高、重、寬T型剛構(gòu)橋轉(zhuǎn)體施工監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：基于彈性力學和球鉸強度理論，采用有限元軟件ANSYS實體單元建立渾水塘特大橋轉(zhuǎn)體施工過程整體動力分析模型，得到轉(zhuǎn)體施工階段角速度及角加速度控制值，保證T型剛構(gòu)轉(zhuǎn)體施工過程的準確性和安全性。同時，研究了轉(zhuǎn)動角速度、角加速度對主梁及轉(zhuǎn)盤應(yīng)力的影響，并通過線形擬合得到角加速度與主梁及轉(zhuǎn)盤應(yīng)力關(guān)系公式，為同類型橋梁轉(zhuǎn)體施工控制提供借鑒。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)體施工；彈性力學；球鉸強度理論；接觸分析；轉(zhuǎn)動角速度；轉(zhuǎn)動角加速度

0" "引言

T型剛構(gòu)橋的轉(zhuǎn)體施工是指將橋梁結(jié)構(gòu)在非設(shè)計軸線位置制作（澆筑或拼接）成形后，通過轉(zhuǎn)體就位的一種施工方法。轉(zhuǎn)體法能較好的克服高山峽谷、水流湍急或經(jīng)常通航的河道上架設(shè)大跨度構(gòu)造物的困難，尤其是對修建處于交通運輸繁忙的城市立交和鐵路跨線橋，其優(yōu)勢更加明顯[1-2]。

對于高、寬、重T型剛構(gòu)橋來說，在轉(zhuǎn)體過程中，先后經(jīng)歷了從加速轉(zhuǎn)動到勻速轉(zhuǎn)動最后到減速轉(zhuǎn)動階段[3]，轉(zhuǎn)動角速度及角加速度對轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響較大。而國內(nèi)現(xiàn)有的研究[4-6]一般采用梁單元模擬主梁，并與實體單元模擬的轉(zhuǎn)盤體耦合來進行分析。這種模擬方式對寬度和重量不大的轉(zhuǎn)體橋影響不大，而對高、寬、重轉(zhuǎn)體橋來說，對主梁應(yīng)力及變形結(jié)果顯然不夠精細。

本文以渾水塘特大橋為背景，采用ANSYS實體單元，建立轉(zhuǎn)體橋梁整體模型，對不同轉(zhuǎn)動角速度和角加速度下主梁及轉(zhuǎn)盤體進行了分析，得到轉(zhuǎn)體施工階段角速度及角加速度控制值，從而更科學的控制轉(zhuǎn)體過程。

1" "工程概況

渾水塘特大橋（80+80）m T型剛構(gòu)跨南昆鐵路，交角為79°，施工時采用平面轉(zhuǎn)體方案，轉(zhuǎn)體長度為49m（1#～12#節(jié)段），轉(zhuǎn)體角度為79°，橋梁全寬33.5m，整幅布置，轉(zhuǎn)體質(zhì)量達18700t。主橋上部結(jié)構(gòu)箱梁采用C55混凝土，采用單箱三室變高度直腹板預應(yīng)力混凝土箱型截面，下部結(jié)構(gòu)X2轉(zhuǎn)體墩墩身、上下承臺采用C55混凝土。

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)由上盤、下承臺、上下球鉸、撐腳、滑道、牽引系統(tǒng)組成。下轉(zhuǎn)盤采用C50混凝土，上轉(zhuǎn)盤直徑1260cm，高350cm。轉(zhuǎn)臺直徑?1030cm，高度80cm。鋼球鉸直徑為?4200mm，厚度為50mm，分上下兩片。本橋轉(zhuǎn)體選用兩套兩臺ZLD300型液壓、同步、自動連續(xù)牽引系統(tǒng)（牽引系統(tǒng)由連續(xù)千斤頂、液壓泵站及主控臺組成），形成水平旋轉(zhuǎn)力偶，通過拽拉錨固且纏繞于直徑1030cm的轉(zhuǎn)臺圓周上的22-φs15.2mm鋼絞線，使得轉(zhuǎn)動體系轉(zhuǎn)動。

2" "計算模型

本橋基于彈性力學和球鉸強度理論[7]，考慮橋梁轉(zhuǎn)體過程中球鉸的接觸應(yīng)力和摩擦力，采用ANSYS有限元軟件，建立渾水塘特大橋轉(zhuǎn)動過程整體動力分析模型。建模過程采用SOLID65單元模擬混凝土及球鉸鋼板，link10單元模擬預應(yīng)力鋼筋，分別采用TARGE170目標單元和CONTA174接觸單元，模擬下球鉸和上球鉸的接觸行為，通過二者共用同一實常數(shù)建立接觸對。

3" "勻速轉(zhuǎn)動階段主梁應(yīng)力分析

在橋梁轉(zhuǎn)體過程中，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)受不平衡重、風荷載、轉(zhuǎn)動速度、溫度等多種因素的影響[8]，而在主控臺的控制下，勻速轉(zhuǎn)動在轉(zhuǎn)體過程中占時最長，因此本文對不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)進行分析。在模擬分析過程中不考慮自重、風荷載、不平衡重等因素，T型剛構(gòu)繞球鉸中心平穩(wěn)轉(zhuǎn)動。

本文對T構(gòu)在0.02r/min、0.05r/min、0.2r/min、0.5r/min、1r/min、2r/min共6種轉(zhuǎn)動角速度作用下進行模擬分析。

研究結(jié)果表明：在勻速轉(zhuǎn)動過程中，箱梁頂部應(yīng)力大，底部應(yīng)力值較小，主墩與主梁交界面處頂面的應(yīng)力最大。隨著轉(zhuǎn)動速度的提高，箱梁頂部最大應(yīng)力值呈指數(shù)倍數(shù)提高，在2r/min轉(zhuǎn)速下，最大應(yīng)力達到了17.05MPa。

因此，在轉(zhuǎn)體橋建設(shè)與轉(zhuǎn)體過程中，為保證主梁平穩(wěn)及平衡，渾水塘特大橋轉(zhuǎn)體速度應(yīng)控制在0.02r/min以內(nèi)，同時對主梁0號塊體處加強應(yīng)力監(jiān)測與變形控制，防止出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)。

4" "加速轉(zhuǎn)動階段主梁應(yīng)力分析

按照材料力學，由轉(zhuǎn)動慣性力產(chǎn)生的T構(gòu)主梁截面正應(yīng)力為[9]：

（1）

式中：IZ為主梁根部截面繞z 軸慣性矩；y為橫橋向截面中心距懸臂外緣距離；JZ為質(zhì)量慣性矩。

C55混凝土允許拉應(yīng)力為1.96MPa。將主梁、橫隔板截面特性及質(zhì)量進行分塊計算，得到JZ為2.43×109kg·m2，IZ為1214.9m4，頂板拉應(yīng)力為16.75×10-6MPa。

通過上述理論計算，采用ANSYS建立動力分析模型，以自重狀態(tài)為基礎(chǔ)，選取0.005r/s2、0.01r/s2，0.03r/s2、0.05r/s2、0.0584r/s2共5種轉(zhuǎn)動角加速度，對主梁懸臂根部和轉(zhuǎn)盤體進行分析，分析結(jié)果如圖2、圖3所示。

主梁軸向應(yīng)力與轉(zhuǎn)動角加速度關(guān)系如圖4和表1所示。主梁軸向應(yīng)力與轉(zhuǎn)動角加速度呈線性關(guān)系：

f（x）=ax+b" " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

其中a=5.51，b=0.716，隨著轉(zhuǎn)動角加速度的增加，主梁軸向應(yīng)力也相應(yīng)增大，且轉(zhuǎn)動角加速度每增加1r/s2，對應(yīng)的主梁軸向應(yīng)力會增加5.51MPa。

在轉(zhuǎn)體工程中，應(yīng)將加速度控制在較小的范圍內(nèi)，以防主梁混凝土開裂。

轉(zhuǎn)盤剪切應(yīng)力與轉(zhuǎn)動角加速度關(guān)系如圖5和表2所示。從圖5可以看出：由于接觸應(yīng)力的影響，轉(zhuǎn)盤剪切應(yīng)力與轉(zhuǎn)動角加速度仍近似呈線性關(guān)系。其中a=1329.33，b=2.56。隨著轉(zhuǎn)動角加速度的增加，轉(zhuǎn)盤剪切應(yīng)力也相應(yīng)的增大，且轉(zhuǎn)動角加速度每增加0.01r/s2，對應(yīng)的轉(zhuǎn)盤剪切應(yīng)力會增加13.29MPa左右。

5" "結(jié)論

本文采用ANSYS建立渾水塘特大橋整體動力分析模型，對橋梁轉(zhuǎn)體施工過程進行分析計算，得到T型剛構(gòu)轉(zhuǎn)體施工過程中的轉(zhuǎn)動角速度和轉(zhuǎn)動角加速度控制值，分別為0.02r/min和0.0584r/s2，保證了橋梁轉(zhuǎn)體的順利安全施工。

在勻速轉(zhuǎn)動過程中，箱梁頂部應(yīng)力大，底部應(yīng)力值較小，主墩與主梁交界面處頂面的應(yīng)力最大。隨著轉(zhuǎn)動速度的提高，箱梁頂部最大應(yīng)力值呈指數(shù)倍數(shù)提高，在2r/min轉(zhuǎn)速下，最大應(yīng)力達到了17.05MPa。因此，在轉(zhuǎn)體橋建設(shè)與轉(zhuǎn)體過程中，為保證主梁平穩(wěn)及平衡，渾水塘特大橋轉(zhuǎn)體速度應(yīng)控制在0.02r/min以內(nèi)，同時對主梁0號塊體處加強應(yīng)力監(jiān)測與變形控制，防止出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)。

主梁軸向應(yīng)力與轉(zhuǎn)動角加速度呈正比線性關(guān)系，轉(zhuǎn)動角加速度每增加1r/s2，對應(yīng)的主梁軸向應(yīng)力會增加5.51MPa。在轉(zhuǎn)體工程中，應(yīng)將加速度控制在較小的范圍內(nèi)，以防主梁混凝土開裂。由于接觸應(yīng)力的影響，轉(zhuǎn)盤剪切應(yīng)力與轉(zhuǎn)動角加速度近似呈線性關(guān)系，轉(zhuǎn)動角加速度每增加0.01r/s2，對應(yīng)的轉(zhuǎn)盤剪切應(yīng)力會增加13.29MPa左右。

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