高、重、寬T型剛構橋轉體施工監控關鍵技術研究

摘要：基于彈性力學和球鉸強度理論，采用有限元軟件ANSYS實體單元建立渾水塘特大橋轉體施工過程整體動力分析模型，得到轉體施工階段角速度及角加速度控制值，保證T型剛構轉體施工過程的準確性和安全性。同時，研究了轉動角速度、角加速度對主梁及轉盤應力的影響，并通過線形擬合得到角加速度與主梁及轉盤應力關系公式，為同類型橋梁轉體施工控制提供借鑒。

關鍵詞：轉體施工；彈性力學；球鉸強度理論；接觸分析；轉動角速度；轉動角加速度

0" "引言

T型剛構橋的轉體施工是指將橋梁結構在非設計軸線位置制作（澆筑或拼接）成形后，通過轉體就位的一種施工方法。轉體法能較好的克服高山峽谷、水流湍急或經常通航的河道上架設大跨度構造物的困難，尤其是對修建處于交通運輸繁忙的城市立交和鐵路跨線橋，其優勢更加明顯[1-2]。

對于高、寬、重T型剛構橋來說，在轉體過程中，先后經歷了從加速轉動到勻速轉動最后到減速轉動階段[3]，轉動角速度及角加速度對轉體結構內力影響較大。而國內現有的研究[4-6]一般采用梁單元模擬主梁，并與實體單元模擬的轉盤體耦合來進行分析。這種模擬方式對寬度和重量不大的轉體橋影響不大，而對高、寬、重轉體橋來說，對主梁應力及變形結果顯然不夠精細。

本文以渾水塘特大橋為背景，采用ANSYS實體單元，建立轉體橋梁整體模型，對不同轉動角速度和角加速度下主梁及轉盤體進行了分析，得到轉體施工階段角速度及角加速度控制值，從而更科學的控制轉體過程。

1" "工程概況

渾水塘特大橋（80+80）m T型剛構跨南昆鐵路，交角為79°，施工時采用平面轉體方案，轉體長度為49m（1#～12#節段），轉體角度為79°，橋梁全寬33.5m，整幅布置，轉體質量達18700t。主橋上部結構箱梁采用C55混凝土，采用單箱三室變高度直腹板預應力混凝土箱型截面，下部結構X2轉體墩墩身、上下承臺采用C55混凝土。

轉體系統由上盤、下承臺、上下球鉸、撐腳、滑道、牽引系統組成。下轉盤采用C50混凝土，上轉盤直徑1260cm，高350cm。轉臺直徑?1030cm，高度80cm。鋼球鉸直徑為?4200mm，厚度為50mm，分上下兩片。本橋轉體選用兩套兩臺ZLD300型液壓、同步、自動連續牽引系統（牽引系統由連續千斤頂、液壓泵站及主控臺組成），形成水平旋轉力偶，通過拽拉錨固且纏繞于直徑1030cm的轉臺圓周上的22-φs15.2mm鋼絞線，使得轉動體系轉動。

2" "計算模型

本橋基于彈性力學和球鉸強度理論[7]，考慮橋梁轉體過程中球鉸的接觸應力和摩擦力，采用ANSYS有限元軟件，建立渾水塘特大橋轉動過程整體動力分析模型。建模過程采用SOLID65單元模擬混凝土及球鉸鋼板，link10單元模擬預應力鋼筋，分別采用TARGE170目標單元和CONTA174接觸單元，模擬下球鉸和上球鉸的接觸行為，通過二者共用同一實常數建立接觸對。

3" "勻速轉動階段主梁應力分析

在橋梁轉體過程中，轉體結構受不平衡重、風荷載、轉動速度、溫度等多種因素的影響[8]，而在主控臺的控制下，勻速轉動在轉體過程中占時最長，因此本文對不同轉速下的轉體結構進行分析。在模擬分析過程中不考慮自重、風荷載、不平衡重等因素，T型剛構繞球鉸中心平穩轉動。

本文對T構在0.02r/min、0.05r/min、0.2r/min、0.5r/min、1r/min、2r/min共6種轉動角速度作用下進行模擬分析。

研究結果表明：在勻速轉動過程中，箱梁頂部應力大，底部應力值較小，主墩與主梁交界面處頂面的應力最大。隨著轉動速度的提高，箱梁頂部最大應力值呈指數倍數提高，在2r/min轉速下，最大應力達到了17.05MPa。

因此，在轉體橋建設與轉體過程中，為保證主梁平穩及平衡，渾水塘特大橋轉體速度應控制在0.02r/min以內，同時對主梁0號塊體處加強應力監測與變形控制，防止出現失穩狀態。

4" "加速轉動階段主梁應力分析

按照材料力學，由轉動慣性力產生的T構主梁截面正應力為[9]：

（1）

式中：IZ為主梁根部截面繞z 軸慣性矩；y為橫橋向截面中心距懸臂外緣距離；JZ為質量慣性矩。

C55混凝土允許拉應力為1.96MPa。將主梁、橫隔板截面特性及質量進行分塊計算，得到JZ為2.43×109kg·m2，IZ為1214.9m4，頂板拉應力為16.75×10-6MPa。

通過上述理論計算，采用ANSYS建立動力分析模型，以自重狀態為基礎，選取0.005r/s2、0.01r/s2，0.03r/s2、0.05r/s2、0.0584r/s2共5種轉動角加速度，對主梁懸臂根部和轉盤體進行分析，分析結果如圖2、圖3所示。

主梁軸向應力與轉動角加速度關系如圖4和表1所示。主梁軸向應力與轉動角加速度呈線性關系：

f（x）=ax+b" " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

其中a=5.51，b=0.716，隨著轉動角加速度的增加，主梁軸向應力也相應增大，且轉動角加速度每增加1r/s2，對應的主梁軸向應力會增加5.51MPa。

在轉體工程中，應將加速度控制在較小的范圍內，以防主梁混凝土開裂。

轉盤剪切應力與轉動角加速度關系如圖5和表2所示。從圖5可以看出：由于接觸應力的影響，轉盤剪切應力與轉動角加速度仍近似呈線性關系。其中a=1329.33，b=2.56。隨著轉動角加速度的增加，轉盤剪切應力也相應的增大，且轉動角加速度每增加0.01r/s2，對應的轉盤剪切應力會增加13.29MPa左右。

5" "結論

本文采用ANSYS建立渾水塘特大橋整體動力分析模型，對橋梁轉體施工過程進行分析計算，得到T型剛構轉體施工過程中的轉動角速度和轉動角加速度控制值，分別為0.02r/min和0.0584r/s2，保證了橋梁轉體的順利安全施工。

在勻速轉動過程中，箱梁頂部應力大，底部應力值較小，主墩與主梁交界面處頂面的應力最大。隨著轉動速度的提高，箱梁頂部最大應力值呈指數倍數提高，在2r/min轉速下，最大應力達到了17.05MPa。因此，在轉體橋建設與轉體過程中，為保證主梁平穩及平衡，渾水塘特大橋轉體速度應控制在0.02r/min以內，同時對主梁0號塊體處加強應力監測與變形控制，防止出現失穩狀態。

主梁軸向應力與轉動角加速度呈正比線性關系，轉動角加速度每增加1r/s2，對應的主梁軸向應力會增加5.51MPa。在轉體工程中，應將加速度控制在較小的范圍內，以防主梁混凝土開裂。由于接觸應力的影響，轉盤剪切應力與轉動角加速度近似呈線性關系，轉動角加速度每增加0.01r/s2，對應的轉盤剪切應力會增加13.29MPa左右。

參考文獻

[1] 魏慶.預應力混凝土轉體T 形剛構橋施工監控[J].鐵道工程學報，2017，8（40-45）.

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