1.1 倒塌形式

由轉動系統的構造和橋梁上部構造可知，墩柱鋼筋在施工過程中，由于缺少勁性骨架，特別是水平向缺少支撐或聯結偏弱，極其容易出現沿縱橋方向倒塌，現場情況見圖2～圖3。

圖2 墩柱鋼筋失穩示意圖

圖3 墩柱鋼筋尾端與冠梁接觸

在墩柱鋼筋倒塌過程中，將對轉動體上承臺產生瞬時沖擊，并將較大荷載傳遞至轉動支座部分，對其應力和變形產生影響。

1.2 墩柱倒塌等效荷載計算

1) 由圖2可知，墩柱鋼筋倒塌將沿著縱橋大里程方向，等效荷載計算示意圖見圖4。

圖4 等效荷載計算示意圖(單位：cm)

2) 通過換算可以計算出圖4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。

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成G1和G22個集中荷載，取鋼筋骨架半幅中心位置，距軸線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的鋼筋質量為7 517 kg,G2的鋼筋質量為12 101 kg。

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 轉動支座受力驗算

當墩柱鋼筋倒塌時，作為轉動支座和承臺混凝土的組合構件，根據材料特性可知，薄弱部位需重點分析轉動支座周圍混凝土承受的偏載作用，根據偏心荷載受壓構件的分布規律[4-5]，有

式中：σ1、σ2為主應力；N為軸心壓力；A為截面積；M為等效彎矩值；y為與形心的距離；I為抗彎慣性矩。

1) 混凝土抗壓強度驗算。

則d1=M1/N=129.0 m(破壞時的力臂值)。

根據鋼筋倒塌現場實際情況，最大的等效力臂僅為4.5 m，遠遠小于129.0 m，因此應力不會超出混凝土抗壓強度。

2) 混凝土抗拉強度驗算。

則d2=M2/N=11.1 m(破壞時的力臂值)。

根據鋼筋倒塌現場實際情況，最大的等效力臂為4.5 m，小于11.1 m，因此應力不會超出混凝土抗拉強度。

3 現場測試

3.1 加載值計算及分級

結合工程實際，現場試驗加載物采用尺寸0.6 m×0.6 m×2 m的混凝土預制塊，每塊重量約17 kN，同時考慮沖擊影響，所需加載物數量見表3。

表3 考慮沖擊影響的加載物數量

同時考慮加載效率和數據分析需要，從0～50%(按照10%遞增)～100%(按照10%遞增)～130%(按照10%遞增)進行分級加載。

3.2 現場加載

現場加載采用預制混凝土塊逐個稱重，確保加載準確。根據荷載換算并考慮沖擊效應，分級加載至100%及130%，加載現場見圖5～圖6。

圖5 加載至100%

圖6 加載至130%

3.3 測點布置

現場加載試驗過程中，重點對轉動支座在豎向荷載作用下的位移進行測試，橫橋向及縱橋向分別布置智能位移計，見圖7～圖8。

圖7 轉動支座位移(橫橋向)

圖8 轉動支座位移(縱橋向)

3.4 測試數據

轉動支座的位移測試結果見表4。

表4 測試數據一覽表

由表4數據分析可知，在墩柱倒塌荷載作用下：

1) 轉動支座水平方向的位移，當達到130%加載時，縱橋向最大為0.04 mm，橫橋向為0.04 mm。

2) 轉動支座豎直方向的位移，當達到130%加載時，縱橋向最大為0.06 mm，橫橋向為0.00 mm。

通過測試數據分析可知，轉動支座在各個方向的變形均非常小，結構處于彈性完好狀態。

3 結論

1) 通過理論驗算分析可知，鋼筋倒塌所產生的荷載對轉動支座周圍混凝土的應力影響較小，未超過材料強度允許值。

2) 由現場分級加載可知，轉動支座縱、橫橋向位移均較小。

3) 從轉體后續施工安全角度出發，建議在類似項目墩柱鋼筋施工過程中增設勁性骨架，以減小倒塌的施工風險。