楊公新 劉慧利

1 工程概況

某上跨鐵路的高速立交橋，橋跨布置為2×80 m預(yù)應(yīng)力混凝土T形剛構(gòu)，雙薄壁墩。主橋上部結(jié)構(gòu)采用變截面單箱三室，整幅設(shè)橋。T構(gòu)中間支點(diǎn)處梁高6.2 m，邊支點(diǎn)梁高2.8 m，橋面寬28.0 m，按雙向行駛八車道設(shè)計(jì)。下部結(jié)構(gòu)主墩采用矩形雙壁墩。橋梁采用轉(zhuǎn)體施工，轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分上下兩部分，上轉(zhuǎn)盤高3 m，寬14 m，上部有高2 m的承臺(tái)，承臺(tái)橫橋向10 m同主墩寬度，縱橋向?yàn)橹鞫胀膺吘夐g距。圖1，圖2給出了轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的布置圖。由于是雙幅同時(shí)轉(zhuǎn)體，結(jié)構(gòu)自重很大，考慮到施工過程的安全性，現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

2 結(jié)構(gòu)整體靜力分析

根據(jù)圣維南原理，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力分布只與鄰近區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)其應(yīng)力分布的影響很小。

在對(duì)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)局部區(qū)域分析之前，首先要對(duì)全橋體系進(jìn)行靜力分析，計(jì)算得到該橋在恒載作用下墩底的截面內(nèi)力，并以此作為轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)模型加載的依據(jù)，再取脫離體建立局部空間有限元模型進(jìn)行精細(xì)化分析，計(jì)算分析轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布與變形情況。結(jié)構(gòu)整體靜力分析采用有限元程序 MIDAS-Civil，全橋劃分為102個(gè)梁?jiǎn)卧?，?jì)算模型如圖3所示。通過計(jì)算分析得出在恒載作用下，墩底豎向反力為157 962.99 kN。

3 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)局部分析采用通用有限元計(jì)算軟件ANSYS。采用實(shí)體單元Soild65模擬混凝土;用板單元Shell181模擬上球鉸球面以及下球鉸的四氟板;上球鉸和下球鉸的球面接觸采用接觸單元Conta174和Targe170來模擬。整體結(jié)構(gòu)離散為76 816個(gè)實(shí)體單元和312個(gè)殼單元。圖4給出了轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)有限元模型。計(jì)算模型在橋墩所在的面施加均布面力來模擬橋梁上部對(duì)轉(zhuǎn)體的豎向作用力，荷載大小由結(jié)構(gòu)整體靜力分析計(jì)算得出。預(yù)應(yīng)力作用以等效分布面荷載的形式施加到對(duì)應(yīng)表面上。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 位移與變形

圖5給出了轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)豎向變形圖。從計(jì)算結(jié)果可以看出:結(jié)構(gòu)整體最大豎向變形為4.776 mm，位置在上轉(zhuǎn)盤邊緣。結(jié)構(gòu)的豎向變形較小，滿足轉(zhuǎn)體施工過程中的安全要求。

4.2 應(yīng)力分布情況

考慮到結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為方便分析僅給出1/4結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖。圖6～圖8分別給出了轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)在順橋向、橫橋向以及豎向的應(yīng)力云圖。

從圖6～圖8可看出:轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)在順橋向最大拉應(yīng)力為5.67 MPa，出現(xiàn)在承臺(tái)頂部中心，最大壓應(yīng)力為 20.05 MPa，出現(xiàn)在上轉(zhuǎn)盤下部混凝土塊鋼板包裹處;結(jié)構(gòu)在橫橋向最大拉應(yīng)力為5.08 MPa，出現(xiàn)在承臺(tái)頂部中心，最大壓應(yīng)力為 18.77 MPa，出現(xiàn)在上轉(zhuǎn)盤下部混凝土塊鋼板包裹處;結(jié)構(gòu)豎向最大拉應(yīng)力為1.87 MPa，最大壓應(yīng)力為36.63 MPa?？紤]到上轉(zhuǎn)盤也是轉(zhuǎn)體施工過程中較為關(guān)鍵的受力構(gòu)件，為分析轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)盤的受力特性，圖9～圖11單獨(dú)給出轉(zhuǎn)體體系上轉(zhuǎn)盤的應(yīng)力云圖。

從上轉(zhuǎn)盤應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)盤順橋向最大拉應(yīng)力為1.75 MPa，出現(xiàn)在上轉(zhuǎn)盤頂部中心位置;橫橋向最大拉應(yīng)力為2.409 MPa，同樣出現(xiàn)在上轉(zhuǎn)盤頂部中心位置;豎向最大拉應(yīng)力為0.745 1 MPa。最大壓應(yīng)力在順橋向?yàn)?6.796 MPa，橫橋向?yàn)?6.124 MPa，豎向?yàn)?4.163 MPa，最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在上球鉸外包鋼板和混凝土連接位置。

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，承臺(tái)頂部中心處拉應(yīng)力高度集中，上轉(zhuǎn)盤下部混凝土塊鋼板包裹處壓應(yīng)力高度集中，上球鉸外包鋼板和混凝土連接位置壓應(yīng)力高度集中。這3個(gè)部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象是整個(gè)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。考慮到高應(yīng)力區(qū)域很小，且這三處均有鋼板加強(qiáng)，整體上對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響較小，但應(yīng)保證傳力鋼板與混凝土的連接質(zhì)量，以免應(yīng)力集中產(chǎn)生不利影響。

5 結(jié)語

由于設(shè)計(jì)和施工主要關(guān)注上轉(zhuǎn)盤的受力特性，因此本次計(jì)算著重對(duì)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的上轉(zhuǎn)盤進(jìn)行了分析。從以上計(jì)算結(jié)果可以得出:1)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)變形合理，沒有發(fā)現(xiàn)局部的失穩(wěn)或突變。2)結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力狀態(tài)較低，但局部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，需通過一定的局部加強(qiáng)構(gòu)造措施，保證轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能滿足施工安全要求。

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