黃永輝

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司鄭州分院，河南 鄭州 450000）

0 引言

轉(zhuǎn)體施工法主要利用牽引設(shè)備使得轉(zhuǎn)體系統(tǒng)以上結(jié)構(gòu)繞球鉸中心整體旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)體施工能夠在最低影響既有交通通行的情況下快速成橋。隨著轉(zhuǎn)體施工技術(shù)的成熟及不斷更新發(fā)展，其適用性也越來(lái)越廣。轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)在跨越公路、鐵路以及河流等地形復(fù)雜地段具有很大的優(yōu)勢(shì)，既安全又經(jīng)濟(jì)。為確保結(jié)構(gòu)能夠順利轉(zhuǎn)體，首先必須保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，以尋求理想狀態(tài)下能夠平衡轉(zhuǎn)體為先決條件。針對(duì)施工誤差、曲線因素以及不平衡風(fēng)荷載等偏心影響，應(yīng)盡量采取措施，減少轉(zhuǎn)體中心位置的不平衡彎矩，必要時(shí)可采取配重的方式平衡內(nèi)在因素的影響；對(duì)外在因素如風(fēng)荷載應(yīng)選擇相對(duì)有利的天氣進(jìn)行轉(zhuǎn)體。

作為特殊設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，其上轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)局部構(gòu)件錯(cuò)綜復(fù)雜，內(nèi)部多采用縱橫豎三相預(yù)應(yīng)力交錯(cuò)布置，不可避免地大范圍出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；考慮其受力的復(fù)雜性，該位置必須作為設(shè)計(jì)控制的重點(diǎn)部位加以研究，相應(yīng)內(nèi)部所需零構(gòu)件應(yīng)由具有相應(yīng)資質(zhì)的單位提供并委托其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)實(shí)施，以確保轉(zhuǎn)體過(guò)程順利進(jìn)行。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，球鉸局部分析應(yīng)結(jié)合彈性力學(xué)和接觸力學(xué)共同解決其構(gòu)件在轉(zhuǎn)體過(guò)程中的空間受力模式。通過(guò)分析球鉸局部的應(yīng)力狀態(tài)，以作為現(xiàn)實(shí)工程能夠得以實(shí)施的理論基礎(chǔ)。

以（2×60 m）T構(gòu)下部結(jié)構(gòu)主墩轉(zhuǎn)體過(guò)程局部應(yīng)力為研究對(duì)象。采用力學(xué)分析軟件Midas FEA建立三維網(wǎng)格實(shí)體單元模型，通過(guò)應(yīng)力結(jié)果分析研究局部構(gòu)件在轉(zhuǎn)體過(guò)程中的力學(xué)性能，以便為類(lèi)似結(jié)構(gòu)提供一定的參考價(jià)值。

1 橋梁概況

研究項(xiàng)目為周口至南陽(yáng)高速公路工程上跨漯阜鐵路立交橋，項(xiàng)目在周口市商水縣張莊鄉(xiāng)南與漯阜鐵路交叉，交叉處公路里程K2+391.400，鐵路下行線里程K41+364.6，交角77.1°。擬建橋梁跨越鐵路部分全寬28.4 m，其他部分與路基同寬，平面線形位于R=2 100 m圓曲線上，跨鐵路主橋采用（2×60 m）T型剛構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土整體式箱梁，鄰近鐵路聯(lián)采用（30+30）m預(yù)應(yīng)力混凝土裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，為減少橋梁施工對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的影響，跨鐵路主橋采用轉(zhuǎn)體法施工。（2×60 m）T構(gòu)橋下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、矩形空心墩。施工采用墩底平面轉(zhuǎn)體法，轉(zhuǎn)體長(zhǎng)度為（55+55）m，轉(zhuǎn)體重量為19 000 t。

主墩采用單箱雙室單柱矩形空心墩，墩高9.0 m，壁厚1.5 m，橫橋向?qū)挾?0.0 m，縱橋向?qū)挾?.0 m。主墩承臺(tái)厚5 m，其中轉(zhuǎn)體施工階段厚4 m，余下1 m在轉(zhuǎn)體施工完成后現(xiàn)澆。承臺(tái)平面尺寸為縱×橫為16.8 m×19.0 m矩形截面，承臺(tái)下設(shè)置20根Φ1.6 m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)65 m，由于計(jì)算分析對(duì)象為轉(zhuǎn)體過(guò)程中承臺(tái)及球鉸的受力情況，因此考慮較長(zhǎng)構(gòu)件對(duì)局部結(jié)果影響較小，取5 m的樁長(zhǎng)進(jìn)行分析。

樁基礎(chǔ)順橋向間距4.6 m，橫橋向間距4.0 m。計(jì)算中采用的橫斷面圖如圖1所示。其中，墩柱、上轉(zhuǎn)盤(pán)、承臺(tái)均采用C40混凝土，樁基礎(chǔ)采用C30混凝土［1］；上、下轉(zhuǎn)盤(pán)球鉸鋼板均采用Q345鋼材［2-3］。

圖1 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)橫斷面圖（單位：cm）

2 設(shè)計(jì)荷載

計(jì)算設(shè)計(jì)荷載考慮轉(zhuǎn)體重量、橋梁施工誤差產(chǎn)生的偏心距以及風(fēng)荷載［4］。

①轉(zhuǎn)體重量：上部梁+墩身+上轉(zhuǎn)盤(pán)+撐腳計(jì)=132 MN。

②施工誤差產(chǎn)生的縱橋向偏心彎矩：考慮混凝土縱向不對(duì)稱(chēng)澆筑誤差，偏心距離按0.20 m計(jì)。施工誤差產(chǎn)生的偏心彎矩為：132 000×0.2=264 00 kN·m。

③轉(zhuǎn)體施工時(shí)風(fēng)荷載：風(fēng)荷載如表1所示。由于縱向風(fēng)力對(duì)結(jié)果的影響相對(duì)較小，本次設(shè)計(jì)未做考慮［5］。

表1 風(fēng)荷載合計(jì)

3 模型介紹

運(yùn)用Midas FEA建立主墩三維網(wǎng)格實(shí)體單元模型，其中混凝土構(gòu)件采用實(shí)體（solid）單元模擬，球鉸下鋼板采用板單元（shell）進(jìn)行模擬，上轉(zhuǎn)盤(pán)鋼束采用預(yù)應(yīng)力鋼筋梁?jiǎn)卧M，單元參數(shù)根據(jù)各構(gòu)件材料實(shí)際參數(shù)輸入。另外，球鉸上、下鋼板的接觸行為采用接觸對(duì)進(jìn)行模擬，貫穿類(lèi)型為對(duì)稱(chēng)一般接觸，剛度比例因子取4，摩擦系數(shù)取0.1；撐腳與滑道間采用間隙單元進(jìn)行模擬。樁底固結(jié)，承臺(tái)下底面增加平面彈簧以模擬土彈簧約束［6］。模型如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)Midas FEA三維網(wǎng)格實(shí)體單元模型圖

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 上轉(zhuǎn)盤(pán)主應(yīng)力結(jié)果

圖3為上轉(zhuǎn)盤(pán)最不利組合工況下三維網(wǎng)格單元的主應(yīng)力結(jié)果。由圖3可知，上轉(zhuǎn)盤(pán)混凝土主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且轉(zhuǎn)盤(pán)外緣大于轉(zhuǎn)盤(pán)中心；同時(shí)在偏心Y軸正方向的混凝土外緣壓應(yīng)力最大值達(dá)19.1 MPa，有明顯增大。

圖3 上轉(zhuǎn)盤(pán)主應(yīng)力圖

4.2 球鉸下鋼板主應(yīng)力結(jié)果

圖4為球鉸下鋼板最不利組合工況下三維網(wǎng)格單元的主應(yīng)力結(jié)果。由圖4可知，球鉸下鋼板主應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且鋼板外緣較大于鋼板中心；同時(shí)在偏心Y軸正方向的混凝土外緣壓應(yīng)力較正常荷載工況同樣增大，負(fù)方向減小，最大值達(dá)63.0 MPa。

圖4 球鉸下鋼板主應(yīng)力圖

4.3 主墩與轉(zhuǎn)盤(pán)連接部位主應(yīng)力結(jié)果

圖5為主墩與轉(zhuǎn)盤(pán)連接部位最不利組合工況下三維網(wǎng)格單元的主應(yīng)力結(jié)果。由圖5可知，最不利荷載工況下主墩與轉(zhuǎn)盤(pán)連接處的主應(yīng)力相差很小，其中，最大主拉應(yīng)力為1.7 MPa，最大主壓應(yīng)力約為14.4 MPa。這主要是由于球鉸通過(guò)摩擦水平位移實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，相當(dāng)于鉸接約束，能很大程度削弱偏心荷載在橋墩與上轉(zhuǎn)盤(pán)連接處的彎扭效應(yīng)。

圖5 主墩與轉(zhuǎn)盤(pán)連接部位主應(yīng)力圖

4.4 下承臺(tái)主應(yīng)力結(jié)果

圖6為下承臺(tái)混凝土最不利組合工況下三維網(wǎng)格單元的主應(yīng)力結(jié)果。由圖6可知，最不利荷載工況下下承臺(tái)的最大主拉應(yīng)力相差不大，其主要位于承臺(tái)頂面球鉸下鋼板邊緣位置，其中主拉應(yīng)力最大值約為1.7 MPa。對(duì)于最大主壓應(yīng)力，均發(fā)生在承臺(tái)頂面球鉸下鋼板位置，最不利工況主壓應(yīng)力最大值為19.5 MPa。

圖6 下承臺(tái)主應(yīng)力圖

5 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)周口至南陽(yáng)高速公路工程上跨漯阜鐵路立交橋（2×60 m）T構(gòu)下部結(jié)構(gòu)主墩轉(zhuǎn)體過(guò)程局部應(yīng)力分析結(jié)果，分析總結(jié)如下。

①理想轉(zhuǎn)體情況下上轉(zhuǎn)盤(pán)混凝土基本能保證混凝土處于受壓狀態(tài)，然而綜合考慮橋梁曲線影響、施工因素以及外部環(huán)境等影響，大多數(shù)情況下很難保證結(jié)構(gòu)理想轉(zhuǎn)體。在偏心荷載作用下，容易出現(xiàn)受力中心相較于外側(cè)邊緣有利的情況；設(shè)計(jì)配筋上應(yīng)同時(shí)加強(qiáng)外邊緣鋼筋布置。

②同上轉(zhuǎn)盤(pán)混凝土受力情況相同，球鉸下鋼板的主應(yīng)力亦基本處于受壓狀態(tài)；同時(shí)偏心荷載同樣會(huì)增大鋼板的主壓應(yīng)力，由于同等情況下鋼材相較于混凝土有良好的剛性，故線彈性理論滿足基本受力即可。

③相對(duì)于上轉(zhuǎn)盤(pán)和球鉸下鋼板，偏載效應(yīng)對(duì)墩與轉(zhuǎn)盤(pán)連接處的主應(yīng)力影響則很小。

④下承臺(tái)位置底面與中心樁連接處的主拉應(yīng)力較大，偏心荷載基本由偏壓側(cè)樁身承擔(dān)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮偏載的影響，以確保結(jié)構(gòu)安全，此外，同時(shí)考慮基礎(chǔ)底部土的約束作用，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更符合實(shí)際，建議設(shè)計(jì)上予以考慮。

6 結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)體施工作為一種常見(jiàn)的橋梁施工方式，在城市立交路段以及上跨鐵路路段等情況下，考慮維持現(xiàn)有道路及鐵路的正常運(yùn)營(yíng)，多采用轉(zhuǎn)體法施工。因此，轉(zhuǎn)體過(guò)程中的安全施工是整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)能否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)的重中之重。本研究結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，通過(guò)一（2×60 m）T構(gòu)下部結(jié)構(gòu)主墩轉(zhuǎn)體過(guò)程局部應(yīng)力分析，研究其受力的安全性和合理性。通過(guò)結(jié)果分析，轉(zhuǎn)體過(guò)程球鉸部位應(yīng)同時(shí)加強(qiáng)外邊緣配筋布置，同時(shí)設(shè)計(jì)上應(yīng)同時(shí)考慮偏心荷載作用的影響。為了更好地模擬轉(zhuǎn)體過(guò)程中的受力情況，切合實(shí)際，建議考慮承臺(tái)部位土層對(duì)構(gòu)件的影響。此外，著重研究了轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)在靜力狀態(tài)下的應(yīng)力情況，未做轉(zhuǎn)體過(guò)程中的動(dòng)態(tài)分析效應(yīng)。在今后的設(shè)計(jì)過(guò)程中若能夠綜合考慮動(dòng)力作用，相信對(duì)實(shí)際工程的應(yīng)用能夠起到更有優(yōu)勢(shì)、更直觀以及更高效的響應(yīng)。最后，望本設(shè)計(jì)結(jié)果分析能對(duì)類(lèi)似構(gòu)件提供一定的參考價(jià)值。