某橋梁轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的局部應(yīng)力分析

劉 璐，張守城，陳麗軍

（武漢市政工程設(shè)計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430056）

1 橋梁工程概況

G309青蘭線坊子流戈莊至濰城潘里段改建工程采用（65+65）m跨徑的連續(xù)T構(gòu)上跨膠濟鐵路（見圖1）。T構(gòu)上部結(jié)構(gòu)采用單箱三室箱形截面，橋面寬26 m，中支點處梁高5 m，邊支點處梁高2.2 m，梁底線形按1.8次拋物線變化。橋梁下部結(jié)構(gòu)主墩采用單肢墩，墩身高9 m，橫向尺寸12.8 m，墩壁厚3.5 m。該現(xiàn)澆T構(gòu)采用轉(zhuǎn)體施工方案，轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)采用環(huán)道與中心支承相結(jié)合的球鉸轉(zhuǎn)動體系[1]，基礎(chǔ)采用直徑1.8 m的鉆孔灌注樁。

圖1 橋型布置示意圖（單位：m）

2 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)介紹

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)體下轉(zhuǎn)盤、球鉸、上轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)動牽引系統(tǒng)組成（見圖2）。

圖2 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)布置示意圖（單位：cm）

下轉(zhuǎn)盤為支承轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)全部重量的基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)體完成后，與上轉(zhuǎn)盤共同形成基礎(chǔ)。下轉(zhuǎn)盤采用C55混凝土。鋼球鉸直徑為Φ6 000 mm，厚度為100 mm，分上下兩片。上盤撐腳即為轉(zhuǎn)體時支撐轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平穩(wěn)的保險腿。從轉(zhuǎn)體時保險腿的受力情況考慮，轉(zhuǎn)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，使保險腿對稱分布于縱軸線的兩側(cè)[2]。在撐腳的下方（即下盤頂面）設(shè)有1.33 m寬的滑道，滑道半徑為5.15 m，轉(zhuǎn)體時保險撐腳可在滑道內(nèi)滑動，以保持轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平穩(wěn)。要求整個滑道面在一個水平面上，其相對高差不大于0.5 mm。上盤是轉(zhuǎn)體的重要結(jié)構(gòu)，在整個轉(zhuǎn)體過程中形成一個多向、立體的受力狀態(tài)，上盤布有縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力鋼筋。上盤邊長18.7 m，高2.5 m，平面四個邊角切3 m的切角，為八邊形構(gòu)造；轉(zhuǎn)臺直徑Φ11.5 m，高度1.0 m。

3 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)局部受力分析

3.1 有限元計算方法及模型

橋梁轉(zhuǎn)體施工球鉸結(jié)構(gòu)局部驗算借助于有限元程序ANSYS進行，混凝土結(jié)構(gòu)用實體單元solid65模擬，采用link8桁架單元模擬鋼絞線，并采用初應(yīng)變的方法施加預(yù)應(yīng)力，考慮預(yù)應(yīng)力損失，按照0.8倍設(shè)計張拉荷載施加預(yù)應(yīng)力[3]。該計算模型包括7 m高橋墩、八邊形承臺，圓形轉(zhuǎn)盤及球鉸，模型對墩節(jié)點自由度進行約束。結(jié)構(gòu)有限元模型如圖3所示。

圖3 球鉸結(jié)構(gòu)計算有限元模型

3.2 荷載

模型考慮了球鉸及其以上荷載163 000 kN，該荷載按均布荷載垂直作用在球鉸范圍內(nèi)處于承臺支撐范圍內(nèi)的面上。縱橫豎三向施加預(yù)應(yīng)力[4]。縱橫向采用15-φs15.2高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，張拉控制應(yīng)力均為1 395×0.8=1 116（MPa），豎向采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒，張拉控制應(yīng)力均為595×0.8=476（MPa）。

3.3 主要應(yīng)力計算結(jié)果

（1）剔除預(yù)應(yīng)力錨固處的應(yīng)力集中所引起的拉應(yīng)力，橫橋向混凝土最大拉應(yīng)力為0.83 MPa，出現(xiàn)在上轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)臺兩側(cè)邊緣；壓應(yīng)力為7.24 MPa，主要分布于球鉸位置。其余各截面均為壓應(yīng)力，球鉸局部位置壓應(yīng)力相對較大，且應(yīng)力較為集中（見圖4、圖5）。

圖4 球鉸橫橋向應(yīng)力云圖一（單位：MPa）

圖5 球鉸橫橋向應(yīng)力云圖二（單位：MPa）

（2）剔除預(yù)應(yīng)力錨固處的應(yīng)力集中所引起的拉應(yīng)力，豎向混凝土拉應(yīng)力出現(xiàn)在上轉(zhuǎn)盤頂及轉(zhuǎn)臺下緣，最大拉應(yīng)力為0.73 MPa，球鉸位置壓應(yīng)力基本在6.24 MPa內(nèi)（見圖6、圖7）。

圖6 球鉸豎向應(yīng)力云圖一（單位：MPa）

圖7 球鉸豎向應(yīng)力云圖二（單位：MPa）

（3）剔除預(yù)應(yīng)力錨固處的應(yīng)力集中所引起的拉應(yīng)力，順橋向混凝土最大拉應(yīng)力為0.83 MPa，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)臺兩側(cè)邊緣；壓應(yīng)力為8.4 MPa，主要分布于轉(zhuǎn)臺頂部與橋墩連接附近區(qū)域，其余位置基本處于受壓范圍內(nèi)（見圖8、圖9）。

圖8 球鉸順橋向應(yīng)力云圖一（單位：MPa）

（4）剔除預(yù)應(yīng)力錨固處的應(yīng)力集中所引起的拉應(yīng)力，混凝土最大主拉應(yīng)力為1.23 MPa，出現(xiàn)在上轉(zhuǎn)盤底緣；主壓應(yīng)力為9.7 MPa，主要分布于橋墩與轉(zhuǎn)臺連接位置區(qū)域。其余位置主壓應(yīng)力基本小于8.6 MPa（見圖10、圖11）。

圖9 球鉸順橋向應(yīng)力云圖二（單位：MPa）

圖10 球鉸主拉應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖11 球鉸主壓應(yīng)力云圖（單位：MPa）

（5）縱橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋最大應(yīng)力為1 114.4 MPa（見圖12），豎向JL32精軋螺紋鋼最大應(yīng)力為485MPa（見圖13）。

圖12 預(yù)應(yīng)力鋼筋軸向應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖13 JL32鋼筋軸向應(yīng)力云圖（單位：MPa）

4 結(jié)論

（1）經(jīng)分析，轉(zhuǎn)體球鉸混凝土最大拉應(yīng)力0.83MPa，最大壓應(yīng)力8.4 MPa，最大主拉應(yīng)力1.23 MPa，最大主壓應(yīng)力9.7 MPa，均滿足C55混凝土設(shè)計強度要求，該分析已為該橋的設(shè)計施工提供依據(jù)。

（2）設(shè)置觀測點，嚴格控制啟動和制動，必須利用千斤頂反力座啟動，發(fā)現(xiàn)有偏轉(zhuǎn)應(yīng)及時糾偏。啟動牽引應(yīng)注意緩慢加載，并及時觀測轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)狀態(tài)，確保啟動時結(jié)構(gòu)安全。

（3）在轉(zhuǎn)體過程中必須進行轉(zhuǎn)體關(guān)鍵部位（含梁、墩和轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)等）的應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測。