橋梁平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體施工中球鉸的數(shù)值模擬技術(shù)

江鑫

【摘 要】T型剛構(gòu)橋平轉(zhuǎn)施工技術(shù)，是通過將上部構(gòu)造澆筑完畢后，以橋梁結(jié)構(gòu)本身為轉(zhuǎn)動體，利用一些機(jī)具設(shè)備，轉(zhuǎn)動到設(shè)計(jì)位置的施工技術(shù)。球鉸是轉(zhuǎn)體施工體系中最為關(guān)鍵的構(gòu)造。本文通過有限元手段建立了一種轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)盤球鉸構(gòu)造的數(shù)值模擬方法，模擬分析結(jié)果為橋梁轉(zhuǎn)體施工的數(shù)值模擬技術(shù)研究以及工程設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體施工；數(shù)值模擬方法；轉(zhuǎn)體牽引力

【Abstract】The bridge rotation construction is a kind of construction technology，which is when the superstructure is completed，using the bridge itself as the rotating body，to turn around to the design position by some equipment.The swiel hinge is the key structure of this construction.This paper presents the finite element analysis using ANSYS on the behavior of the swiel hinge in the bridge rotation construction.The solution of the simulation provides reference and practical base for the numerical simulation and the design of the bridge rotation construction.

【Key words】Bridge rotation construction；Swivel hinge；Numerical simulation

1 轉(zhuǎn)體體系組成

平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)由上轉(zhuǎn)盤、球鉸、下轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)動牽引系統(tǒng)組成：

轉(zhuǎn)體下盤作為轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，要承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)下傳的所有重量；轉(zhuǎn)動球鉸是平轉(zhuǎn)施工體系的關(guān)鍵部位，它是轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)向下傳遞荷載的直接承擔(dān)者，它制作精度的高低關(guān)系到轉(zhuǎn)體施工的能否成功。根據(jù)功能不同它又可細(xì)分為上球鉸、下球鉸和中心銷軸三部分。上球鉸支撐著整個轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，下球鉸與基礎(chǔ)相連，中心銷軸控制這上下轉(zhuǎn)盤的相對位置。當(dāng)上球鉸相對于下球鉸水平轉(zhuǎn)動時，帶動整個轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)完成轉(zhuǎn)體。

2 數(shù)值模型模擬方法

2.1 模擬手段與分析內(nèi)容

本文選用Ansys軟件進(jìn)行計(jì)算，只模擬球鉸部分構(gòu)造，采用shell單元模擬上下球鉸，利用均布荷載模擬上部結(jié)構(gòu)自重，上下球鉸間建立接觸單元模擬球鉸接觸。本節(jié)內(nèi)容主要包括以下幾個部分：1）計(jì)算球鉸的受力情況，分析在不同的不平衡彎矩作用下的球鉸受力，主要分析球鉸間的正壓力和摩擦力。2）根據(jù)正壓力和摩擦力的計(jì)算結(jié)果計(jì)算球鉸在有或無不平衡彎矩作用下的轉(zhuǎn)動摩阻力矩，從而推算出轉(zhuǎn)動牽引力。模型見圖1。

2.2 接觸單元罰剛度定義原則

Ansys分析中，接觸單元罰剛度的取值決定了數(shù)值模擬的可靠性，本文中數(shù)值模擬分析原則是：在滿足收斂的前提下，盡可能取較大的罰剛度值，且保證單元侵入度的數(shù)量級足夠小，即模擬結(jié)果認(rèn)為接觸單元與目標(biāo)單元相互間的侵入值基本可以忽略不計(jì)。本文模擬中，最終罰剛度取值為0.085。在該接觸罰剛度取值下，單元侵入度量級在10-2mm以內(nèi)。

2.3 數(shù)值模擬工況

工況一：單球鉸支承-稱重荷載

該工況為去除臨時約束后，完全由球鉸承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)自重與不平衡力矩。根據(jù)稱重結(jié)果，縱向不平衡彎矩為3552.1kNm，橫向不平衡彎矩為2841.7kNm。

工況二：單球鉸支承-分級荷載

該工況是為了研究在不同等級的不平衡力矩的作用下，球鉸間接觸受力情況。該分析結(jié)果有利于為今后的球鉸受力提供理論依據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 工況一計(jì)算結(jié)果

圖2顯示了工況一作用下接觸應(yīng)力分布，可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)力不平衡彎矩作用使得接觸壓應(yīng)力呈現(xiàn)不對稱分布。球鉸接觸壓應(yīng)力整體分布趨勢為中間大邊緣小，接觸中心處球鉸接觸壓應(yīng)力為16.2MPa，邊緣位置處最小接觸壓應(yīng)力為10.4MPa。且分布形式與加勁肋的分布形式有一定關(guān)系。

3.2 工況二計(jì)算結(jié)果

為了研究在不同的不平衡力矩作用下球鉸的接觸狀態(tài)，應(yīng)力等情況，對球鉸進(jìn)行分級加載計(jì)算。即在自重作用下，對結(jié)構(gòu)施加不同級別的彎矩值。一共分為8個荷載等級，最大彎矩值為22000kNm。

根據(jù)以上計(jì)算分析結(jié)果，在沒有偏心彎矩作用，只有豎向軸力作用時，整個球鉸的接觸壓應(yīng)力分布自軸心向兩側(cè)逐漸變小，其中，靠近軸心處最大壓應(yīng)力為16MPa，靠近邊緣處最小壓應(yīng)力約為11.3MPa。同時，從壓應(yīng)力的分布圖來看。球鉸的加勁肋位置的接觸壓應(yīng)力比無加勁肋位置的接觸壓應(yīng)力大，而且越靠近軸心處這種應(yīng)力集中趨勢越明顯，但是差異不會超過1MPa。

當(dāng)逐級施加偏心彎矩作用后，接觸壓應(yīng)力逐漸向一側(cè)偏移。最后逐漸呈現(xiàn)一種環(huán)狀型的應(yīng)力梯度分布。當(dāng)偏心彎矩達(dá)到臨界最大摩阻彎矩值時，接觸壓應(yīng)力最大值達(dá)到17.6MPa，分布在壓應(yīng)力增大側(cè)的邊緣位置。

4 結(jié)論與建議

本文提出了一種用數(shù)值模擬轉(zhuǎn)體球鉸的方法，通過不同等級的不平衡彎矩作用分析得到的結(jié)果，可以為不平衡力矩測試與球鉸精細(xì)化分析提供參考依據(jù)。可通過測試球鉸的實(shí)際應(yīng)力值，結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果，反推結(jié)構(gòu)的不平衡力矩，為糾偏措施提供參考依據(jù)。也可以通過數(shù)值模擬分析的結(jié)果，通過積分的方式精細(xì)化分析轉(zhuǎn)動牽引力。本文僅提供了一種有效的模擬方法，而數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果有待與實(shí)測值進(jìn)一步比較檢驗(yàn)驗(yàn)證。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]