大噸位墩底轉(zhuǎn)體橋承臺(tái)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)分析

孟麗敏

（中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司，山東濟(jì)南 250101）

0 引言

隨著我國交通強(qiáng)國建設(shè)的不斷推進(jìn)，為了避免不同類別、等級(jí)交通之間的相互干擾，各地涌現(xiàn)出一大批立體交通工程。水平轉(zhuǎn)體施工法因其能最大限度降低橋梁施工對(duì)橋下既有交通的安全影響，在跨越高速公路、鐵路及城市軌道等重要線路中得到了廣泛應(yīng)用。

結(jié)合武漢至大悟高速公路上跨滬蓉、麻武鐵路高架橋，通過建立實(shí)體有限元模型，對(duì)轉(zhuǎn)體主墩承臺(tái)樁基在施工過程中的受力狀態(tài)分析研究，確定下承臺(tái)預(yù)應(yīng)力鋼束的合理張拉時(shí)間。

1 工程概況

武漢至大悟高速公路在K23+950 處上跨滬蓉線、麻武線，左右幅采用4 座2×75m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T構(gòu)跨越鐵路。為降低橋梁施工對(duì)既有鐵路的安全影響，上跨鐵路T 構(gòu)橋采用轉(zhuǎn)體施工，轉(zhuǎn)體重量16600t。

主墩底設(shè)置有轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)由上轉(zhuǎn)盤、球鉸、下轉(zhuǎn)盤等構(gòu)件組成。其中，上轉(zhuǎn)盤平面為矩形，橫橋向?qū)?3.9m，順橋向?qū)?0m，厚2.5m。下承臺(tái)尺寸為17.3m×17.3m，厚4.5m。上下承臺(tái)間凈距2.2m，中間設(shè)置有1m 厚圓形轉(zhuǎn)臺(tái)，直徑9m。轉(zhuǎn)臺(tái)下方為鋼球鉸，上下球鉸接觸平面直徑3.9m，球面半徑7.8m。為避免下球鉸安裝打斷下承臺(tái)頂面鋼筋，在下承臺(tái)頂面設(shè)置高度0.6m 的球鉸凸臺(tái)。為保證轉(zhuǎn)體過程中下承臺(tái)及樁基受力滿足要求，在下承臺(tái)下部設(shè)置縱橫向預(yù)應(yīng)力鋼束。

2 轉(zhuǎn)體承臺(tái)模型建立

下承臺(tái)是轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)造，受力較復(fù)雜，在轉(zhuǎn)體施工階段，其結(jié)構(gòu)尺寸及受力狀態(tài)并不符合剛性承臺(tái)的基本假定，因此無法按現(xiàn)行規(guī)范對(duì)下承臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。王景全等[1]針對(duì)轉(zhuǎn)體承臺(tái)，提出了一種錐形面空間拉壓桿模型，通過下承臺(tái)受力的空間拉壓桿模型，確定下承臺(tái)的承載力及各樁基的反力。劉詩文等[2]通過引入樁基支撐剛度，對(duì)上述模型進(jìn)行了修正，獲得了較好的計(jì)算結(jié)果。但錐形面拉壓桿模型主要用于確定轉(zhuǎn)體承臺(tái)的承載力[3]，無法進(jìn)行下承臺(tái)轉(zhuǎn)體階段的應(yīng)力狀態(tài)分析，該模型也無法有效評(píng)估預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的影響。為了準(zhǔn)確分析轉(zhuǎn)體下承臺(tái)在施工階段的受力狀態(tài)，該研究采用ABAQUS 軟件進(jìn)行實(shí)體有限元分析，探究合理的預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)間。

2.1 有限元分析模型

對(duì)于墩底轉(zhuǎn)體系統(tǒng)而言，下承臺(tái)承受由轉(zhuǎn)體球鉸傳遞下來的轉(zhuǎn)體荷載，在轉(zhuǎn)體重量一定的情況下，橋墩形式、上承臺(tái)預(yù)應(yīng)力等因素對(duì)下承臺(tái)的受力基本無影響。因此，僅建立下承臺(tái)、樁基，并利用一圓柱模擬轉(zhuǎn)體球鉸，圓柱下端為球面，球面半徑等于球鉸滑動(dòng)面的球面半徑，與下承臺(tái)接觸面直徑等于球鉸滑動(dòng)面的平面直徑，所建立的轉(zhuǎn)體下承臺(tái)、樁基模型如圖1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)體承臺(tái)有限元分析模型

模型中，混凝土均采用六面體20 節(jié)點(diǎn)單元，鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋采用2 節(jié)點(diǎn)線性桁架單元，鋼筋通過內(nèi)置單元約束方式與混凝土單元連接，不考慮鋼筋與混凝土單元的黏結(jié)滑移，預(yù)應(yīng)力筋張拉力按初應(yīng)力進(jìn)行模擬，并考慮預(yù)應(yīng)力損失。沿樁身每隔2m 設(shè)置一約束參考節(jié)點(diǎn)，通過施加節(jié)點(diǎn)彈簧，模擬土體對(duì)樁基的橫向約束效應(yīng)[4]。

2.2 分析工況

為分析設(shè)置預(yù)應(yīng)力對(duì)下承臺(tái)受力狀態(tài)的影響，并探究合理的下承臺(tái)預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)間，共考慮以下兩種模型工況：第一，無預(yù)應(yīng)力，轉(zhuǎn)體重量166000kN。第二，有預(yù)應(yīng)力，轉(zhuǎn)體重量分16 級(jí)加載至166000kN，級(jí)差10000kN。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 預(yù)應(yīng)力效應(yīng)對(duì)比分析

無預(yù)應(yīng)力承臺(tái)在轉(zhuǎn)體重量荷載作用下的位移云圖，如圖2 所示。轉(zhuǎn)體施工階段，由于轉(zhuǎn)體重量近似于集中荷載作用于承臺(tái)正中心，承臺(tái)支承與均勻間隔布置的樁基之上，承臺(tái)的位移呈現(xiàn)碟形分布，承臺(tái)位移等值線近似為同心圓，球鉸作用位置處的變形最大，離球鉸中心越遠(yuǎn)，位移越小。這種變形狀態(tài)下，承臺(tái)下緣將產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，如圖3 所示。

圖2 承臺(tái)位移云圖

圖3 承臺(tái)底緣主拉應(yīng)力云圖（單位：Pa）

在下承臺(tái)底緣設(shè)置縱橫向預(yù)應(yīng)力后，承臺(tái)底緣主拉應(yīng)力分布情況見圖3，承臺(tái)底緣中線處的主拉應(yīng)力變化情況見圖4。

圖4 承臺(tái)底緣主拉應(yīng)力分布圖

當(dāng)未設(shè)置承臺(tái)預(yù)應(yīng)力時(shí)，由于樁基對(duì)承臺(tái)的彈性支撐約束，在由球鉸傳遞下來的集中轉(zhuǎn)體重量作用下，承臺(tái)下緣基本處于受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力達(dá)到了8.05MPa。該值已遠(yuǎn)超混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，說明混凝土已明顯開裂。

當(dāng)設(shè)置承臺(tái)預(yù)應(yīng)力后，承臺(tái)底面最大拉應(yīng)力為1.95MPa，承臺(tái)應(yīng)力狀態(tài)得到了有效改善，雖然承臺(tái)底面中心部位仍然存在拉應(yīng)力，但該值小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，混凝土開裂的概率極大降低，結(jié)構(gòu)耐久性得到有效保證。

有預(yù)應(yīng)力承臺(tái)底緣中線處主壓應(yīng)力分布情況見圖5。在轉(zhuǎn)體階段，承臺(tái)下緣最大主壓應(yīng)力為7.0MPa。樁頂截面豎向反力結(jié)果見表1。

圖5 有預(yù)應(yīng)力承臺(tái)底緣主壓應(yīng)力分布圖

表1 樁頂反力結(jié)果 單位：kN

當(dāng)未設(shè)置承臺(tái)預(yù)應(yīng)力時(shí)，樁頂反力不均勻，超過1/3 的轉(zhuǎn)體重量由球鉸正下方的1 號(hào)樁基承擔(dān)，1 號(hào)中心樁的反力為4 號(hào)角樁反力的2.07 倍。當(dāng)設(shè)置承臺(tái)預(yù)應(yīng)力后，1 號(hào)中心樁的反力為4 號(hào)角樁反力的1.10 倍。

承臺(tái)在縱橫向預(yù)應(yīng)力的作用下，會(huì)表現(xiàn)出一定程度的反拱，其與轉(zhuǎn)體荷載產(chǎn)生的碟形變形相疊加，可減少承臺(tái)變形，樁頂反力更加均勻。同時(shí)，由于預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的存在，承臺(tái)底緣應(yīng)力狀態(tài)也得到有效改善。

3.2 預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)間的確定

在轉(zhuǎn)體橋施工中，盡可能早地完成對(duì)轉(zhuǎn)體承臺(tái)基坑的回填，降低施工過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，有效保證既有鐵路路基穩(wěn)定。對(duì)于有預(yù)應(yīng)力的承臺(tái)模型，當(dāng)轉(zhuǎn)體重量未施加時(shí)，即在承臺(tái)澆筑完成并達(dá)到強(qiáng)度后就張拉承臺(tái)預(yù)應(yīng)力，樁頂反力如表1 所示。

此時(shí)，承臺(tái)頂緣最大主拉應(yīng)力為1.2MPa，小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，受力能夠滿足要求。中樁處于受拉狀態(tài)，拉力值為1463kN，該拉力值小于樁身的抗拉強(qiáng)度，樁身受力能夠滿足要求[5]。

目前，并無關(guān)于樁基在施工階段受拉對(duì)承臺(tái)樁基承載力的影響的相關(guān)研究成果，但樁基受拉勢必對(duì)樁周土產(chǎn)生擾動(dòng)，并可能導(dǎo)致樁底脫空。為避免樁基受拉對(duì)基礎(chǔ)可能產(chǎn)生的不利影響，應(yīng)控制預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)間，保證預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)，樁體不會(huì)產(chǎn)生拉力。

對(duì)于該轉(zhuǎn)體橋，確定合理的預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)間應(yīng)按以下原則進(jìn)行：

第一，預(yù)應(yīng)力張拉前，承臺(tái)底緣拉應(yīng)力不超過混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

第二，預(yù)應(yīng)力張拉后，樁基不出現(xiàn)負(fù)反力。

在不同轉(zhuǎn)體重量下的樁基反力結(jié)果，如圖6 所示。從圖中可以看出，要使樁基不出現(xiàn)負(fù)反力，應(yīng)在轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重量達(dá)到20000kN 后，張拉預(yù)應(yīng)力。未張拉預(yù)應(yīng)力承臺(tái)底緣應(yīng)力與轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重量關(guān)系，如圖7 所示。為保證張拉預(yù)應(yīng)力前，承臺(tái)底緣應(yīng)力不超限，應(yīng)在轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重量小于50000kN 時(shí)張拉承臺(tái)預(yù)應(yīng)力。

圖6 樁頂反力與轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重量關(guān)系

圖7 未張拉預(yù)應(yīng)力承臺(tái)底緣應(yīng)力與轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重量關(guān)系

基于上述原則，該橋最終確定在橋墩施工至18m時(shí)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉，此時(shí)，上轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)臺(tái)及墩身的結(jié)構(gòu)體積約為1328m3，相應(yīng)的重量約為34500kN。

4 現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用

現(xiàn)場4 處轉(zhuǎn)體重量均為16600t。實(shí)際施工過程中按照該計(jì)算模型進(jìn)行施工，張拉時(shí)間為墩柱施工至18m 時(shí)進(jìn)行，相應(yīng)重量為：20000kN＜34500kN＜50000kN。

5 結(jié)論

依托武漢至大悟高速公路跨鐵路轉(zhuǎn)體立交橋，對(duì)大噸位轉(zhuǎn)體橋承臺(tái)施工階段的受力狀態(tài)展開分析研究，分析表明：

第一，為了減小基坑深度，降低轉(zhuǎn)體承臺(tái)厚度，采用設(shè)置縱橫向預(yù)應(yīng)力的方式可有效改善大噸位轉(zhuǎn)體橋承臺(tái)受力狀態(tài)，避免承臺(tái)開裂，減少轉(zhuǎn)體階段各樁基反力不均勻的現(xiàn)象。

第二，對(duì)于轉(zhuǎn)體橋梁，應(yīng)通過有限元數(shù)值分析方法，確定承臺(tái)預(yù)應(yīng)力合理張拉時(shí)間，既要保證張拉前，承臺(tái)底緣應(yīng)力不超限值，又要保證預(yù)應(yīng)力張拉后，各樁基不出現(xiàn)拉力等不利情況。

目前，水平轉(zhuǎn)體橋梁重量已達(dá)46000t，并在不斷突破中。未來將會(huì)出現(xiàn)更大噸位的墩底轉(zhuǎn)體橋梁，轉(zhuǎn)體承臺(tái)厚度與轉(zhuǎn)體噸位之間的矛盾將更加突出，設(shè)置預(yù)應(yīng)力為轉(zhuǎn)體承臺(tái)施工提供了更大可能性。