大噸位墩底轉體橋承臺預應力效應分析

孟麗敏

（中鐵十四局集團第四工程有限公司，山東濟南 250101）

0 引言

隨著我國交通強國建設的不斷推進，為了避免不同類別、等級交通之間的相互干擾，各地涌現出一大批立體交通工程。水平轉體施工法因其能最大限度降低橋梁施工對橋下既有交通的安全影響，在跨越高速公路、鐵路及城市軌道等重要線路中得到了廣泛應用。

結合武漢至大悟高速公路上跨滬蓉、麻武鐵路高架橋，通過建立實體有限元模型，對轉體主墩承臺樁基在施工過程中的受力狀態分析研究，確定下承臺預應力鋼束的合理張拉時間。

1 工程概況

武漢至大悟高速公路在K23+950 處上跨滬蓉線、麻武線，左右幅采用4 座2×75m 預應力混凝土連續T構跨越鐵路。為降低橋梁施工對既有鐵路的安全影響，上跨鐵路T 構橋采用轉體施工，轉體重量16600t。

主墩底設置有轉體系統，轉體系統由上轉盤、球鉸、下轉盤等構件組成。其中，上轉盤平面為矩形，橫橋向寬13.9m，順橋向寬10m，厚2.5m。下承臺尺寸為17.3m×17.3m，厚4.5m。上下承臺間凈距2.2m，中間設置有1m 厚圓形轉臺，直徑9m。轉臺下方為鋼球鉸，上下球鉸接觸平面直徑3.9m，球面半徑7.8m。為避免下球鉸安裝打斷下承臺頂面鋼筋，在下承臺頂面設置高度0.6m 的球鉸凸臺。為保證轉體過程中下承臺及樁基受力滿足要求，在下承臺下部設置縱橫向預應力鋼束。

2 轉體承臺模型建立

下承臺是轉體系統的關鍵構造，受力較復雜，在轉體施工階段，其結構尺寸及受力狀態并不符合剛性承臺的基本假定，因此無法按現行規范對下承臺進行設計計算。王景全等[1]針對轉體承臺，提出了一種錐形面空間拉壓桿模型，通過下承臺受力的空間拉壓桿模型，確定下承臺的承載力及各樁基的反力。劉詩文等[2]通過引入樁基支撐剛度，對上述模型進行了修正，獲得了較好的計算結果。但錐形面拉壓桿模型主要用于確定轉體承臺的承載力[3]，無法進行下承臺轉體階段的應力狀態分析，該模型也無法有效評估預應力效應的影響。為了準確分析轉體下承臺在施工階段的受力狀態，該研究采用ABAQUS 軟件進行實體有限元分析，探究合理的預應力張拉時間。

2.1 有限元分析模型

對于墩底轉體系統而言，下承臺承受由轉體球鉸傳遞下來的轉體荷載，在轉體重量一定的情況下，橋墩形式、上承臺預應力等因素對下承臺的受力基本無影響。因此，僅建立下承臺、樁基，并利用一圓柱模擬轉體球鉸，圓柱下端為球面，球面半徑等于球鉸滑動面的球面半徑，與下承臺接觸面直徑等于球鉸滑動面的平面直徑，所建立的轉體下承臺、樁基模型如圖1 所示。

圖1 轉體承臺有限元分析模型

模型中，混凝土均采用六面體20 節點單元，鋼筋及預應力筋采用2 節點線性桁架單元，鋼筋通過內置單元約束方式與混凝土單元連接，不考慮鋼筋與混凝土單元的黏結滑移，預應力筋張拉力按初應力進行模擬，并考慮預應力損失。沿樁身每隔2m 設置一約束參考節點，通過施加節點彈簧，模擬土體對樁基的橫向約束效應[4]。

2.2 分析工況

為分析設置預應力對下承臺受力狀態的影響，并探究合理的下承臺預應力張拉時間，共考慮以下兩種模型工況：第一，無預應力，轉體重量166000kN。第二，有預應力，轉體重量分16 級加載至166000kN，級差10000kN。

3 計算結果分析

3.1 預應力效應對比分析

無預應力承臺在轉體重量荷載作用下的位移云圖，如圖2 所示。轉體施工階段，由于轉體重量近似于集中荷載作用于承臺正中心，承臺支承與均勻間隔布置的樁基之上，承臺的位移呈現碟形分布，承臺位移等值線近似為同心圓，球鉸作用位置處的變形最大，離球鉸中心越遠，位移越小。這種變形狀態下，承臺下緣將產生較大的拉應力，如圖3 所示。

圖2 承臺位移云圖

圖3 承臺底緣主拉應力云圖（單位：Pa）

在下承臺底緣設置縱橫向預應力后，承臺底緣主拉應力分布情況見圖3，承臺底緣中線處的主拉應力變化情況見圖4。

圖4 承臺底緣主拉應力分布圖

當未設置承臺預應力時，由于樁基對承臺的彈性支撐約束，在由球鉸傳遞下來的集中轉體重量作用下，承臺下緣基本處于受拉狀態，最大拉應力達到了8.05MPa。該值已遠超混凝土的抗拉強度標準值，說明混凝土已明顯開裂。

當設置承臺預應力后，承臺底面最大拉應力為1.95MPa，承臺應力狀態得到了有效改善，雖然承臺底面中心部位仍然存在拉應力，但該值小于混凝土抗拉強度標準值，混凝土開裂的概率極大降低，結構耐久性得到有效保證。

有預應力承臺底緣中線處主壓應力分布情況見圖5。在轉體階段，承臺下緣最大主壓應力為7.0MPa。樁頂截面豎向反力結果見表1。

圖5 有預應力承臺底緣主壓應力分布圖

表1 樁頂反力結果 單位：kN

當未設置承臺預應力時，樁頂反力不均勻，超過1/3 的轉體重量由球鉸正下方的1 號樁基承擔，1 號中心樁的反力為4 號角樁反力的2.07 倍。當設置承臺預應力后，1 號中心樁的反力為4 號角樁反力的1.10 倍。

承臺在縱橫向預應力的作用下，會表現出一定程度的反拱，其與轉體荷載產生的碟形變形相疊加，可減少承臺變形，樁頂反力更加均勻。同時，由于預應力效應的存在，承臺底緣應力狀態也得到有效改善。

3.2 預應力張拉時間的確定

在轉體橋施工中，盡可能早地完成對轉體承臺基坑的回填，降低施工過程中的安全風險，有效保證既有鐵路路基穩定。對于有預應力的承臺模型，當轉體重量未施加時，即在承臺澆筑完成并達到強度后就張拉承臺預應力，樁頂反力如表1 所示。

此時，承臺頂緣最大主拉應力為1.2MPa，小于混凝土抗拉強度標準值，受力能夠滿足要求。中樁處于受拉狀態，拉力值為1463kN，該拉力值小于樁身的抗拉強度，樁身受力能夠滿足要求[5]。

目前，并無關于樁基在施工階段受拉對承臺樁基承載力的影響的相關研究成果，但樁基受拉勢必對樁周土產生擾動，并可能導致樁底脫空。為避免樁基受拉對基礎可能產生的不利影響，應控制預應力張拉時間，保證預應力張拉時，樁體不會產生拉力。

對于該轉體橋，確定合理的預應力張拉時間應按以下原則進行：

第一，預應力張拉前，承臺底緣拉應力不超過混凝土抗拉強度標準值。

第二，預應力張拉后，樁基不出現負反力。

在不同轉體重量下的樁基反力結果，如圖6 所示。從圖中可以看出，要使樁基不出現負反力，應在轉體結構重量達到20000kN 后，張拉預應力。未張拉預應力承臺底緣應力與轉體結構重量關系，如圖7 所示。為保證張拉預應力前，承臺底緣應力不超限，應在轉體結構重量小于50000kN 時張拉承臺預應力。

圖6 樁頂反力與轉體結構重量關系

圖7 未張拉預應力承臺底緣應力與轉體結構重量關系

基于上述原則，該橋最終確定在橋墩施工至18m時進行預應力鋼束的張拉，此時，上轉盤、轉臺及墩身的結構體積約為1328m3，相應的重量約為34500kN。

4 現場實際應用

現場4 處轉體重量均為16600t。實際施工過程中按照該計算模型進行施工，張拉時間為墩柱施工至18m 時進行，相應重量為：20000kN＜34500kN＜50000kN。

5 結論

依托武漢至大悟高速公路跨鐵路轉體立交橋，對大噸位轉體橋承臺施工階段的受力狀態展開分析研究，分析表明：

第一，為了減小基坑深度，降低轉體承臺厚度，采用設置縱橫向預應力的方式可有效改善大噸位轉體橋承臺受力狀態，避免承臺開裂，減少轉體階段各樁基反力不均勻的現象。

第二，對于轉體橋梁，應通過有限元數值分析方法，確定承臺預應力合理張拉時間，既要保證張拉前，承臺底緣應力不超限值，又要保證預應力張拉后，各樁基不出現拉力等不利情況。

目前，水平轉體橋梁重量已達46000t，并在不斷突破中。未來將會出現更大噸位的墩底轉體橋梁，轉體承臺厚度與轉體噸位之間的矛盾將更加突出，設置預應力為轉體承臺施工提供了更大可能性。