轉體橋梁球鉸設計

劉 濤

（中國鐵路設計集團有限公司，天津300251）

隨著我國基礎設施建設的快速發展，出現了很多立交橋梁上跨鐵路的情況，城市立交橋匝道經常位于小半徑上，由于目前缺乏相關的設計經驗和資料，設計時往往盡量調整線型避免這種情況。然而，這種做法不僅會降低平面的線形指標，影響行車舒適性，增加造價，而且易造成安全事故，影響橋梁的美觀。

當前轉體鋼構橋為跨越既有繁忙鐵路干線尤其是高速鐵路的首選方案，而小半徑曲線轉體橋梁的設計在國內還是空白。目前急需開展對跨鐵路小半徑曲線轉體橋的受力特點、轉體系統和結構構造等方面的研究。現以太原市北中環線工程跨石太客專及石太線立交橋項目為例，針對小半徑轉體橋的轉體系統設計展開研究。

1 工程概況

跨石太客專及石太線立交橋工程是太原市北中環澗河立交橋的一部分，為轉體施工T型剛結構，轉體墩設在鐵路西側，順鐵路施工剛構橋，梁部采用鋼箱梁。轉體系統轉體結構由下轉盤、球鉸、上轉盤、轉動牽引系統組成，轉體總重量為W=18000kN。上、下轉盤之間設置鋼質球鉸，分上下兩片，在下球面板上鑲嵌填充聚四氟乙烯復合夾層滑板，靜摩擦因數小于0.05，動摩擦因數小于0.03。

2 轉體系統

主橋采用轉體法施工，外側防撞護欄與防護屏施工完成后整幅轉體，跨線處一次轉體就位，其他部分為支架拼裝施工。

2.1 轉體系統

轉體系統轉體結構由轉體下盤、球鉸、上轉盤、轉動牽引系統組成。牽引系統設計則應先按轉體重量、摩擦系數等計算出轉動牽引力大小，確定牽引鋼絞線的配置及張拉臺座。

2.2 球鉸

球鉸是實現橋梁轉體施工的關鍵，是轉動體系的核心構件。由于本橋位于曲線上，橋梁橫向存在扭轉的力矩，為了平衡這一力矩，橋梁的結構中心設有1.70m的偏心，確保轉體時結構處于一個自平衡的狀態。球鉸設計豎向承載能力采用1.8萬kN。

2.3 撐腳、滑道

2.3.1 撐腳

上盤撐腳即為轉體時支撐轉體結構平穩的保險腿。從轉體時保險腿的受力情況考慮，轉臺對稱的兩個保險腿之間的中心線與上盤縱向中心線重合，使8個保險腿對稱分布于縱軸線的兩側。

2.3.2 滑道

在撐腳下方（即下盤頂面）設寬0.9m的滑道，滑道半徑3.35m，保持轉體結構平穩。要求整個滑道面在一個水平面上，其相對高差不大于2mm。滑道及撐腳布置如圖1。

圖1 滑道及撐腳布置

2.4 轉盤

轉盤是轉體的重要組成部分，轉盤由上轉盤和下轉盤組成［7］。

2.4.1 上轉盤

上轉盤是轉體的重要結構，在整個轉體過程中形成一個多向、立體的受力狀態。上轉盤高2m。轉臺直徑φ7.5m，高度0.8m。

2.4.2 下轉盤

下盤為支承轉體結構全部重量的基礎，轉體完成后，與上轉盤共同形成基礎。下轉盤采用C50混凝土。下轉盤上設置轉動系統的支座、保險撐腳環形滑道及轉體拽拉千斤頂反力座等。下轉盤鋼筋布置如圖2。

圖2 下轉盤鋼筋布置

3 轉體球鉸模型

采用有限元分析軟件ANSYS12.0建立轉體橋梁球鉸部分實際尺寸的有限元模型。整體轉體球鉸模型如圖3。

圖3 整體轉體球鉸模型

建模過程采用SOLID186單元模擬上、下轉盤及球鉸鋼板。根據材料規格，轉體球鉸模型采用材料參數如表1；主墩柱頂面豎向力N=12935kN，按均勻力施加；不平衡彎矩M=28534kN·m。求解球鉸的應力，如圖3。

表1 球鉸材料參數值

4 工程實例

太原市北中環線工程跨石太客專及石太線立交橋下采用整體模擬分析計算得到上下轉盤及球鉸節點應力云圖如圖4。

圖4 整體分析球鉸應力

計算結果：轉體結構上轉盤、下轉盤主要以受壓為主，最大壓應力小于22MPa，從應力云圖可看出，這是由于網格劃分不均勻和接觸界面突變導致的應力集中現象。除去個別應力集中節點，下轉盤應力分布均勻，符合真實受力情況。根據JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》，C50混凝土允許抗壓強度22.68MPa，鋼材允許強度345MPa（短暫狀況局部應力按屈服強度控制），C50混凝土允許抗壓強度22.68MPa，鋼材允許強度490MPa，由主應力云圖看出無論是混凝土應力還是鋼板應力值均在規范要求范圍內，結構是安全的，本工程球鉸設計是合理可靠的。

5 結語

（1）跨石太客專及石太線立交橋工程是太原市北中環澗河立交橋的一部分。工期緊，精度要求高，采用轉體法施工。

（2）本工程采用有限元分析軟件ANSYS模型，轉體施工模擬計算，減少了施工工期，降低了安全風險。目前，本工程已順利施工結束，其工藝達到預期，說明此設計方案效果比較理想。

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