轉(zhuǎn)體橋梁球鉸設(shè)計(jì)

劉 濤

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津300251）

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了很多立交橋梁上跨鐵路的情況，城市立交橋匝道經(jīng)常位于小半徑上，由于目前缺乏相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和資料，設(shè)計(jì)時(shí)往往盡量調(diào)整線型避免這種情況。然而，這種做法不僅會(huì)降低平面的線形指標(biāo)，影響行車舒適性，增加造價(jià)，而且易造成安全事故，影響橋梁的美觀。

當(dāng)前轉(zhuǎn)體鋼構(gòu)橋?yàn)榭缭郊扔蟹泵﹁F路干線尤其是高速鐵路的首選方案，而小半徑曲線轉(zhuǎn)體橋梁的設(shè)計(jì)在國內(nèi)還是空白。目前急需開展對(duì)跨鐵路小半徑曲線轉(zhuǎn)體橋的受力特點(diǎn)、轉(zhuǎn)體系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)構(gòu)造等方面的研究。現(xiàn)以太原市北中環(huán)線工程跨石太客專及石太線立交橋項(xiàng)目為例，針對(duì)小半徑轉(zhuǎn)體橋的轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)展開研究。

1 工程概況

跨石太客專及石太線立交橋工程是太原市北中環(huán)澗河立交橋的一部分，為轉(zhuǎn)體施工T型剛結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)體墩設(shè)在鐵路西側(cè)，順鐵路施工剛構(gòu)橋，梁部采用鋼箱梁。轉(zhuǎn)體系統(tǒng)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)由下轉(zhuǎn)盤、球鉸、上轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)動(dòng)牽引系統(tǒng)組成，轉(zhuǎn)體總重量為W=18000kN。上、下轉(zhuǎn)盤之間設(shè)置鋼質(zhì)球鉸，分上下兩片，在下球面板上鑲嵌填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板，靜摩擦因數(shù)小于0.05，動(dòng)摩擦因數(shù)小于0.03。

2 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)

主橋采用轉(zhuǎn)體法施工，外側(cè)防撞護(hù)欄與防護(hù)屏施工完成后整幅轉(zhuǎn)體，跨線處一次轉(zhuǎn)體就位，其他部分為支架拼裝施工。

2.1 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)體下盤、球鉸、上轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)動(dòng)牽引系統(tǒng)組成。牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)則應(yīng)先按轉(zhuǎn)體重量、摩擦系數(shù)等計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)牽引力大小，確定牽引鋼絞線的配置及張拉臺(tái)座。

2.2 球鉸

球鉸是實(shí)現(xiàn)橋梁轉(zhuǎn)體施工的關(guān)鍵，是轉(zhuǎn)動(dòng)體系的核心構(gòu)件。由于本橋位于曲線上，橋梁橫向存在扭轉(zhuǎn)的力矩，為了平衡這一力矩，橋梁的結(jié)構(gòu)中心設(shè)有1.70m的偏心，確保轉(zhuǎn)體時(shí)結(jié)構(gòu)處于一個(gè)自平衡的狀態(tài)。球鉸設(shè)計(jì)豎向承載能力采用1.8萬kN。

2.3 撐腳、滑道

2.3.1 撐腳

上盤撐腳即為轉(zhuǎn)體時(shí)支撐轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平穩(wěn)的保險(xiǎn)腿。從轉(zhuǎn)體時(shí)保險(xiǎn)腿的受力情況考慮，轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)稱的兩個(gè)保險(xiǎn)腿之間的中心線與上盤縱向中心線重合，使8個(gè)保險(xiǎn)腿對(duì)稱分布于縱軸線的兩側(cè)。

2.3.2 滑道

在撐腳下方（即下盤頂面）設(shè)寬0.9m的滑道，滑道半徑3.35m，保持轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平穩(wěn)。要求整個(gè)滑道面在一個(gè)水平面上，其相對(duì)高差不大于2mm?；兰皳文_布置如圖1。

圖1 滑道及撐腳布置

2.4 轉(zhuǎn)盤

轉(zhuǎn)盤是轉(zhuǎn)體的重要組成部分，轉(zhuǎn)盤由上轉(zhuǎn)盤和下轉(zhuǎn)盤組成［7］。

2.4.1 上轉(zhuǎn)盤

上轉(zhuǎn)盤是轉(zhuǎn)體的重要結(jié)構(gòu)，在整個(gè)轉(zhuǎn)體過程中形成一個(gè)多向、立體的受力狀態(tài)。上轉(zhuǎn)盤高2m。轉(zhuǎn)臺(tái)直徑φ7.5m，高度0.8m。

2.4.2 下轉(zhuǎn)盤

下盤為支承轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)全部重量的基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)體完成后，與上轉(zhuǎn)盤共同形成基礎(chǔ)。下轉(zhuǎn)盤采用C50混凝土。下轉(zhuǎn)盤上設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的支座、保險(xiǎn)撐腳環(huán)形滑道及轉(zhuǎn)體拽拉千斤頂反力座等。下轉(zhuǎn)盤鋼筋布置如圖2。

圖2 下轉(zhuǎn)盤鋼筋布置

3 轉(zhuǎn)體球鉸模型

采用有限元分析軟件ANSYS12.0建立轉(zhuǎn)體橋梁球鉸部分實(shí)際尺寸的有限元模型。整體轉(zhuǎn)體球鉸模型如圖3。

圖3 整體轉(zhuǎn)體球鉸模型

建模過程采用SOLID186單元模擬上、下轉(zhuǎn)盤及球鉸鋼板。根據(jù)材料規(guī)格，轉(zhuǎn)體球鉸模型采用材料參數(shù)如表1；主墩柱頂面豎向力N=12935kN，按均勻力施加；不平衡彎矩M=28534kN·m。求解球鉸的應(yīng)力，如圖3。

表1 球鉸材料參數(shù)值

4 工程實(shí)例

太原市北中環(huán)線工程跨石太客專及石太線立交橋下采用整體模擬分析計(jì)算得到上下轉(zhuǎn)盤及球鉸節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖如圖4。

圖4 整體分析球鉸應(yīng)力

計(jì)算結(jié)果：轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)盤、下轉(zhuǎn)盤主要以受壓為主，最大壓應(yīng)力小于22MPa，從應(yīng)力云圖可看出，這是由于網(wǎng)格劃分不均勻和接觸界面突變導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象。除去個(gè)別應(yīng)力集中節(jié)點(diǎn)，下轉(zhuǎn)盤應(yīng)力分布均勻，符合真實(shí)受力情況。根據(jù)JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》，C50混凝土允許抗壓強(qiáng)度22.68MPa，鋼材允許強(qiáng)度345MPa（短暫狀況局部應(yīng)力按屈服強(qiáng)度控制），C50混凝土允許抗壓強(qiáng)度22.68MPa，鋼材允許強(qiáng)度490MPa，由主應(yīng)力云圖看出無論是混凝土應(yīng)力還是鋼板應(yīng)力值均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)是安全的，本工程球鉸設(shè)計(jì)是合理可靠的。

5 結(jié)語

（1）跨石太客專及石太線立交橋工程是太原市北中環(huán)澗河立交橋的一部分。工期緊，精度要求高，采用轉(zhuǎn)體法施工。

（2）本工程采用有限元分析軟件ANSYS模型，轉(zhuǎn)體施工模擬計(jì)算，減少了施工工期，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。目前，本工程已順利施工結(jié)束，其工藝達(dá)到預(yù)期，說明此設(shè)計(jì)方案效果比較理想。

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