超寬超重T構轉體橋梁體應力和線形變化研究

張 輝

（中鐵二十一局集團路橋工程有限公司 陜西西安 710065）

1 前言

橋梁轉體施工是指橋梁結構在非設計軸線上進行澆筑或拼裝，利用摩擦系數很小的球鉸、滑道及轉盤結構將成形后的橋梁結構轉動至設計軸線位置的施工方法。隨著轉體橋技術的進步和日趨成熟，轉體橋施工工藝技術的優越性日益凸顯，轉體橋的重量和寬度也隨之增加［1-3］。由于近幾年來經濟建設的快速發展和城市規模的急劇擴張，使得跨越既有構筑物（如鐵路、公路等）的立交橋梁急劇增多，采用轉體橋施工工藝將大大減小對鐵路安全運營的影響，且安全可靠、施工方便、造價較低、受力狀態明確［4-5］。張勇通過大體積混凝土承臺水化熱分析，提出管冷進行降溫并進一步提出改善措施［6］。張天雷［7］通過分析曲線橋梁墩底轉體風險并提出控制措施；郭英［8］通過采用質量控制確保平面轉體結構成功轉體。

包存文［9］通過得到準確預拱度的數據，為在混凝土澆筑前模板位置的固定起到指導作用，從而保證梁體線形符合施工要求。同時，不能孤立單個施工階段，前一個施工階段為后一個施工階段作參考，后一個階段為前一個階段起到反饋作用［10］。王剛［11］通過Midas FEA分別建立空間模型和轉體系統空間模型，著重分析0#塊局部應力分布情況；車曉軍［12］等研究轉體過程中為不發生傾覆，對球鉸接觸面上的壓應力分布形態進行評估。

轉體結構在施工過程中由于各種因素的影響可能會產生撓曲變形，使橋梁結構在施工過程中的實際位置與設計要求位置不符，從而導致橋梁不能順利、安全、平穩轉體合龍。因此，本文著重分析超寬超重T構梁橋的應力和線形。

2 工程背景

本項目為西安市西咸新區正陽大道秦漢新城段與北環線、咸銅鐵路立交橋工程。咸銅鐵路立交橋以（65+65）m連續梁（轉體）正交跨越北環線、咸銅鐵路，連接正陽大道濱河路立交終點和涇河新城。梁體采用變高度變截面單箱五室斜腹板箱形截面。所有基礎均采用樁基礎，主梁在平行鐵路南側采用支架現澆施工，其中轉體段梁長60+60 m，轉體角度75.5℃，轉體重量達約2 0000 t，寬36.5 m。

3 施工監控及模型

施工監控主要為變形監測和應力監測，尤其是轉體前、轉體過程中和轉體后的線形和應力監測。監控各施工工序關鍵部位的應力應變，保障轉體施工中結構的安全。同時，更好地協助和指導施工人員，做好高程和軸線控制，使結構的標高及平面位置達到設計要求。

3．1 梁體現場監控布置

（1）主梁線形監控

主梁線形主要通過布設高程點來控制主梁橫橋向和縱橋向的標高在允許誤差范圍內。標高觀測是控制成橋線形最主要的依據，成橋后橋面線形幾乎無法調整，因此必須在橋面施工前確定主梁的位置和標高，在隨后的橋面施工后能夠達到設計線形和標高。在梁頂布置高程觀測點，線形監控采用的是水準儀和塔尺觀測，監測點如圖1所示。

（2）主梁應力監控

應力監控是施工監控中的主要部分。通過應力監測，可以掌握主梁結構的受力狀況，及時判定應力是否超限，從而可知道結構的安全狀況。在支架施工1#、2#、3#、4#、5#塊分別埋設應力傳感器，應力監測使用的是混凝土內埋設弦式應變計和 JMZX—3001綜合測試儀。監測點布置如圖2所示。

圖1 線形測點布置

3．2 建立全橋有限元模型

采用有限元軟件Madis／civil建立全橋模型，對整個施工過程進行仿真模擬。通過有限元模型的建立和分析得到主梁張拉、支架拆除及合龍段施工等關鍵施工階段的主梁線形和應力值。

該橋有限元模型共分成73個節點，71個單元，單元類型為梁單元，全橋模型如圖3所示。

圖3 有限元模型橋

4 結果分析

4．1 撓度及應力計算結果分析

支架拆除及成橋后的撓度及應力云圖見圖4～圖7。

圖4 梁體支架拆除撓度變形

圖5 梁體成橋后撓度變形

圖6 梁體支架拆除應力變形

圖7 梁體成橋后應力變形

從圖4和圖6可知，支架拆除完成后，梁體兩端處于懸臂階段，整個梁僅承受自重作用。0#塊在模型中處于固結點，位移最小，隨著懸臂段距離的增大，位移變化逐漸增大，懸挑端部位移最大，變化數值26.70 mm。僅對梁體而言，靠近0#塊應力最大，最大應力為拉應力，大小為15.69 MPa；應力最小位置在4#塊附近，最小應力為壓應力，大小為-2.21 MPa。整體上來看，支架拆除后，對梁體而言，位移變化值從中間向兩端逐漸增大，應力變化值則與位移相反。

從圖5和圖7可知，梁體轉體完成后，僅受自重作用，0#和5#塊在模型中處于固結點，位移變化小，基本接近于0；2#和4#塊逐漸增大，位移變化值為負值，表明位移下降，最大下降值為11.06 mm；3#墩處位移最大，變化數值也為負值，最大下降值為24.33 mm。應力變化由0#塊的拉應力逐漸變大，緊接著1#、2#塊的應力從拉應力逐漸轉變成壓應力，壓應力隨著施工順序的變化逐漸增大。

為了保證在實際施工過程中梁體與設計線形相接近，通過有限元分析可知，拆除支架后梁體應提高27 mm左右，從而使得施工結束后整個梁體的線形接近設計線形。

4．2 有限元分析值與實測值對比分析

（1）平均值作為指標值

在各參數不變的情況下對其中一個指標進行了n次試驗，得到n個測量值，分別記為x1、x2、x3…xn，若用某一指標x0作為指標值，其方差公式為：

分析可知，De是x0的非負二次函數，故其最小值也是極小值，根據式2可求得極小值點。

于是得到：

這說明x0＝x時誤差的方差最小，也就是說平均值與所測量的n組數據之間的方差最小。因此，將平均值作為指標值［13］。

（2）結果分析

本文著重對成橋后主梁線形和應力變化進行分析。橋梁在施工過程中結構體系隨著施工和階段的不同而不同，而結構的實際變化值和分析值、設計值都存在差異。

通過對現場采集的線形和應力監控數據，并將監測數據與分析值進行對比分析。現場線形監控數據①～⑦共7個點取平均值；應力監測數據頂板①～④共4個點取平均值，底板⑤～⑥共2個點取平均值。

①位移結果分析

從圖8可知，轉體完成后，實際線形與設計線形存在一定的偏差，但是差值均在10 mm以內，滿足設計要求，同時也滿足《公路橋梁施工技術規范》要求。但是，設計值與實測值的差值中，只有距離0#塊40 m附近，有2個測點在設計要求范圍之外，原因為該點不易進行應力的測量導致讀數存在誤差。合龍完成后，0#塊和5#塊的設計值、有限元分析值和實測值的位移差值均為0，而其它位置的位移差值相對較大。總體來講，有限元分析值與實測值相差不大，且均與設計值大致相同，誤差也在合理范圍之內。

圖8 撓度設計值與分析值、實測值的差值

②應力結果分析（見表1～表2）

表1 頂板應力值 MPa

表2 底板應力值 MPa

從表1、表2可知，梁體頂板和底板的應力值均在設計范圍值之內。同時，設計值與實測值的相對誤差較小。頂板和底板應力隨著澆筑和張拉順序變化的趨勢由拉應力轉化成壓應力。頂板處澆筑張拉4#并拆除支架完成后，此時應力最大，變化數值是負值（壓應力），頂板最大應力值為16.70 MPa；底板拆除支架處應力最大，底板最大壓應力為6.897 MPa。整體來講，張拉后的應力值大于澆筑前的應力值，支架拆除完成后的應力值為壓應力，其數值大小為最大值。

5 結論

（1）僅對梁體而言，支架拆除后，位移變化值從中間向兩端逐漸增大，應力變化則與位移變化相反。0#塊在模型中處于固結點，位移最小，隨著懸臂段距離的增大，位移變化逐漸增大，懸挑端部位移最大；靠近0#塊應力最大，最大應力為拉應力，應力最小位置在4#塊附近，最小應力為壓應力。

（2）通過建立有限元 Madis／civil模型，得出在實際施工中拆除支架后梁體應提高27 mm的結論，從而使得施工結束后整個梁體的線形接近設計線形。

（3）對成橋后主梁線形和應力變化進行分析，且現場采集線形和應力監控數據，并將其測得的平均值作為監測數據值，通過對監測數據值與分析值進行對比分析，可知有限元分析值與監測數據值相差不大，且均與設計值大致相同，誤差也在合理范圍之內。