橋梁轉(zhuǎn)體施工設(shè)計與分析

董營營， 楊 森

(山東高速四川產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，四川樂山 614000)

橋梁轉(zhuǎn)體施工設(shè)計與分析

董營營， 楊 森

(山東高速四川產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，四川樂山 614000)

文章針對跨線人行天橋的轉(zhuǎn)建設(shè)施工為背景，采用有限元軟件ANSYS建立轉(zhuǎn)鉸和橋梁結(jié)構(gòu)整體模型，開展單點支承輕型化轉(zhuǎn)鉸設(shè)計、轉(zhuǎn)體牽引力計算、轉(zhuǎn)鉸詳細應(yīng)力計算和抗傾覆穩(wěn)定性計算。通過詳細的牽引參數(shù)計算，以及轉(zhuǎn)盤構(gòu)件的應(yīng)力分析，對轉(zhuǎn)體施工工藝及力學(xué)行為有了進一步認識，所得結(jié)論可為該類型橋梁的詳細設(shè)計提供有益參考。

轉(zhuǎn)體； 牽引力； 跨線人行橋； 轉(zhuǎn)鉸； 抗傾覆穩(wěn)定性

橋梁轉(zhuǎn)體施工是指將橋梁結(jié)構(gòu)或其中主要構(gòu)件在非設(shè)計軸線位置澆筑或拼裝成形后，通過轉(zhuǎn)體就位的一種施工方法。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動方向，它可分為豎向轉(zhuǎn)體施工法、水平轉(zhuǎn)體施工法(簡稱豎轉(zhuǎn)法和平轉(zhuǎn)法)以及平轉(zhuǎn)與豎轉(zhuǎn)相結(jié)合的方法，其中以平轉(zhuǎn)法應(yīng)用最多。

橋梁轉(zhuǎn)體施工技術(shù)主要包括平衡系統(tǒng)、錨扣系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和轉(zhuǎn)動系統(tǒng)四大系統(tǒng)。轉(zhuǎn)鉸必須具有轉(zhuǎn)體、承重和平衡等多種功能。依據(jù)轉(zhuǎn)動時平衡穩(wěn)定條件，轉(zhuǎn)動支承可分為單點支承和雙點支承轉(zhuǎn)動系統(tǒng)[1-3]。

轉(zhuǎn)鉸是實現(xiàn)橋梁轉(zhuǎn)體施工的關(guān)鍵，常用的轉(zhuǎn)鉸材料有混凝土和鋼材，還有一些新材料轉(zhuǎn)鉸，比如高強混凝土轉(zhuǎn)鉸、鋼纖維混凝土轉(zhuǎn)鉸，尚處于研發(fā)階段，短時間內(nèi)難以付諸工程實踐。目前，世界上鋼制轉(zhuǎn)鉸的最大轉(zhuǎn)體質(zhì)量是比利時的本艾因橋，轉(zhuǎn)體質(zhì)量達19 600 t，我國鋼制轉(zhuǎn)鉸的最大轉(zhuǎn)體質(zhì)量是滬杭高速鐵路跨滬杭高速轉(zhuǎn)體橋，轉(zhuǎn)體質(zhì)量為16 800 t。世界上混凝土轉(zhuǎn)鉸的最大轉(zhuǎn)體質(zhì)量是江蘇蘇州的跨蘇嘉杭高速公路特大橋，轉(zhuǎn)體質(zhì)量達6 320 t。本項目轉(zhuǎn)鉸立面如圖1所示。從實際工程應(yīng)用來看，過萬噸級橋梁轉(zhuǎn)體施工無一例外的采用鋼制轉(zhuǎn)鉸，混凝土轉(zhuǎn)鉸的轉(zhuǎn)體質(zhì)量大多數(shù)在6 000 t以下。究其原因，主要是因為鋼材具有很高的強度和較低的摩擦系數(shù)。鋼制轉(zhuǎn)鉸最大的問題是價格昂貴，而混凝土轉(zhuǎn)鉸則有價格低廉、易成型的優(yōu)勢，因此混凝土轉(zhuǎn)鉸值得研發(fā)并推廣應(yīng)用。

為研究鐵路曲線剛構(gòu)橋的力學(xué)行為，本文對依托工程進行了靜力和動力分析，并得出相關(guān)結(jié)論。

1 轉(zhuǎn)體牽引力計算

根據(jù)以往施工經(jīng)驗可知轉(zhuǎn)體靜摩擦系數(shù)μg一般為0.06～0.09，動摩擦系數(shù)μd一般為0.035～0.08，施工時可現(xiàn)場實測，并采取如在聚四氟乙烯板上添加黃油等措施來減小靜、動摩擦系數(shù)，從而減小牽引力。

轉(zhuǎn)體牽引裝置設(shè)置在上轉(zhuǎn)盤兩側(cè)，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)壓力的形心在2/3r處。根據(jù)力矩平衡∑M=0可得[4]：

(1)

即：

(2)

其中：G為轉(zhuǎn)體重量；R為上轉(zhuǎn)盤外半徑；r為轉(zhuǎn)鉸半徑。若取μg=0.08，G=1500 kN，R=2 m，r=1 m，則F=20 kN。

2 轉(zhuǎn)鉸應(yīng)力計算

以某跨鐵路輕型人行橋為例，轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)采用C50鋼筋混凝土，上部結(jié)構(gòu)為T型不對稱懸臂剛構(gòu)，跨徑組合為15 m+21.5 m，密度按2.6 t/m3計算，根據(jù)模型計算可知主梁和橋墩總重為173.37 t，平衡重(配重)為16.59 t。

采用有限元分析軟件ANSYS建模，結(jié)果如圖2～圖5所示(負值為壓應(yīng)力，正值為拉應(yīng)力，單位為MPa)。計算結(jié)果表明，轉(zhuǎn)盤最大壓應(yīng)力為4.04 MPa，最大拉應(yīng)力為0.89 MPa，應(yīng)力滿足設(shè)計要求。設(shè)計中上、下轉(zhuǎn)盤均用鋼板套箍，不但減小轉(zhuǎn)體的靜、動摩擦系數(shù)，同時也增加了轉(zhuǎn)盤的強度，使結(jié)構(gòu)更加安全可靠。

3 抗傾覆穩(wěn)定計算

結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性取決于結(jié)構(gòu)平衡力矩與傾覆力矩二者之間的關(guān)系，結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為：

(3)

其中：ΣMp為平衡彎矩總和；ΣMq為傾覆彎矩總和。

通過計算可知，本橋平衡彎矩ΣMp=6 228.81 kN·m，傾覆彎矩ΣMq=1 462.16 kN·m，故結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)Kp=4.26，故本橋結(jié)構(gòu)滿足抗傾覆穩(wěn)定要求。

4 結(jié)論

通過結(jié)構(gòu)檢算，主要有如下結(jié)論和建議：

(1) 大型特殊橋梁轉(zhuǎn)鉸復(fù)雜、轉(zhuǎn)盤巨大、制作精度高、現(xiàn)場安裝難度大、所占場地大、造價高，不適用于既有線輕型橋梁轉(zhuǎn)體需要，轉(zhuǎn)鉸結(jié)構(gòu)需滿足簡單、小巧、造價低廉；牽引設(shè)備簡單、輕便、方便操作；轉(zhuǎn)體過程平穩(wěn)、安全，有足夠保險系數(shù)；通用、便于制作安裝等要求。

(2) 轉(zhuǎn)鉸設(shè)計為混凝土下嵌式無中軸平面鉸。轉(zhuǎn)鉸結(jié)構(gòu)簡單、體積小、便于制作安裝；采用人工手拉鏈條葫蘆牽引轉(zhuǎn)體，轉(zhuǎn)體牽引設(shè)備簡單、輕便、方便操作；保險腿的設(shè)置提高了轉(zhuǎn)體安全系數(shù)；聚四氟乙烯板的設(shè)置，可減小上、下轉(zhuǎn)盤間的摩擦系數(shù)。

(3) 轉(zhuǎn)盤最大壓應(yīng)力為4.04 MPa，應(yīng)力滿足設(shè)計要求。設(shè)計中上、下轉(zhuǎn)盤均用鋼板套箍，不但減小轉(zhuǎn)體的摩擦系數(shù)，同時也增加了轉(zhuǎn)盤的強度，使結(jié)構(gòu)更加安全可靠。

[1] 張聯(lián)燕,譚邦明,陳俊卿,等.橋梁轉(zhuǎn)體施工[M].北京:人民交通出版社,2001.

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U445.465

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[定稿日期]2017-08-08