大跨度轉體施工T 構橋轉動結構分析

楊公新 劉慧利

1 工程概況

某上跨鐵路的高速立交橋，橋跨布置為2×80 m預應力混凝土T形剛構，雙薄壁墩。主橋上部結構采用變截面單箱三室，整幅設橋。T構中間支點處梁高6.2 m，邊支點梁高2.8 m，橋面寬28.0 m，按雙向行駛八車道設計。下部結構主墩采用矩形雙壁墩。橋梁采用轉體施工，轉動結構分上下兩部分，上轉盤高3 m，寬14 m，上部有高2 m的承臺，承臺橫橋向10 m同主墩寬度，縱橋向為主墩外邊緣間距。圖1，圖2給出了轉體結構的布置圖。由于是雙幅同時轉體，結構自重很大，考慮到施工過程的安全性，現對轉動結構進行有限元分析計算。

2 結構整體靜力分析

根據圣維南原理，轉體結構的局部應力分布只與鄰近區域的應力狀態有關，遠離轉體結構的應力狀態，對其應力分布的影響很小。

在對轉體結構局部區域分析之前，首先要對全橋體系進行靜力分析，計算得到該橋在恒載作用下墩底的截面內力，并以此作為轉體結構模型加載的依據，再取脫離體建立局部空間有限元模型進行精細化分析，計算分析轉體結構的應力分布與變形情況。結構整體靜力分析采用有限元程序 MIDAS-Civil，全橋劃分為102個梁單元，計算模型如圖3所示。通過計算分析得出在恒載作用下，墩底豎向反力為157 962.99 kN。

3 轉體結構有限元計算

轉體結構局部分析采用通用有限元計算軟件ANSYS。采用實體單元Soild65模擬混凝土;用板單元Shell181模擬上球鉸球面以及下球鉸的四氟板;上球鉸和下球鉸的球面接觸采用接觸單元Conta174和Targe170來模擬。整體結構離散為76 816個實體單元和312個殼單元。圖4給出了轉體結構有限元模型。計算模型在橋墩所在的面施加均布面力來模擬橋梁上部對轉體的豎向作用力，荷載大小由結構整體靜力分析計算得出。預應力作用以等效分布面荷載的形式施加到對應表面上。

4 計算結果

4.1 位移與變形

圖5給出了轉體結構豎向變形圖。從計算結果可以看出:結構整體最大豎向變形為4.776 mm，位置在上轉盤邊緣。結構的豎向變形較小，滿足轉體施工過程中的安全要求。

4.2 應力分布情況

考慮到結構為對稱結構，為方便分析僅給出1/4結構的應力云圖。圖6～圖8分別給出了轉體結構在順橋向、橫橋向以及豎向的應力云圖。

從圖6～圖8可看出:轉體結構在順橋向最大拉應力為5.67 MPa，出現在承臺頂部中心，最大壓應力為 20.05 MPa，出現在上轉盤下部混凝土塊鋼板包裹處;結構在橫橋向最大拉應力為5.08 MPa，出現在承臺頂部中心，最大壓應力為 18.77 MPa，出現在上轉盤下部混凝土塊鋼板包裹處;結構豎向最大拉應力為1.87 MPa，最大壓應力為36.63 MPa。考慮到上轉盤也是轉體施工過程中較為關鍵的受力構件，為分析轉體結構上轉盤的受力特性，圖9～圖11單獨給出轉體體系上轉盤的應力云圖。

從上轉盤應力計算結果可以看出，轉體結構上轉盤順橋向最大拉應力為1.75 MPa，出現在上轉盤頂部中心位置;橫橋向最大拉應力為2.409 MPa，同樣出現在上轉盤頂部中心位置;豎向最大拉應力為0.745 1 MPa。最大壓應力在順橋向為16.796 MPa，橫橋向為16.124 MPa，豎向為24.163 MPa，最大壓應力均出現在上球鉸外包鋼板和混凝土連接位置。

從以上計算結果可以看出，承臺頂部中心處拉應力高度集中，上轉盤下部混凝土塊鋼板包裹處壓應力高度集中，上球鉸外包鋼板和混凝土連接位置壓應力高度集中。這3個部位的應力集中現象是整個轉體結構安全設計的關鍵。考慮到高應力區域很小，且這三處均有鋼板加強，整體上對結構性能影響較小，但應保證傳力鋼板與混凝土的連接質量，以免應力集中產生不利影響。

5 結語

由于設計和施工主要關注上轉盤的受力特性，因此本次計算著重對轉體系統的上轉盤進行了分析。從以上計算結果可以得出:1)轉體結構變形合理，沒有發現局部的失穩或突變。2)結構整體應力狀態較低，但局部存在應力集中現象，需通過一定的局部加強構造措施，保證轉體結構整體力學性能滿足施工安全要求。

［1］徐芝綸.彈性力學［M］.北京:人民教育出版社，1978.

［2］張聯燕，譚邦明.橋梁轉體施工［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［3］徐升橋，陳國立.北京市五環路曲線斜拉橋轉體施工設計［J］.鐵道標準設計，2003(10):1-5.

［4］薛 軍，任文祥.T形剛構大縱坡彎斜箱梁橋水平轉體施工技術［J］.鐵道標準設計，2005(8):33-37.

［5］李 躍，任偉東.大跨度連續剛構拱橋關鍵部位應力分析與試驗［J］.鐵道科學與工程學報，2007(8):23-27.

［6］姚國文，陳生華，周志祥.豎轉施工剛構拱橋轉動鉸接觸應力有限元分析［J］.重慶建筑大學學報，2008(6):59-62.

［7］王立中.轉體施工的公路T型剛構橋梁轉動結構設計［J］.鐵道工程學報，2006(12):41-43.