大跨度橋梁轉體施工中接觸面設計及計算分析研究

張路

橋梁轉體施工法具有安全、高效的優點，在高速鐵路的建設中應用廣泛，其對既有路線的影響較小，社會和經濟效益顯著。本文針對大跨度橋梁在轉體施工時接觸面的設計進行了簡要的分析，首先提出了橋梁轉體的分類、優點以及缺點；然后針對轉體接觸面模型簡化進行分析，最后還對轉體接觸面進行優化設計。

國家基礎設施不斷完善，高鐵作為一項重要的交通事業也在不斷的發展。而新建的鐵路線路往往需要跨越運輸任務繁重的既有線路，傳統的橋梁施工方式嚴重影響交通，同時還容易造成嚴重的交通安全事故。而橋梁轉體施工法在跨越舊線路時安全、高效，對既有路線的影響較小，具有較明顯的社會和經濟效益。

一、橋梁轉體施工概述

1.橋梁轉體的分類

根據橋梁轉體的施工方向可以分為豎轉施工、平轉施工以及平豎組合施工。相比較下，對于轉體重量較小時通常選用豎轉法，而對于較大噸位的轉體則選用平轉法，就目前而言，平轉法施工最為常用。

2.轉體施工的優點

（1）轉體橋梁能夠充分的利用自身結構，將其作為轉動體系，同時對周圍的地勢加以利用，一方面能夠避免在河道、山谷處搭設大量支架，另一方面還能夠避免建造超高墩柱，建筑材料的周轉率和使用率也能夠得到顯著的提高。

（2）用岸陸作業來代替高空作業以及水上作業，一方面改善了施工環境以及施工條件，另一方面還能夠提升施工的安全性。

（3）對于需要跨越通航的河道，或者跨越車流量較大的既有道路，應用轉體施工，對交通的影響很小，能夠確保現有交通的安全性。

（4）轉體施工的周期短，經濟效益高

3.轉體施工的技術難點

（1）轉體橋最為關鍵的部位是球鉸，但是鋼筋混凝土球鉸的制作工藝要求較高，難度較大，如若施工單位的機械設備不齊全或山區交通落后則使用難度較大。

（2）為了減小轉動系統結構形式、重量對轉體的影響，往往選用輕型結構，但是由于風荷載的影響往往會使結構出現不穩定的現象。

（3）轉體結構扣、背索張拉階段，對于背墻和拱架容易由于應力集中而出現裂縫，在此之后橋梁如若強行合攏，則會有較大的安全隱患。

二、轉體接觸面模型簡化

由于轉動系統的結構構造較為復雜，所以導致建模工作量巨大，轉體接觸面的球面設計讓轉動系統的計算更為復雜，特別是針對PTFE滑塊模型，計算的過程經常會出現難以收斂的現象。但是接觸面的設計作為橋梁轉體施工的關鍵。為了能夠提高橋梁模型的計算效率，需要對模型進行簡化，否則將會制約大跨度、大噸位轉體橋梁的發展。

轉體接觸面模型的簡化：

圖1 模型幾何示意圖

經過簡化，可以看出模型相當于平面內分布的滑塊和圓柱體共同構成了剛體與表面水平的彈性體之間構成的接觸模型，其中滑塊的高度為h。

表1 有限元模型參數

通過采用簡化模型更加有利于計算，能夠提高后期優化計算的運行效率，本文選用ABAQUS有限元軟件建立模型來檢驗簡化模型的正確性，同時能夠驗證使用簡化模型代替原始模型計算的可靠性。有限元的模型參數如表1所示。

運用有限元軟件對簡化模型進行分析可以清晰地看出，彈性體接觸面與剛性滑塊之間的接觸法向應力呈現出中間小、邊緣大的特點，且邊緣效應較為顯著，通過對不同距離處剛性滑塊與彈性體接觸面之間平均接觸應力值的提出，并將其繪制成曲線將其與原始模型進行對比，結果如圖2所示。可以發現，經過有限元分析對比，簡化模型與原始模型之間的結果較為相似，同時也證明了所提出的簡化模型具有一定的準確性。將原始的球面接觸簡化為平面接觸，不僅沒有對結果的準確性和精度造成影響，還能夠顯著的降低建模的工作量和計算分析的計算量。

圖2 簡化前后滑塊接觸應力對比

三、轉體接觸面的優化設計

經過以上章節的分析可以看出，越靠近球鉸邊緣處，滑塊所受到的應力也就越大。為了能夠盡可能地避免出現應力集中的現象，需要對轉體的接觸面進行優化，一方面來減小摩擦力，另一方面來降低對材料性能的影響。接觸面最為理想的狀態是完全對稱的，優化的目標也是獲取較為理想的應力分布。通過優化滑塊的高度，從而使得接觸面應力分布更加均勻。但是實際工程中結構均為有限大小，故而做到完全的應力均勻分布是不現實的，通過優化只是能夠盡可能做到應力分布均勻化，降低球鉸邊緣處應力。對于接觸面的優化目標單個滑塊的平均接觸應力需要小于設計的抗壓強度，確保平均接觸應力能夠均勻地分布在每一滑塊上，可以盡量減少滑塊的總數量，保證滑塊的總接觸面積一定，盡可能地保證每一塊滑塊上的接觸應力都能夠均勻分布。根據滑塊上的應力與理論平均應力的差值對滑塊的數量進行合理適當的調節，適當的調整滑塊的高度來降低邊緣處的應力值。

對于大跨度的樁體施工橋梁轉動球鉸優化流程如下：首先第一步需要確定轉體橋梁的轉體重量，通過每一個滑塊所承受的力以及滑塊的接觸面積來計算滑塊和彈性接觸面上的理論平均應力，然后確定各個滑塊的位置，同時還需要保證滑塊能夠均勻分布，最后確定滑塊的高度以及形狀。其中形狀和高度的確定首先需要將彈性體轉變為多個離散的節點，每個滑塊在接觸面區域之內假定會產生出一個均勻的應力，由于滑塊的作用會導致每個節點都出現一定的位移，每個滑塊位移的疊加就會導致整體的變形，一方面是形狀的變化，另一方面是高度的變化。需要在初設的基礎之上對滑塊數量進行優化，滑塊的數量主要受到轉體重量、單塊滑塊承載力的影響。滑塊數量的優化可以通過迭代理論通過有限元對平均接觸應力和相應增加各環數量通過迭代法獲得趨于穩定的應力。到最終按照迭代后滑塊中最大平均接觸應力與優化前滑塊中最大平均接觸應力的比值來逐環減少滑塊的個數。

四、結語

本文針對大跨度橋梁在轉體施工時接觸面的設計進行了簡要的分析，首先提出了橋梁轉體的分類、優點以及技術難點；然后針對轉體接觸面模型簡化進行分析，并通過有限元手段驗證了將原始的球面接觸簡化為平面接觸，不僅沒有對結果的準確性和精度造成影響，還能夠顯著的降低建模的工作量和計算分析的計算量；文章最后還對轉體接觸面進行優化設計。