【摘要】

某跨鐵路（150+150） m獨塔斜拉橋采用轉(zhuǎn)體施工，轉(zhuǎn)體噸位3.6萬t，屬于超大噸位，國內(nèi)罕見。為研究其轉(zhuǎn)體系統(tǒng)穩(wěn)定性及安全性，采用有限元分析軟件MIDAS FEA作為主要計算程序。結(jié)果表明：軸壓狀態(tài)上轉(zhuǎn)盤主拉應力大于2.7 MPa，主要位于鋼束錨固端，主壓應力最大為15.2 MPa，位于球鉸周邊?？v向傾覆穩(wěn)定系數(shù)7.75，橫向傾覆穩(wěn)定系數(shù)18.06，均大于2.5，滿足要求。牽引所強度利用率2.8，滿足要求。

【關(guān)鍵詞】轉(zhuǎn)體施工； 斜拉橋； 超大噸位； 有限元； 穩(wěn)定系數(shù)

【中圖分類號】U445.465【文獻標志碼】A

［定稿日期］2023-08-18

［作者簡介］翁雪峰（1990—），男，碩士，工程師，研究方向為特殊結(jié)構(gòu)橋梁設計。

當前，在道路規(guī)劃過程中對跨越鐵路往往采用橋梁方案，為減小對鐵路影響，轉(zhuǎn)體施工已經(jīng)成為橋梁施工首選方案。橋梁轉(zhuǎn)體施工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［1-2］。橋梁轉(zhuǎn)體施工具有精度要求高、操作過程復雜以及技術(shù)難度大等特點。文望青等［3］對某雙幅預應力混凝土矮塔斜拉橋轉(zhuǎn)體施工過程中進行驗算。

目前，跨鐵路橋梁的跨度不斷增加，轉(zhuǎn)體的重量也越來越大，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的分析也較為復雜［4-5］。某跨鐵路立交橋采用（150+150）m 獨塔斜拉橋，轉(zhuǎn)體重量超過35 000 t，為研究其轉(zhuǎn)體系統(tǒng)穩(wěn)定性及安全性，采用有限元分析軟件MIDAS FEA建立三維有限元模型進行分析。

1 工程概況

某跨鐵路橋采用獨塔斜拉橋跨越鐵路5股道，設計時速40 km/h，道路等級為城市主干路，其跨徑布置為（150+150） m，主橋立面如圖1所示。橋梁設計荷載為城-A級×1.3，抗震設防烈度為8度，采用轉(zhuǎn)體施工，轉(zhuǎn)體重量為：35 000 t，轉(zhuǎn)體長度為（142.5+142.5） m，道路設計線與既有鐵路交角為32°。

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設置在5號墩底部，由轉(zhuǎn)盤、球鉸、撐腳、環(huán)形滑道、牽引系統(tǒng)和助推系統(tǒng)等部分組成。

轉(zhuǎn)體下轉(zhuǎn)盤為橋墩的承臺，轉(zhuǎn)體完成后，與上轉(zhuǎn)盤共同形成橋梁基礎(chǔ)，下轉(zhuǎn)盤采用C55混凝土。下轉(zhuǎn)盤設置轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的下球鉸直徑7.5 m、環(huán)形滑道中心直徑為15.3 m。

轉(zhuǎn)體上轉(zhuǎn)盤順橋向18 m，橫橋向18 m，高4.5 m（轉(zhuǎn)臺直徑17 m，高度1.1 m）。上轉(zhuǎn)盤下設有8組撐腳，每組撐腳由2個600×30 mm的鋼管混凝土組成，下設30 mm厚鋼板，鋼管內(nèi)灌注C55微膨脹混凝土，撐腳與下滑道的間隙為20 mm。

轉(zhuǎn)體球鉸采用鋼球鉸，分上下2片，球體半徑R7 500 mm，設計豎向承載力為530 000 kN。轉(zhuǎn)體系統(tǒng)如圖2和3所示。

2 有限元模型

為分析超大噸位跨鐵路獨塔斜拉橋穩(wěn)定性和安全性，采用有限元分析軟件MIDAS FEA建立三維有限元模型進行分析。所建立的有限元模型如圖4所示。

模型考慮了球鉸及其以上荷載310 744.5 kN，該荷載按均布荷載垂直作用在牽引盤底部球鉸范圍內(nèi)的面上。上轉(zhuǎn)盤縱橫向鋼束采用15-s15.2高強度低松弛預應力鋼絞線，標準強度為1 860 MPa，拉控制應力均為1 209 MPa。

根據(jù)JTG 3362-2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》，第7.2節(jié)短暫狀況構(gòu)件應力計算要求，應符合表1要求。

3 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)分析

3.1 上轉(zhuǎn)盤受力性能分析

3.1.1 Sxx正應力計算結(jié)果

軸壓狀態(tài)最大拉應力為0.6 MPa，大于0.6 MPa的部分主要位于鋼束錨固端（圖5）。偏壓狀態(tài)最大拉應力為2.5 MPa，位于球鉸X方向附近（圖6）。

3.1.2 Syy正應力計算結(jié)果

軸壓狀態(tài)最大拉應力為0.5 MPa，大于0.5 MPa的部分主要位于鋼束錨固端（圖7）。偏壓狀態(tài)最大拉應力為2.0 MPa，位于球鉸Y方向附近（圖8）。

3.1.3 主拉應力計算結(jié)果

軸壓狀態(tài)主拉應力大于2.7 MPa的部分主要位于鋼束錨固端（圖9、圖10）。

3.1.4 主壓應力計算結(jié)果

主壓應力最大為15.2 MPa，且位于球鉸周邊（圖11）。

3.2 傾覆穩(wěn)定性計算

結(jié)構(gòu)的傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)為結(jié)構(gòu)自重構(gòu)成的抗傾覆力矩與風力等構(gòu)成的傾覆力矩二者之比，傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)應大于2.5（圖12）。

轉(zhuǎn)體施工時結(jié)構(gòu)處于最大懸臂狀態(tài)，轉(zhuǎn)體重量主要包括轉(zhuǎn)體范圍梁部、橋墩、上轉(zhuǎn)盤、部分二恒載重量總重369 471 kN。

根據(jù)JTG/T 3360-01-2018《公路橋梁抗風設計規(guī)范》附錄A取當?shù)貐^(qū)十年一遇風速：U10=26.6 m/s；百年一遇風速：U10=32.6 m/s；地表分類為B類，地表粗糙度系數(shù)為0.16。主梁自重不平衡按3%計，未考慮平衡壓重效應。

經(jīng)計算，縱向穩(wěn)定系數(shù)7.75，橫向穩(wěn)定系數(shù)18.06，均大于2.5，滿足要求。

3.3 轉(zhuǎn)動牽引力驗算

（1）正常轉(zhuǎn)動情況轉(zhuǎn)動牽引力計算。

T＝2/3×（R·W·μ）D

R＝3.435 m，W＝369471 kN，D＝17 m，靜摩擦系數(shù)μj＝0.1，動摩擦系數(shù)μd＝0.06，計算結(jié)果：

啟動時所需最大牽引力T＝2/3×（R·W·μj）D＝4977 kN。

轉(zhuǎn)動過程中所需牽引力T＝2/3×（R·W·μd）D＝2986 kN。

（2）偏載轉(zhuǎn)動情況轉(zhuǎn)動牽引力計算。

T＝2/3×（R·（W-Nc）·μ）D+μ·Nc·Rc/D

Nc＝21098 kN，Rc＝7.65 m，計算結(jié)果：

啟動時所需最大牽引力T＝2/3×（R·（W-Nc）·μj）D+μj·Nc·Rc/D＝5642 kN。

轉(zhuǎn)動過程中所需牽引力T＝2/3×（R·（W-Nc）·μd）D+μd·Nc·Rc/D＝3385 kN。

（3）牽引索受力驗算。

兩套牽引系統(tǒng)形成水平旋轉(zhuǎn)力偶，通過拽拉錨固且纏繞于直徑1 700 cm的轉(zhuǎn)臺圓周上的40-s15.2 mm鋼絞線，使得轉(zhuǎn)動體系轉(zhuǎn)動。牽引索破壞力：

F＝1395×140×40÷1000=7812 kN ＞T最大＝5642/2=2821 kN。

強度利用率：7812÷2821=2.8

牽引索有足夠的安全系數(shù)，滿足要求。

4 結(jié)束語

運用有限元軟件Midas FEA建立某超大噸位（36 947 t）跨鐵路獨塔斜拉橋轉(zhuǎn)體系統(tǒng)有限元模型，結(jié)合手算方式，重點分析了轉(zhuǎn)體系統(tǒng)穩(wěn)定性及安全性。計算結(jié)果表明，上轉(zhuǎn)盤的受力、轉(zhuǎn)體的傾覆穩(wěn)定、牽引系統(tǒng)的安全性均滿足要求。本文采用的超大噸位獨塔斜拉橋的轉(zhuǎn)體系統(tǒng)可以為后續(xù)同類橋型提供參考。

參考文獻

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

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