某桥梁转体系统的局部应力分析

刘 璐，张守城，陈丽军

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 430056）

1 桥梁工程概况

G309青兰线坊子流戈庄至潍城潘里段改建工程采用（65+65）m跨径的连续T构上跨胶济铁路（见图1）。T构上部结构采用单箱三室箱形截面，桥面宽26 m，中支点处梁高5 m，边支点处梁高2.2 m，梁底线形按1.8次抛物线变化。桥梁下部结构主墩采用单肢墩，墩身高9 m，横向尺寸12.8 m，墩壁厚3.5 m。该现浇T构采用转体施工方案，转盘结构采用环道与中心支承相结合的球铰转动体系[1]，基础采用直径1.8 m的钻孔灌注桩。

图1 桥型布置示意图（单位：m）

2 转体系统介绍

转体结构由转体下转盘、球铰、上转盘、转动牵引系统组成（见图2）。

图2 转体系统布置示意图（单位：cm）

下转盘为支承转体结构全部重量的基础，转体完成后，与上转盘共同形成基础。下转盘采用C55混凝土。钢球铰直径为Φ6 000 mm，厚度为100 mm，分上下两片。上盘撑脚即为转体时支撑转体结构平稳的保险腿。从转体时保险腿的受力情况考虑，转台对称的两个保险腿之间的中心线与上盘纵向中心线重合，使保险腿对称分布于纵轴线的两侧[2]。在撑脚的下方（即下盘顶面）设有1.33 m宽的滑道，滑道半径为5.15 m，转体时保险撑脚可在滑道内滑动，以保持转体结构平稳。要求整个滑道面在一个水平面上，其相对高差不大于0.5 mm。上盘是转体的重要结构，在整个转体过程中形成一个多向、立体的受力状态，上盘布有纵、横、竖三向预应力钢筋。上盘边长18.7 m，高2.5 m，平面四个边角切3 m的切角，为八边形构造；转台直径Φ11.5 m，高度1.0 m。

3 转体系统局部受力分析

3.1 有限元计算方法及模型

桥梁转体施工球铰结构局部验算借助于有限元程序ANSYS进行，混凝土结构用实体单元solid65模拟，采用link8桁架单元模拟钢绞线，并采用初应变的方法施加预应力，考虑预应力损失，按照0.8倍设计张拉荷载施加预应力[3]。该计算模型包括7 m高桥墩、八边形承台，圆形转盘及球铰，模型对墩节点自由度进行约束。结构有限元模型如图3所示。

图3 球铰结构计算有限元模型

3.2 荷载

模型考虑了球铰及其以上荷载163 000 kN，该荷载按均布荷载垂直作用在球铰范围内处于承台支撑范围内的面上。纵横竖三向施加预应力[4]。纵横向采用15-φs15.2高强度低松弛预应力钢绞线，张拉控制应力均为1 395×0.8=1 116（MPa），竖向采用无粘结预应力钢棒，张拉控制应力均为595×0.8=476（MPa）。

3.3 主要应力计算结果

（1）剔除预应力锚固处的应力集中所引起的拉应力，横桥向混凝土最大拉应力为0.83 MPa，出现在上转盘、转台两侧边缘；压应力为7.24 MPa，主要分布于球铰位置。其余各截面均为压应力，球铰局部位置压应力相对较大，且应力较为集中（见图4、图5）。

图4 球铰横桥向应力云图一（单位：MPa）

图5 球铰横桥向应力云图二（单位：MPa）

（2）剔除预应力锚固处的应力集中所引起的拉应力，竖向混凝土拉应力出现在上转盘顶及转台下缘，最大拉应力为0.73 MPa，球铰位置压应力基本在6.24 MPa内（见图6、图7）。

图6 球铰竖向应力云图一（单位：MPa）

图7 球铰竖向应力云图二（单位：MPa）

（3）剔除预应力锚固处的应力集中所引起的拉应力，顺桥向混凝土最大拉应力为0.83 MPa，出现在转台两侧边缘；压应力为8.4 MPa，主要分布于转台顶部与桥墩连接附近区域，其余位置基本处于受压范围内（见图8、图9）。

图8 球铰顺桥向应力云图一（单位：MPa）

（4）剔除预应力锚固处的应力集中所引起的拉应力，混凝土最大主拉应力为1.23 MPa，出现在上转盘底缘；主压应力为9.7 MPa，主要分布于桥墩与转台连接位置区域。其余位置主压应力基本小于8.6 MPa（见图10、图11）。

图9 球铰顺桥向应力云图二（单位：MPa）

图10 球铰主拉应力云图（单位：MPa）

图11 球铰主压应力云图（单位：MPa）

（5）纵横向预应力钢筋最大应力为1 114.4 MPa（见图12），竖向JL32精轧螺纹钢最大应力为485MPa（见图13）。

图12 预应力钢筋轴向应力云图（单位：MPa）

图13 JL32钢筋轴向应力云图（单位：MPa）

4 结论

（1）经分析，转体球铰混凝土最大拉应力0.83MPa，最大压应力8.4 MPa，最大主拉应力1.23 MPa，最大主压应力9.7 MPa，均满足C55混凝土设计强度要求，该分析已为该桥的设计施工提供依据。

（2）设置观测点，严格控制启动和制动，必须利用千斤顶反力座启动，发现有偏转应及时纠偏。启动牵引应注意缓慢加载，并及时观测转体结构状态，确保启动时结构安全。

（3）在转体过程中必须进行转体关键部位（含梁、墩和转体结构等）的应力、应变监测。