橋梁大噸位轉體承臺的優化設計研究

彭 侃

（江西省交通設計研究院有限責任公司,江西 南昌 330002）

0 引言

隨著轉體施工技術發展和經驗積累，橋轉體跨徑與噸位也在不斷突破，這對轉體承臺設計不斷提出更高要求。工程應用中，多數承臺設計偏于保守，承臺厚度余富過大，造成開挖基坑深度加大，不但增加基坑開挖和支護工程量，而且可能對關聯線路形成更大擾動隱患。所以優化承臺設計，獲得安全適用的承臺厚度，對保證橋梁質量安全、控制基坑開挖工程量、降低承臺施工對既有線路影響以及節省工程造價，均具有工程實用意義。

1 承臺優化設計方案

研究以某西溪連續剛構特大橋的轉體承臺作為工程背景，下承臺采取樁基承臺，其平面形狀呈矩形，規格22.80×16.00×5.60 m，上承臺長方形，規格15.00×15.00×3.50 m，中間為1.00 m 高度的后澆段，樁基采取12 根徑值為2.80 m 的鉆孔灌注樁。

優化設計后的圓形承臺其橫截面積和厚度相等，承臺下有9 根樁徑2.80 m 的鉆孔灌注樁，呈環狀配置。為了保證承臺旋轉過程的整體穩定性和安全性，對承臺外包鋼板進行了改進，采取在鋼板的內側焊接栓釘，然后澆注混凝土工藝，外包鋼板厚20.00 mm，使用Q345 鋼材，通過加工制成目標形態。

2 優化下承臺設計的承臺應力影響

為了研究優化下承臺設計對承臺應力的影響，根據等面積原則，將上承臺的橫截面統一配置為圓形。采取整體建模分析，模型中的所有節通過四面體過渡單元完成節點重合，其余節點通過映射網格進行劃分，其有限元模型具體如圖1 所示。

圖1 優化前后下承臺有限元網絡模型

2.1 對稱載荷下的承臺應力影響

（1）勻速旋轉階段。在對稱載荷和旋轉牽引力的影響下，優化前后的承臺，最大應力的發生位置大體相同，均在球鉸接觸邊緣，承臺上下表面應力集中的部位發生最大拉應力，最大拉應力值均低于材料強度要求，應力安全，優化前后的應變模擬結果如表1 所示[1]。

數據顯示，當下承臺為圓形時，其最大拉應力下降24.00%，最大壓應力下降21.00%，上承臺拉壓應力和局域拉應力的最大值變化不大。圓形承臺的球鉸應力更加均勻，接觸應力為7.61～40.75 MPa 之間，而原承臺的最大接觸應力44.34 MPa，增加了8.81%，承臺垂向移位增加11.00%。采取球鉸正下方配樁時，上承臺沒有影響，下承臺的應力狀態得到改進。

（2）加速運轉階段。為了分析下承臺優化設計后對承臺加速運轉階段的應力影響，以最大旋轉加速度為基礎，表2 給出了6 個角加速度條件所對應的牽引力，以節點載荷的形式施加到整個模型的牽引節點上，并考慮了上部結構的自重載荷。

表2 與角加速度對應的牽引力值

分析顯示，在加速旋轉階段，對稱載荷和牽引力的共同影響下，下承臺的角加速度優化前后，對拉伸應力呈現隨加速度增大的影響，承臺拉伸區域的最大應力也會加大，兩者之間近似呈拋物線關系，上承臺受拉區域的最大拉應力，優化前后基本相同。加速旋轉階段，角加速度變化對承臺最大壓應力影響很小，承臺最大壓應力呈總體一致的變化趨勢。

2.2 不平衡載荷的承臺應力效應影響

為了分析不平衡載荷的承臺應力效應影響，以當前不平衡力矩為基準，把不平衡載荷分別設置為0 Mg、1 Mg、2 Mg、3 Mg、5 Mg、10 Mg，各工況載荷值具體如表3 所示。分別將各工況所對應的不平衡力矩施加至有限元模型，以分析不平衡載荷對承臺的影響，此模擬分析考慮結構自身重量載荷影響。

表3 各工況的不平衡載荷值

在不平衡載荷和旋轉牽引的共同影響下，承臺拉應力優化前后呈現基本一致的變化規律，都隨不平衡力矩的加大而單調增加，因為球鉸正下方是樁基，圓形承臺的最大拉應力較原承臺減小了約18.98%。隨著不平衡力矩的加大，最大主壓應力的變化則較小，優化前后下承臺的最大壓應力存在25.24%左右的差值。在不平衡載荷和旋轉牽引的共同影響下，承臺各結構部件的應力和形變結果對比如表4 所示[2]。

表4 下承臺優化前后自重載荷下的應力應變結果比較

數據對比可知，在不平衡載荷和對稱載荷作用下，圓形承臺和原承臺外主要構件的應力都滿足要求，均低于所選材料強度；在不平衡載荷條件下，圓形承臺和原承臺的應力值都大于對稱載荷條件下的應力值，因為中樁作用，圓形承臺的混凝土應力和垂向形變均相對低于原承臺。

3 優化上承臺設計的承臺應力影響

3.1 對稱載荷下的承臺應力影響

（1）勻速旋轉階段。在對稱載荷和旋轉牽引力的共同影響下，上承臺的底部壓應力呈現從承臺中心向外逐步加大的分布規律，在牽引盤區混凝土和球鉸區混凝土的結合處達到最大，然后逐步減小。原承臺的應力值處于6.05～13.23 MPa 之間，因為外鋼板對混凝土的箍緊作用，外包鋼板承臺應力比原承臺更均勻，其最大壓應力在11.34 MPa 左右。另外承臺周圍的混凝土會產生拉力，可達0.208 MPa 最大拉應力，該值低于混凝土C60 的強度標準。在球鉸傳導的較大壓力下，承臺底部會產生巨大的拉應力，兩者的分布規律基本相同，都是在球鉸正下方獲得最大拉應力，外包鋼板承臺為1.73 MPa，原承臺為1.66 MPa，優化前后的上承臺應力應變對比具體如表5 所示。

表5 優化前后下承臺自重載荷下的應力應變比較

數據顯示，應用外包鋼板承臺時，因局域承壓引發的拉應力，上承臺的最大壓應力均降低約14.00%，最大拉應力均降低了約26.00%，顯示最大應力變化不大。因為外包鋼板承臺的整體垂向剛度比原承臺大，所以外包鋼板承臺的垂向移位低于原承臺，外包鋼板承臺的球鉸接觸應力的分布比較均勻。

（2）加速運轉階段。為了分析上承臺優化設計后對承臺加速運轉階段的應力影響，以節點載荷的形式，將表3 中的6 個角加速度所對應的牽引力，分別施加至模型牽引節點，此處計算考慮了上部結構的自身重量載荷影響。角加速度的拉應力影響如下，上承臺優化前后，承臺局域受拉區域的最大應力隨角加速度加大而加大，呈現拋物線變化。在相同的角加速度下，外包鋼板承臺的拉應力顯著低于原承臺的拉應力，當4×10-3rad/s2角速度條件下，外包鋼板上承臺的最大局域拉應力仍低于材料的許用應力，表明外包鋼板承臺足以保證安全轉動。在加速旋轉階段，因為外包鋼板的箍效應，混凝土應力顯著低于原承臺的應力。承臺最大壓應力隨角加速度增加的變化影響很小，變化趨勢基本一致[3]。

3.2 不平衡載荷的承臺應力效應影響

將表上述表3 設定的6 個不平衡載荷工況的對應力矩，加至有限元模型，模擬分析不平衡載荷的承臺應力效應影響。模擬分析考慮上部結構的自身重量載荷。

在不平衡載荷和旋轉牽引的共同影響下，隨著力矩的加大，上承臺拉力區逐步向偏心側偏移，在偏心側發生最大拉應力，不平衡載荷與最大拉應力呈現近似拋物線關系。在相同載荷條件下，優化前后的上承臺拉應力增長速度存在較大差異。外包鋼板承臺的增長速度顯著低于原承臺的增長速度。當不平衡力矩為10 倍時，外包承臺發生的最大拉應力要比原承臺低約29.77%，表明外包鋼板不但能傳導壓力，而且還具有力平衡作用，即具有更強的適應不平衡載荷能力。隨著不平衡力矩加大，上承臺最大主壓應力變化較小，因為混凝土受鋼板約束，承臺的最大壓應力優化前后上相差約16.96%，在不平衡載荷和旋轉牽引力作用下，承臺構件應力應變模擬結果如表6 所示。

表6 優化前后上承臺自重載荷下的應力應變模擬結果比較

比較表5 和表6 數據可知，外包鋼板承臺和原承臺主要構件，在對稱載荷和不平衡載荷下的應力均低于材料強度，符合工程安全需求。外包鋼板承臺的偏心側和不偏心側，在對稱載荷作用下的應力差異并不大，而在不平衡載荷作用下，原承臺的應力增加較多，表明外包鋼板承臺具有較強的適應不平衡載荷的能力。

4 承臺最小厚度的取值分析

4.1 下承臺的最小厚度取值分析

應用ANSYS 分析轉體承臺下承臺的最小厚度，使承臺厚逐漸減小，直至滿足承載力要求，下承臺最小厚度為承臺在斜壓桿達到設計抗壓強度時的厚度，承臺厚度計算結果如表7 所示。

數據表明，下承臺厚度的工程設計值和規范計算結果的誤差為30%～33%，表明下承臺厚度符合抗沖切規范要求，并且過多富余。與12 樁的原承臺模擬結果存在55.56%的誤差，表明設計規范偏于保守，與9 樁優化承臺的模擬結果存在64.71%的誤差，說明在樁數減少33%情況下，采取環形布樁和圓形承臺仍可獲得較大的承臺載承力，所以旋轉承臺以在球鉸下方布樁的效果更好。

4.2 上承臺的最小厚度取值分析

外包鋼板更有利于上承臺。應用ANSYS 分析轉體上承臺的最小厚度，使承臺的厚度逐漸減小，直至滿足載承力承載要求。上承臺最小厚度取核心區最大混凝土壓應力值或承拉局域最大混凝土拉應力值，承臺厚度計算結果如表8 所示。

表8 采取優化措施前后上承臺厚度對比

表中的數據表明，應用外包鋼板法后，上承臺厚度從1.80 m 減少至1.50 m，減少了16.67%，表明鋼板能有效提高承臺的承載能力，防止承臺產生局域拉伸破壞。還可以發現，設計厚度與模擬厚度存在38.89%～66.67%范圍的誤差，表明工程的設計厚度偏大。優化設計后上承臺厚度被大幅度降低，工程中將一定程度降低開挖深度，從而利于降低對既有線路的施工影響。

5 結語

介紹了案例承臺優化設計方案、優承臺設計的上下承臺應力影響以及承臺最小厚度的取值分析結果。研究顯示，在對稱荷載影響下，當轉速保持恒定時，優化前和優化后的承臺及球鉸所承受的最大應力均低于材料容許應力，優化設計功效明顯，圓形承臺的最大壓應力降低24%，最大拉應力降低21%。采取鋼板環箍設計，外包承臺在同一角加速度下所承受的應力明顯低于其他類型的承臺，外包鋼板承臺具有更好地適應不平衡荷載的能力，基于規范計算獲得的承臺厚度偏于保守。通過有限元模擬計算，則下承臺厚度可減少55.56%，上承臺厚度可減少38.89%；采取圓形承臺設計則下承臺厚度可減少64.71%，采取外包鋼板設計則上承臺厚度可減少66.67%。