跨鐵路V型剛構橋轉體施工仿真分析研究

翁雪微

[摘要]為研究某跨鐵路（70 m+70 m）V型剛構橋在施工過程中結構的受力、變形及穩定性，建立了三維有限元模型分析了結構的受力、變形及穩定性變化規律。結果表明：在施工過程中，結構在0#塊中部的應力達到最大值-11.4 MPa；與施工階段相比，收縮徐變對結構的受力影響較大，考慮10年收縮徐變的影響后，V型墩底部的應力增大幅度超過100%；轉體施工階段下主梁豎向撓度最大達到-68.3 mm，位于4#塊端部；結構在自重作用下的一階失穩形式為主梁縱向傾覆失穩，一階穩定系數為38.814，考慮橫風的影響后，結構的一階穩定系數減小0.002，風荷載對結構在轉體施工過程中穩定性的影響可以忽略。各工況下結構的一階穩定系數均大于4，滿足規范要求。

[關鍵詞]轉體施工； 剛構橋； 有限元； 穩定系數； 失穩形式

[中國分類號]U445.465? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]A

0引言

近年來，我國交通運輸行業發展迅猛，新建線路跨越既有鐵路的情形層出不窮［1-3］。橋梁轉體施工因不僅能夠最大程度上減小對既有交通線路運營的影響，同時也能夠憑借墩身的球鉸來完成跨越既有線路的建設任務而頗受設計者們的青睞［4-5］。橋梁在轉體施工過程中，受自身重量、溫度、風速、轉體速度等多種因素的影響而可能會出現結構應力超限、結構失穩等問題［6-7］。李衛東等［8］運用有限元軟件ANSYS研究了不同轉體速度、轉體加速度對混合梁斜拉橋主梁受力特性的影響規律，結果表明：勻速轉動時，主梁應力滿足規范要求；加速或減速轉動時索梁錨固區應力變化量較大。王強［9］對跨鐵路高速公路立交橋轉體施工平衡配重方案進行了探討，橋梁轉體施工具有精度要求高、操作過程復雜以及技術難度大等特點。文望青等［10］對某雙幅預應力混凝土矮塔斜拉橋轉體施工過程中進行驗算，結果表明：在轉體施工過程中，主梁全截面受壓，最大、最小壓應力分別為14.00 MPa、0.09 MPa，滿足規范要求。

目前，采用轉體施工跨越既有鐵路線路的橋梁眾多，轉體重量也在日漸增大，轉體施工過程中結構受力復雜。某跨鐵路立交橋采用（70+70）m V型剛構橋，轉體重量達15 800 t，為研究其在施工過程中結構的受力、變形以及穩定性，采用有限元軟件Midas/civil建立三維有限元模型，分析典型施工階段下結構受力、變形特性及穩定性。

1工程概況

某跨鐵路V型剛構橋為設計時速120 km/h的預應力混凝土箱梁立交橋，其跨徑布置為（70+70）m，主橋立面圖如圖1所示。大橋設計荷載為公路-I級×1.3，采用轉體施工，轉體重量為：15 800 t，轉體長度為（65+65）m，道路設計線與既有鐵路交角為86.2°。主梁采用單箱四室截面，整幅橋寬33.7 m，主梁標注橫斷面如圖2所示。

道路設計線與既有客專鐵路線交角為86.0°。大橋轉體墩（2號墩）采用“V”字型墩，V型墩為變截面箱形實體墩。V形墩斜腿為鋼筋混凝土實體式結構，斜腿軸線交角約80°，上下固結，橋墩墩高10.0 m。小里程斜腿長約為14.23 m，橫橋向為倒梯形截面，寬度由墩頂21.025 m漸變至墩底部10.514 m，斜腿順橋向厚2.0 m；大里程斜腿長約為14.26 m，橫橋向為倒梯形截面，寬度由墩頂21.025 m漸變至墩底部10.482 m，斜腿順橋向厚2.0 m。

大橋樁基礎采用C30水下混凝土，轉體墩轉體系統、轉體墩及轉體承臺均采用C50混凝土，橫隔梁、濕接縫、封錨、主梁、均采用C55混凝土。預應力鋼絞線采用抗拉強度標準值1 860 MPa、公稱直徑15.2 m的低松弛高強度鋼絞線。橋梁支座采用盆式橡膠支座。

2有限元模型

為分析大噸位跨鐵路V型剛構橋在轉體施工過程中結構受力情況及其穩定性，采用有限元軟件Midas/civil建立大橋三維有限元模型并開展計算分析。有限元模型中，轉體承臺、墩身及主梁均采用梁單元模擬，模型共計包含125個節點，61個梁單元。承臺和墩身采用彈性模量為3.45×104 N/mm2、容重為25 kN/m3的C50混凝土，主梁采用彈性模量為3.55×104 N/mm2、容重為25 kN/m3的C55混凝土。

有限元模型中未建立樁基礎以及邊界墩，邊界墩通過約束其上部的主梁單元節點平動及扭轉自由度來模擬，V型墩樁基礎通過約束承臺底部節點全部自由度來模擬，V型墩身與主梁之間通過剛臂連接。在轉體施工前，主梁采用滿堂支架法現澆施工，通過僅受壓類型的彈性連接來模擬轉體施工前的滿堂支架。有限元模型共計包含橋墩施工、1～4#塊、拆除滿堂支架、轉體施工、現澆5#塊、橋面鋪裝及伸縮縫、其他附屬工程、以及收縮徐變12個施工階段。所建立的有限元模型如圖3所示。

3轉體施工分析

3.1結構受力性能分析

跨鐵路V型剛構橋轉體重量達到15 800 t，轉體重量大，在施工過程中結構受力值得關注。施工過程中，典型施工階段下結構應力如圖4～圖7所示。由圖4～圖7可以看出，由于結構內部布設有大量的預應力鋼絞線，使得結構在施工過程中均處于受壓狀態。其中V型墩頂部的0#塊受力相對較大，在轉體施工階段下最大應力達到-11.4 MPa，最大應力位于0#塊的中部，遠小于C55混凝土的極限抗壓強度。當考慮10年收縮徐變的影響后，V型墩底部的應力明顯增大，達到-23.6 MPa，與施工過程中的應力相比增大超過100%，可見收縮徐變對混凝土V型墩的應力影響顯著，在后期橋梁的維護中應重點關注墩底的應力情況。

3.2主梁線形變化分析

大噸位剛構橋在轉體施工過程中對主梁線形同樣有著嚴格的要求，轉體過程中應嚴格控制主梁線形，避免因主梁變形過大而導致橋梁失穩垮塌。施工過程中典型施工階段下主梁線形變化見表1。由表1可以看出，在整個施工過程中主梁橫向變形幾乎為0，最大變化值為0.1 mm，而豎向變形在4#塊澆筑之前豎向撓度均為正值（向上），而在轉體施工階段豎向撓度由11.4 mm驟變至-68.3 mm（向下），這是由于在轉體施工時將施工支架拆除，主梁因自身重量造成的。在成橋階段下主梁豎向撓度達到最大值-71.7 mm，整個施工過程中主梁豎向變形較小，滿足規范要求。

3.3結構穩定性分析

大噸位V型剛構橋在轉體施工過程中受多因素的影響而存在失穩的可能性。當考慮結構自重以及風荷載時，橋梁在轉體施工階段下的前5階穩定系數見表2。由表2可以看出，僅在結構自重作用下其一階穩定系數為38.814，二階至五階的穩定系數均在190以上。當考慮橫橋向風荷載的影響后，結構的一階穩定系數減小0.002，考慮縱橋向風荷載后結構的一階穩定系數沒有變化，表明風荷載對橋梁轉體施工時穩定性的影響較小，在轉體施工過程中可以不考慮風荷載。

橋梁在轉體施工階段下其前5階失穩形式如圖8所示。由圖8可以看出，在結構自重作用下，結構一階失穩形式為主梁縱向傾覆失穩，二階和四階失穩形式為主梁整體橫向失穩，三階和五階失穩形式為V型墩橫向局部失穩。結合表2中穩定系數可知，結構在自重作用下轉體施工，結構的一階穩定系數達到38.814，遠大于規范要求的4，表明結構具有足夠的安全系數，施工過程中不會發生失穩。

4結束語

本文運用有限元軟件Midas/civil建立某大噸位（15 800 t）跨鐵路V型鋼構橋有限元模型，重點分析了大橋在轉體施工過程中結構的受力、變形以及穩定性。計算結果表明，該橋在施工過程中受力情況良好，主梁最大壓應力-11.4 MPa，遠小于材料的極限抗壓強度；主梁變形及在施工過程中的穩定系數均滿足規范要求。本橋采用的大噸位V型剛構橋的轉體施工方法可以為后續同類橋型提供參考。

參考文獻

［1］蔣巖峰.寧波鄞縣大道跨線橋主橋橫向平移及豎向頂升關鍵技術［J］.世界橋梁，2022，50（4）：113-119.

［2］王楨，王志民，張勁泉，等.跨線橋中央分隔帶內鋼-混組合板式橋墩設計［J］.公路，2022，67（3）：76-82.

［3］邱兆文，王樽，李唯真.城市高架橋對顆粒物擴散分布的影響［J］.中國公路學報，2022，35（5）：202-210.

［4］張金華.上跨既有鐵路大噸位橋梁轉體施工技術［J］.黑龍江交通科技，2021， 44（8）：133-134.

［5］王婷蘭.大噸位轉體橋承臺受力性能研究及優化設計［D］.南昌：華東交通大學，2021.

［6］宋嘉宇，姚杰，鄔曉光，等.轉體施工球鉸應力計算方法的研究［J］.公路，2022，67（8）：137-141.

［7］姜浩.T構橋轉體牽引力及轉體過程結構行為研究［D］.重慶： 重慶交通大學，2020.

［8］李衛東，戴燦磊.大噸位混合梁轉體斜拉橋主梁受力特性分析［J］.世界橋梁，2022，50（5）：101-108.

［9］王強.高速公路跨鐵路立交橋連續梁轉體施工不平衡稱重分析［J］.交通世界，2022（20）：156-158.

［10］文望青，林騁，王斌，等.雙幅同步轉體矮塔斜拉橋設計［J］.橋梁建設，2021，51（2）：112-117.