某橋梁轉體系統的局部應力分析

劉 璐，張守城，陳麗軍

（武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430056）

1 橋梁工程概況

G309青蘭線坊子流戈莊至濰城潘里段改建工程采用（65+65）m跨徑的連續T構上跨膠濟鐵路（見圖1）。T構上部結構采用單箱三室箱形截面，橋面寬26 m，中支點處梁高5 m，邊支點處梁高2.2 m，梁底線形按1.8次拋物線變化。橋梁下部結構主墩采用單肢墩，墩身高9 m，橫向尺寸12.8 m，墩壁厚3.5 m。該現澆T構采用轉體施工方案，轉盤結構采用環道與中心支承相結合的球鉸轉動體系[1]，基礎采用直徑1.8 m的鉆孔灌注樁。

圖1 橋型布置示意圖（單位：m）

2 轉體系統介紹

轉體結構由轉體下轉盤、球鉸、上轉盤、轉動牽引系統組成（見圖2）。

圖2 轉體系統布置示意圖（單位：cm）

下轉盤為支承轉體結構全部重量的基礎，轉體完成后，與上轉盤共同形成基礎。下轉盤采用C55混凝土。鋼球鉸直徑為Φ6 000 mm，厚度為100 mm，分上下兩片。上盤撐腳即為轉體時支撐轉體結構平穩的保險腿。從轉體時保險腿的受力情況考慮，轉臺對稱的兩個保險腿之間的中心線與上盤縱向中心線重合，使保險腿對稱分布于縱軸線的兩側[2]。在撐腳的下方（即下盤頂面）設有1.33 m寬的滑道，滑道半徑為5.15 m，轉體時保險撐腳可在滑道內滑動，以保持轉體結構平穩。要求整個滑道面在一個水平面上，其相對高差不大于0.5 mm。上盤是轉體的重要結構，在整個轉體過程中形成一個多向、立體的受力狀態，上盤布有縱、橫、豎三向預應力鋼筋。上盤邊長18.7 m，高2.5 m，平面四個邊角切3 m的切角，為八邊形構造；轉臺直徑Φ11.5 m，高度1.0 m。

3 轉體系統局部受力分析

3.1 有限元計算方法及模型

橋梁轉體施工球鉸結構局部驗算借助于有限元程序ANSYS進行，混凝土結構用實體單元solid65模擬，采用link8桁架單元模擬鋼絞線，并采用初應變的方法施加預應力，考慮預應力損失，按照0.8倍設計張拉荷載施加預應力[3]。該計算模型包括7 m高橋墩、八邊形承臺，圓形轉盤及球鉸，模型對墩節點自由度進行約束。結構有限元模型如圖3所示。

圖3 球鉸結構計算有限元模型

3.2 荷載

模型考慮了球鉸及其以上荷載163 000 kN，該荷載按均布荷載垂直作用在球鉸范圍內處于承臺支撐范圍內的面上。縱橫豎三向施加預應力[4]。縱橫向采用15-φs15.2高強度低松弛預應力鋼絞線，張拉控制應力均為1 395×0.8=1 116（MPa），豎向采用無粘結預應力鋼棒，張拉控制應力均為595×0.8=476（MPa）。

3.3 主要應力計算結果

（1）剔除預應力錨固處的應力集中所引起的拉應力，橫橋向混凝土最大拉應力為0.83 MPa，出現在上轉盤、轉臺兩側邊緣；壓應力為7.24 MPa，主要分布于球鉸位置。其余各截面均為壓應力，球鉸局部位置壓應力相對較大，且應力較為集中（見圖4、圖5）。

圖4 球鉸橫橋向應力云圖一（單位：MPa）

圖5 球鉸橫橋向應力云圖二（單位：MPa）

（2）剔除預應力錨固處的應力集中所引起的拉應力，豎向混凝土拉應力出現在上轉盤頂及轉臺下緣，最大拉應力為0.73 MPa，球鉸位置壓應力基本在6.24 MPa內（見圖6、圖7）。

圖6 球鉸豎向應力云圖一（單位：MPa）

圖7 球鉸豎向應力云圖二（單位：MPa）

（3）剔除預應力錨固處的應力集中所引起的拉應力，順橋向混凝土最大拉應力為0.83 MPa，出現在轉臺兩側邊緣；壓應力為8.4 MPa，主要分布于轉臺頂部與橋墩連接附近區域，其余位置基本處于受壓范圍內（見圖8、圖9）。

圖8 球鉸順橋向應力云圖一（單位：MPa）

（4）剔除預應力錨固處的應力集中所引起的拉應力，混凝土最大主拉應力為1.23 MPa，出現在上轉盤底緣；主壓應力為9.7 MPa，主要分布于橋墩與轉臺連接位置區域。其余位置主壓應力基本小于8.6 MPa（見圖10、圖11）。

圖9 球鉸順橋向應力云圖二（單位：MPa）

圖10 球鉸主拉應力云圖（單位：MPa）

圖11 球鉸主壓應力云圖（單位：MPa）

（5）縱橫向預應力鋼筋最大應力為1 114.4 MPa（見圖12），豎向JL32精軋螺紋鋼最大應力為485MPa（見圖13）。

圖12 預應力鋼筋軸向應力云圖（單位：MPa）

圖13 JL32鋼筋軸向應力云圖（單位：MPa）

4 結論

（1）經分析，轉體球鉸混凝土最大拉應力0.83MPa，最大壓應力8.4 MPa，最大主拉應力1.23 MPa，最大主壓應力9.7 MPa，均滿足C55混凝土設計強度要求，該分析已為該橋的設計施工提供依據。

（2）設置觀測點，嚴格控制啟動和制動，必須利用千斤頂反力座啟動，發現有偏轉應及時糾偏。啟動牽引應注意緩慢加載，并及時觀測轉體結構狀態，確保啟動時結構安全。

（3）在轉體過程中必須進行轉體關鍵部位（含梁、墩和轉體結構等）的應力、應變監測。