超寬異形鋼箱梁轉體橋轉盤結構受力精細化分析

摘" 要：超寬異形不對稱鋼箱梁的結構重心不在球鉸中心線上，且偏心距大。偏心荷載會對轉體穩定產生不利影響，可通過配重調整結構中心位置，有必要研究偏載作用下的轉盤結構的受力及變形特點。該文以某超寬異形鋼箱梁轉體施工為例，建立轉體結構的三維有限元精細模型，施加不同大小的偏心荷載，分析比較上轉盤及下轉盤的受力和變形特點。研究表明，當轉體結構處于一定的偏載作用下時，結構受力和變形可滿足穩定要求。隨著偏心距的增大，轉盤結構的變形和應力水平均有提高，施工過程中應盡量減小不平衡重。

關鍵詞：超寬;異形;轉體;轉盤;球鉸;受力分析

中圖分類號：U445.4" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）02-0114-04

Abstract： The structural center of gravity of ultra-wide special-shaped asymmetric steel box girder is not on the center line of the spherical joint， and the eccentricity is large. Eccentric loads will have adverse effects on the stability of the swivel. The center position of the structure can be adjusted by counterweight. It is necessary to study the stress and deformation characteristics of the turntable structure under eccentric loads. Taking the swivel construction of an ultra-wide special-shaped steel box beam as an example， a three-dimensional finite element fine model of the swivel structure is established， and different eccentric loads are applied to analyze and compare the force and deformation characteristics of the upper turntable and the lower turntable. The research shows that when the swivel structure is under certain eccentric load， the force and deformation of the structure can meet the stability requirements. As the eccentricity increases， the deformation and stress levels of the turntable structure increase， and unbalanced weights should be reduced as much as possible during the construction process.

Keywords： ultra-wide; abnormal shape; swivel; turntable; spherical hinge; force analysis

隨著我國橋梁建設的發展，轉體施工在跨鐵路橋梁的施工中應用得越來越廣泛[1]。在橋梁轉體施工中，最為核心的節點是轉盤及球鉸，是要求最為精細的構件。球鉸一般在工廠加工制作，經調試后在現場安裝，其質量好壞直接關系到橋梁施工的成敗。球鉸在施工過程中的受力情況，對結構的安全穩定有較大影響[2]。

橋梁在轉體施工前，會通過調平等措施，盡量讓結構處于平衡狀態。但是由于測量誤差及轉體過程中的風荷載作用等，橋梁在轉體過程中會受到一定大小的偏心荷載作用，轉體結構處于偏心受壓狀態。轉體結構在偏載狀態下易發生材料磨損、轉動鎖死等現象，嚴重時會導致轉體失敗。所以轉體結構在不同偏心受壓狀態下的受力和變形特點，具有相當大的研究價值。

現階段的相關研究中，肖宇松等[3]分析了極不平衡橋梁轉體施工存在的特殊問題，推導了球鉸計算的相關簡化計算公式。張雷等[4]介紹了特大噸位斜拉橋的轉體設計。張鵬等[5]研究了偏載作用下的球鉸結構受力分析。

現階段的研究主要集中在規則橋梁轉體過程中的轉盤及球鉸受力分析，但對于異形橋梁其調平更加復雜，在風荷載及溫度作用下更容易產生不平衡荷載，故對異形轉體橋梁的轉體分析顯得更有必要。本文以超寬異形鋼箱梁轉體施工為例，研究了其轉體結構在不同偏心受壓狀態下的受力和變形特點，可為同類工程提供參考。

1" 項目概況

研究對象為（95+95） m變寬不等高異形整體T構鋼箱梁橋，立交主線與匝道合并為一整幅橋梁，橋面寬度40.5～99.8 m，梁高3.5～5.2 m。其中北側匝道部分高出約2.0～4.5 m。中主墩與鋼箱梁固結。橋面設計為5條不同向車道，橋梁平面布置如圖1所示。

轉體主橋自東向西依次跨越機場聯絡線、滬昆高鐵、滬蘇湖鐵路及改線滬昆鐵路等7條鐵路，與鐵路夾角為79°，橋梁施工采用平面轉體工藝。

2" 轉體系統組成

鋼箱梁轉體施工是通過在上下轉盤內設置球鉸，以千斤頂牽引預埋在轉盤及撐腳內的牽引索帶動上轉盤以球鉸銷軸為中心旋轉來實現的。為確保施工順利完成，轉體前做詳細的現場調研及施工準備，并進行試轉，通過試轉調整參數后進行正式轉體，轉體結束后，進行約束固定。本橋梁順時針旋轉110°，轉體過程在鐵路封鎖點內進行。橋梁轉體示意圖如圖2所示。

球鉸轉動結構主要由承重系統、牽引系統和平衡系統三大部分構成。承重系統由上轉盤、下轉盤和轉動球鉸構成;下轉盤為支撐轉體結構全部重量的基礎。上下轉盤之間設轉動球鉸，通過球鉸使上轉盤相對于下轉盤轉動，達到轉體目的。上轉盤的主要構件為上球鉸、撐腳等;下轉盤的主要構件為下球鉸及骨架、撐腳的環形滑道及骨架等。轉動結構構造尺寸如圖3所示。轉動結構各組成部件如圖4所示。

3" 轉盤受力分析

橋梁轉體過程中，受風荷載及其他不平衡荷載的影響，轉動結構會受到偏心力作用。為研究轉動結構在不同偏心作用下的受力特性，建立三維有限元模型，分析轉動結構的變形和受力情況。

采用Midas FEA軟件，分別建立上轉盤及下轉盤的空間實體模型進行分析，模型如圖5所示。

3.1" 無偏心狀態受力分析

上轉盤在轉體時保持良好的受力狀態，正拉應力σ最大為1.34 MPa（限值1.89 MPa），出現于轉盤上部;正壓應力σ最小為-9.15 MPa（限值-24.4 MPa），出現于轉盤底部位置，均小于C55混凝土的容許值。上轉盤豎向位移最大值-1.01 mm。上轉盤底部正應力云圖如圖6所示，豎向位移云圖如圖7所示。

下轉盤在轉體階段保持良好受力狀態，正拉應力小于1.43 MPa，正壓應力大部分區域大于-6.62 MPa，最小為-12.4 MPa，出現于下轉盤頂部與球鉸交接處，均小于C55混凝土的容許值。下轉盤豎向位移最大值-11.17 mm。下轉盤頂部正應力云圖如圖8所示，豎向位移云圖如圖9所示。

3.2" 偏心狀態受力分析

針對橋梁重心偏心10 cm狀態下轉盤的受力進行分析。上轉盤正拉應力σ最大為1.53 MPa，出現于轉盤上部;正壓應力σ最小為-9.28 MPa，出現于轉盤底部位置，均小于C55混凝土的容許值。上轉盤豎向位移最大值-1.06 mm。上轉盤頂部正應力云圖如圖10所示。

下轉盤在轉體階段保持良好受力狀態，正拉應力大部分區域小于0.92 MPa，最大為1.43 MPa，出現于預應力錨固處之間，正壓應力大部分區域大于-6.76 MPa，最小值為-13.05 MPa，出現于下轉盤與球鉸交接處，均小于C55混凝土的容許值。下轉盤豎向位移最大-11.30 mm。下轉盤底部正應力云圖如圖11所示。

3.3" 不同偏心距情況下受力對比分析

將上部荷載以集中力形式施加在模型中心，分別考慮不偏心及偏心5、10、15 cm，共4種工況。上轉盤和下轉盤的受力和變形數據見表1和表2。

根據表1及表2計算結果進行對比分析，可得如下結論：①4種工況下，上下轉盤的結構受力和變形均滿足規范要求;②隨著偏心值的增大，上下轉盤結構的應力值及豎向位移值均逐漸增大。偏心值每增大5 cm，上轉盤正拉應力增加幅度約7%，正壓應力增加幅度約0.6%，豎向位移增加幅度約2%。偏心值每增大5 cm;下轉盤正拉應力變化較小，正壓應力增加幅度約3%，豎向位移增加幅度約0.5%。對于規范規則橋梁轉體，規范允許偏心距控制在15 cm以內，從對本橋的分析結果來看，轉盤受力并不是控制因素，主要的控制因素應為轉體橋梁整體的抗傾覆穩定系數。

4" 結束語

對于超寬異形鋼箱梁轉體施工時轉動系統的受力狀態應重點關注，本文以某轉體施工的超寬異形鋼箱梁T構橋為例，建立上下轉盤的三維有限元模型，分析了不同偏心距情況下上轉盤及下轉盤的受力和變形特點，隨著偏心值的增大，上下轉盤結構的應力值及豎向位移值均逐漸增大，施工中應采取相關措施，盡量減小不平衡荷載作用，確保轉動系統受力的安全。

參考文獻：

[1] 程飛，張琪峰，王景全.我國橋梁轉體施工技術的發展現狀與前景[J].鐵道標準設計，2011（6）：67-71.

[2] 李衛平.橋梁轉體施工過程中球鉸應力研究[J].現代城市軌道交通，2020（2）：26-31.

[3] 肖宇松，陳銀偉.極不平衡橋梁轉體球鉸設計方法[J].鐵道建筑，2019，59（11）：26-28.

[4] 張雷，周岳武，楊斌.唐山二環路特大噸位轉體斜拉橋設計[J].世界橋梁，2019，47（6）：6-10.

[5] 張鵬，劉上，文永超，等.轉體球鉸偏心距計算及偏載作用下結構受力分析[J].河南科技，2023，42（20）：36-42.

第一作者簡介：肖飛（1986-），男，工程師。研究方向為鐵路工程及涉鐵工程管理。