平轉(zhuǎn)橋梁墩柱鋼筋倒塌對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)支座受力影響分析

車(chē)曉軍 雷志超 王彥合 羅 平

(1.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063; 2.中交路橋華南工程有限公司 中山 528427)

某在建公路跨越繁忙既有鐵路，設(shè)計(jì)采用2×70 m先平行鐵路支架現(xiàn)澆，后轉(zhuǎn)體跨越既有鐵路線方案。設(shè)計(jì)采用轉(zhuǎn)動(dòng)支座作為轉(zhuǎn)動(dòng)和主要受力部件，額定承載能力為160 000 kN。轉(zhuǎn)體支座構(gòu)造由上、下2個(gè)鑄造而成的球擺組成，平面直徑d=3.50 m,由相配合的凸球面和凹球面通過(guò)底面中心銷(xiāo)軸連接，轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)造組成見(jiàn)圖1。

圖1 轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)造示意圖(單位：cm)

斜拉橋轉(zhuǎn)體噸位較大，設(shè)計(jì)墩柱比較高，由于缺少勁性骨架容易出現(xiàn)倒塌現(xiàn)象，從而對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)支座的受力性能產(chǎn)生一定影響[1-2]，甚至危及轉(zhuǎn)體安全，開(kāi)展墩柱鋼筋倒塌對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)支座受力和變形影響分析，具有較強(qiáng)的理論和實(shí)踐意義。

1 墩柱鋼筋倒塌荷載分析

1.1 倒塌形式

由轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)造和橋梁上部構(gòu)造可知，墩柱鋼筋在施工過(guò)程中，由于缺少勁性骨架，特別是水平向缺少支撐或聯(lián)結(jié)偏弱，極其容易出現(xiàn)沿縱橋方向倒塌，現(xiàn)場(chǎng)情況見(jiàn)圖2～圖3。

圖2 墩柱鋼筋失穩(wěn)示意圖

圖3 墩柱鋼筋尾端與冠梁接觸

在墩柱鋼筋倒塌過(guò)程中，將對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)體上承臺(tái)產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊，并將較大荷載傳遞至轉(zhuǎn)動(dòng)支座部分，對(duì)其應(yīng)力和變形產(chǎn)生影響。

1.2 墩柱倒塌等效荷載計(jì)算

1) 由圖2可知，墩柱鋼筋倒塌將沿著縱橋大里程方向，等效荷載計(jì)算示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 等效荷載計(jì)算示意圖(單位：cm)

2) 通過(guò)換算可以計(jì)算出圖4中各參數(shù)數(shù)值如下：①鋼筋失穩(wěn)內(nèi)側(cè)(縱向大里程方向)鋼筋等效力G1中心作用力臂L1=362.5 cm；②鋼筋失穩(wěn)外側(cè)(縱向小里程方向)鋼筋等效力G2中心作用力臂L2=587.5 cm；③等效荷載最大力臂La=475 cm；④等效荷載合理力臂Lb=350 cm；⑤等效荷載最小力臂Lc=225 cm。

3) 等效荷載計(jì)算方法

①G1與G2的分類(lèi)計(jì)算。將鋼筋失穩(wěn)時(shí)的荷載按橫橋向軸線兩側(cè)分成G1和G22個(gè)集中荷載，取鋼筋骨架半幅中心位置，距軸線112.5 cm。

鋼筋荷載計(jì)算取值范圍：鋼筋骨架高度等效于G1,G2中心作用力臂長(zhǎng)度，經(jīng)計(jì)算，G1的鋼筋質(zhì)量為7 517 kg,G2的鋼筋質(zhì)量為12 101 kg。

②不同力臂下的等效加載重量。設(shè)G為等效荷載加載位置，考慮Ga，Gb，Gc3種加載位置情況。

根據(jù)力矩平衡原理計(jì)算，由G·L=G1·L1+G2·L2分別計(jì)算，得

Ga=(G1·L1+G2·L2)/La=207.04 kN

Gb=(G1·L1+G2·L2)/Lb=280.98 kN

Gc=(G1·L1+G2·L2)/Lc=437.08 kN

③考慮鋼筋倒塌時(shí)沖擊影響，計(jì)算等效荷載見(jiàn)表2。

表2 考慮沖擊影響的計(jì)算荷載

2 轉(zhuǎn)動(dòng)支座受力驗(yàn)算

當(dāng)墩柱鋼筋倒塌時(shí)，作為轉(zhuǎn)動(dòng)支座和承臺(tái)混凝土的組合構(gòu)件，根據(jù)材料特性可知，薄弱部位需重點(diǎn)分析轉(zhuǎn)動(dòng)支座周?chē)炷脸惺艿钠d作用，根據(jù)偏心荷載受壓構(gòu)件的分布規(guī)律[4-5]，有

式中：σ1、σ2為主應(yīng)力；N為軸心壓力；A為截面積；M為等效彎矩值；y為與形心的距離；I為抗彎慣性矩。

1) 混凝土抗壓強(qiáng)度驗(yàn)算。

則d1=M1/N=129.0 m(破壞時(shí)的力臂值)。

根據(jù)鋼筋倒塌現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，最大的等效力臂僅為4.5 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于129.0 m，因此應(yīng)力不會(huì)超出混凝土抗壓強(qiáng)度。

2) 混凝土抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算。

則d2=M2/N=11.1 m(破壞時(shí)的力臂值)。

根據(jù)鋼筋倒塌現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，最大的等效力臂為4.5 m，小于11.1 m，因此應(yīng)力不會(huì)超出混凝土抗拉強(qiáng)度。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

3.1 加載值計(jì)算及分級(jí)

結(jié)合工程實(shí)際，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加載物采用尺寸0.6 m×0.6 m×2 m的混凝土預(yù)制塊，每塊重量約17 kN，同時(shí)考慮沖擊影響，所需加載物數(shù)量見(jiàn)表3。

表3 考慮沖擊影響的加載物數(shù)量

同時(shí)考慮加載效率和數(shù)據(jù)分析需要，從0～50%(按照10%遞增)～100%(按照10%遞增)～130%(按照10%遞增)進(jìn)行分級(jí)加載。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)加載

現(xiàn)場(chǎng)加載采用預(yù)制混凝土塊逐個(gè)稱(chēng)重，確保加載準(zhǔn)確。根據(jù)荷載換算并考慮沖擊效應(yīng)，分級(jí)加載至100%及130%，加載現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖5～圖6。

圖5 加載至100%

圖6 加載至130%

3.3 測(cè)點(diǎn)布置

現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)過(guò)程中，重點(diǎn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)支座在豎向荷載作用下的位移進(jìn)行測(cè)試，橫橋向及縱橋向分別布置智能位移計(jì)，見(jiàn)圖7～圖8。

圖7 轉(zhuǎn)動(dòng)支座位移(橫橋向)

圖8 轉(zhuǎn)動(dòng)支座位移(縱橋向)

3.4 測(cè)試數(shù)據(jù)

轉(zhuǎn)動(dòng)支座的位移測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 測(cè)試數(shù)據(jù)一覽表

由表4數(shù)據(jù)分析可知，在墩柱倒塌荷載作用下：

1) 轉(zhuǎn)動(dòng)支座水平方向的位移，當(dāng)達(dá)到130%加載時(shí)，縱橋向最大為0.04 mm，橫橋向?yàn)?.04 mm。

2) 轉(zhuǎn)動(dòng)支座豎直方向的位移，當(dāng)達(dá)到130%加載時(shí)，縱橋向最大為0.06 mm，橫橋向?yàn)?.00 mm。

通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知，轉(zhuǎn)動(dòng)支座在各個(gè)方向的變形均非常小，結(jié)構(gòu)處于彈性完好狀態(tài)。

3 結(jié)論

1) 通過(guò)理論驗(yàn)算分析可知，鋼筋倒塌所產(chǎn)生的荷載對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)支座周?chē)炷恋膽?yīng)力影響較小，未超過(guò)材料強(qiáng)度允許值。

2) 由現(xiàn)場(chǎng)分級(jí)加載可知，轉(zhuǎn)動(dòng)支座縱、橫橋向位移均較小。

3) 從轉(zhuǎn)體后續(xù)施工安全角度出發(fā)，建議在類(lèi)似項(xiàng)目墩柱鋼筋施工過(guò)程中增設(shè)勁性骨架，以減小倒塌的施工風(fēng)險(xiǎn)。