跨鐵路獨塔斜拉橋超大噸位轉體系統仿真分析研究

【摘要】

某跨鐵路（150+150） m獨塔斜拉橋采用轉體施工，轉體噸位3.6萬t，屬于超大噸位，國內罕見。為研究其轉體系統穩定性及安全性，采用有限元分析軟件MIDAS FEA作為主要計算程序。結果表明：軸壓狀態上轉盤主拉應力大于2.7 MPa，主要位于鋼束錨固端，主壓應力最大為15.2 MPa，位于球鉸周邊。縱向傾覆穩定系數7.75，橫向傾覆穩定系數18.06，均大于2.5，滿足要求。牽引所強度利用率2.8，滿足要求。

【關鍵詞】轉體施工； 斜拉橋； 超大噸位； 有限元； 穩定系數

【中圖分類號】U445.465【文獻標志碼】A

［定稿日期］2023-08-18

［作者簡介］翁雪峰（1990—），男，碩士，工程師，研究方向為特殊結構橋梁設計。

當前，在道路規劃過程中對跨越鐵路往往采用橋梁方案，為減小對鐵路影響，轉體施工已經成為橋梁施工首選方案。橋梁轉體施工不僅能夠最大程度上減小對既有交通線路運營的影響，同時也能夠憑借墩身的球鉸來完成跨越既有線路的建設任務［1-2］。橋梁轉體施工具有精度要求高、操作過程復雜以及技術難度大等特點。文望青等［3］對某雙幅預應力混凝土矮塔斜拉橋轉體施工過程中進行驗算。

目前，跨鐵路橋梁的跨度不斷增加，轉體的重量也越來越大，轉體系統的分析也較為復雜［4-5］。某跨鐵路立交橋采用（150+150）m 獨塔斜拉橋，轉體重量超過35 000 t，為研究其轉體系統穩定性及安全性，采用有限元分析軟件MIDAS FEA建立三維有限元模型進行分析。

1 工程概況

某跨鐵路橋采用獨塔斜拉橋跨越鐵路5股道，設計時速40 km/h，道路等級為城市主干路，其跨徑布置為（150+150） m，主橋立面如圖1所示。橋梁設計荷載為城-A級×1.3，抗震設防烈度為8度，采用轉體施工，轉體重量為：35 000 t，轉體長度為（142.5+142.5） m，道路設計線與既有鐵路交角為32°。

轉體結構設置在5號墩底部，由轉盤、球鉸、撐腳、環形滑道、牽引系統和助推系統等部分組成。

轉體下轉盤為橋墩的承臺，轉體完成后，與上轉盤共同形成橋梁基礎，下轉盤采用C55混凝土。下轉盤設置轉體系統的下球鉸直徑7.5 m、環形滑道中心直徑為15.3 m。

轉體上轉盤順橋向18 m，橫橋向18 m，高4.5 m（轉臺直徑17 m，高度1.1 m）。上轉盤下設有8組撐腳，每組撐腳由2個600×30 mm的鋼管混凝土組成，下設30 mm厚鋼板，鋼管內灌注C55微膨脹混凝土，撐腳與下滑道的間隙為20 mm。

轉體球鉸采用鋼球鉸，分上下2片，球體半徑R7 500 mm，設計豎向承載力為530 000 kN。轉體系統如圖2和3所示。

2 有限元模型

為分析超大噸位跨鐵路獨塔斜拉橋穩定性和安全性，采用有限元分析軟件MIDAS FEA建立三維有限元模型進行分析。所建立的有限元模型如圖4所示。

模型考慮了球鉸及其以上荷載310 744.5 kN，該荷載按均布荷載垂直作用在牽引盤底部球鉸范圍內的面上。上轉盤縱橫向鋼束采用15-s15.2高強度低松弛預應力鋼絞線，標準強度為1 860 MPa，拉控制應力均為1 209 MPa。

根據JTG 3362-2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》，第7.2節短暫狀況構件應力計算要求，應符合表1要求。

3 轉體系統分析

3.1 上轉盤受力性能分析

3.1.1 Sxx正應力計算結果

軸壓狀態最大拉應力為0.6 MPa，大于0.6 MPa的部分主要位于鋼束錨固端（圖5）。偏壓狀態最大拉應力為2.5 MPa，位于球鉸X方向附近（圖6）。

3.1.2 Syy正應力計算結果

軸壓狀態最大拉應力為0.5 MPa，大于0.5 MPa的部分主要位于鋼束錨固端（圖7）。偏壓狀態最大拉應力為2.0 MPa，位于球鉸Y方向附近（圖8）。

3.1.3 主拉應力計算結果

軸壓狀態主拉應力大于2.7 MPa的部分主要位于鋼束錨固端（圖9、圖10）。

3.1.4 主壓應力計算結果

主壓應力最大為15.2 MPa，且位于球鉸周邊（圖11）。

3.2 傾覆穩定性計算

結構的傾覆穩定性安全系數為結構自重構成的抗傾覆力矩與風力等構成的傾覆力矩二者之比，傾覆穩定性安全系數應大于2.5（圖12）。

轉體施工時結構處于最大懸臂狀態，轉體重量主要包括轉體范圍梁部、橋墩、上轉盤、部分二恒載重量總重369 471 kN。

根據JTG/T 3360-01-2018《公路橋梁抗風設計規范》附錄A取當地區十年一遇風速：U10=26.6 m/s；百年一遇風速：U10=32.6 m/s；地表分類為B類，地表粗糙度系數為0.16。主梁自重不平衡按3%計，未考慮平衡壓重效應。

經計算，縱向穩定系數7.75，橫向穩定系數18.06，均大于2.5，滿足要求。

3.3 轉動牽引力驗算

（1）正常轉動情況轉動牽引力計算。

T＝2/3×（R·W·μ）D

R＝3.435 m，W＝369471 kN，D＝17 m，靜摩擦系數μj＝0.1，動摩擦系數μd＝0.06，計算結果：

啟動時所需最大牽引力T＝2/3×（R·W·μj）D＝4977 kN。

轉動過程中所需牽引力T＝2/3×（R·W·μd）D＝2986 kN。

（2）偏載轉動情況轉動牽引力計算。

T＝2/3×（R·（W-Nc）·μ）D+μ·Nc·Rc/D

Nc＝21098 kN，Rc＝7.65 m，計算結果：

啟動時所需最大牽引力T＝2/3×（R·（W-Nc）·μj）D+μj·Nc·Rc/D＝5642 kN。

轉動過程中所需牽引力T＝2/3×（R·（W-Nc）·μd）D+μd·Nc·Rc/D＝3385 kN。

（3）牽引索受力驗算。

兩套牽引系統形成水平旋轉力偶，通過拽拉錨固且纏繞于直徑1 700 cm的轉臺圓周上的40-s15.2 mm鋼絞線，使得轉動體系轉動。牽引索破壞力：

F＝1395×140×40÷1000=7812 kN ＞T最大＝5642/2=2821 kN。

強度利用率：7812÷2821=2.8

牽引索有足夠的安全系數，滿足要求。

4 結束語

運用有限元軟件Midas FEA建立某超大噸位（36 947 t）跨鐵路獨塔斜拉橋轉體系統有限元模型，結合手算方式，重點分析了轉體系統穩定性及安全性。計算結果表明，上轉盤的受力、轉體的傾覆穩定、牽引系統的安全性均滿足要求。本文采用的超大噸位獨塔斜拉橋的轉體系統可以為后續同類橋型提供參考。

參考文獻

［1］ 張金華.上跨既有鐵路大噸位橋梁轉體施工技術［J］.黑龍江交通科技，2021， 44（8）：133-134.

［2］ 宋嘉宇，姚杰，鄔曉光，等.轉體施工球鉸應力計算方法的研究［J］.公路，2022，67（8）：137-141.

［3］ 文望青，林騁，王斌，等.雙幅同步轉體矮塔斜拉橋設計［J］.橋梁建設，2021，51（2）：112-117.

［4］ 姜浩.T構橋轉體牽引力及轉體過程結構行為研究［D］.重慶交通大學，2020.

［5］ 王強.高速公路跨鐵路立交橋連續梁轉體施工不平衡稱重分析［J］.交通世界，2022（20）：156-158.