轉(zhuǎn)體施工中轉(zhuǎn)動體系有限元分析

楊柳， 張清， 王陽建， 陳得良

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114；2.深圳市路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司， 廣東 深圳 518024)

轉(zhuǎn)體施工是在非設(shè)計軸線處將主體施工完畢，再旋轉(zhuǎn)至設(shè)計位置的一種施工方法，分為平轉(zhuǎn)法、豎轉(zhuǎn)法及平豎結(jié)合法。對于平轉(zhuǎn)法，轉(zhuǎn)動體系是核心部分，通常由下轉(zhuǎn)盤(承臺)、球鉸、上轉(zhuǎn)盤(承臺)及轉(zhuǎn)動牽引系統(tǒng)組成。目前國內(nèi)關(guān)于小半徑彎橋平轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動系統(tǒng)研究較少。該文以廣深沿江高速公路深圳段二期工程深中通道深圳側(cè)接線H匝道大曲率鋼箱梁轉(zhuǎn)體施工為例，對設(shè)置橫向預(yù)偏心的轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析探討。

1 工程概況

深中通道深圳側(cè)接線H匝道橋位于廣深沿江高速公路深圳段二期工程SJ1合同段，其中第五聯(lián)橫跨既有一期匝道和廣深(廣州—深圳)高速公路，采用轉(zhuǎn)體施工法。為跨徑(50+80+50) m的連續(xù)曲線鋼箱梁，曲線半徑150 m。轉(zhuǎn)動體系見圖1。

圖1 深中通道深圳側(cè)接線H匝道橋轉(zhuǎn)動體系立面圖(單位：標(biāo)高為m,其他為cm)

因轉(zhuǎn)動主體曲線橋存在很大橫向偏心，橋墩橫向中心線設(shè)計偏離箱梁軸線(圖1中路線設(shè)計線)1 m，而轉(zhuǎn)動體系的中心線(圖1中上承臺中心線)偏離橋墩中心線0.3 m，共設(shè)置1.3 m橫向預(yù)偏心。

轉(zhuǎn)動體系砼結(jié)構(gòu)采用C50砼，鋼球鉸作為轉(zhuǎn)動體系的關(guān)鍵部位，采用Q345鋼材，直徑225 cm，厚4 cm，分上下兩片。下轉(zhuǎn)盤上設(shè)轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的下球鉸、保險撐腳環(huán)形滑道及轉(zhuǎn)體拽拉千斤頂反力座等。下球鉸砼灌注完成后，將直徑24 cm鋼棒放入下轉(zhuǎn)盤預(yù)埋套筒中，方便中心軸轉(zhuǎn)動，然后進(jìn)行下球鉸聚四氟乙烯滑動片和上球鉸安裝。上轉(zhuǎn)盤直徑960 cm，高100 cm，橋墩與上轉(zhuǎn)盤之間設(shè)(1 100×1 100×70) cm上承臺。上轉(zhuǎn)盤布設(shè)縱橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋，內(nèi)預(yù)埋轉(zhuǎn)體牽引索，其是轉(zhuǎn)體牽引力直接施加的部位，下設(shè)8組撐腳，對稱分布于縱軸線的兩側(cè)。撐腳的下方(即下轉(zhuǎn)盤頂面)布置90 cm寬滑道，滑道半徑425 cm，其中撐腳走板與滑道的間隙為6 mm。

2 有限元模型

利用ANSYS有限元軟件模擬橋墩、上承臺、上轉(zhuǎn)盤、撐腳、鋼制球鉸及轉(zhuǎn)動中心軸，上、下鋼球鉸及轉(zhuǎn)動中心軸采用Solid185單元模擬，砼結(jié)構(gòu)采用Solid65單元模擬，各接觸面之間采用接觸單元模擬，上球鉸底部的凸面和轉(zhuǎn)軸表面用Conta174單元生成接觸單元，上球鉸空心處與轉(zhuǎn)軸接觸的凹面及下球鉸頂部的凹面采用Targe170單元生成目標(biāo)單元，摩擦系數(shù)為0.047。有限元模型見圖2。

圖2 ANSYS有限元模型

對下球鉸進(jìn)行固定約束，x軸表示橫橋向，正向?yàn)殇撓淞旱那€外側(cè)，z軸表示縱橋向，yoz面與轉(zhuǎn)動體系的中心面重合。為模擬真實(shí)荷載，各結(jié)構(gòu)均采用實(shí)際尺寸。此外，由于曲線橋存在橫向偏心，前期計算出鋼箱梁的質(zhì)量重心向曲線內(nèi)側(cè)偏離箱梁中心線1.573 2 m，設(shè)計預(yù)偏心1.3 m，故在曲線內(nèi)側(cè)橫向偏離轉(zhuǎn)盤中心線0.273 2 m的節(jié)點(diǎn)處加載集中荷載來模擬橋梁主體的自重，鋼箱梁主體重738.7 t。

3 靜力分析

3.1 撓度變形分析

撐腳布置見圖3，坐標(biāo)軸的方向與圖2有限元模型的坐標(biāo)軸方向一致，x軸正向?yàn)榍€外側(cè)，下文中曲線外側(cè)均指x軸正向。

圖3 8組撐腳的分布

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)在鋼箱梁主體及橋墩自重的橫向偏載作用下的變形見圖4。由圖4可知：在自重作用下轉(zhuǎn)體體系的變形非常小，不超過1 mm，且曲線內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)變形大于外側(cè)結(jié)構(gòu)變形；曲線內(nèi)側(cè)的撐腳(圖3中的1#、2#)變形最大，曲線外側(cè)的撐腳(3#、4#)變形最小；轉(zhuǎn)體體系中變形位移有正有負(fù)(曲線外側(cè)出現(xiàn)下?lián)?，表明對于偏心轉(zhuǎn)體施工，設(shè)置預(yù)偏心后，當(dāng)整體結(jié)構(gòu)中心與轉(zhuǎn)動中心不能完全一致時，很小的偏心距都會造成轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)變形，產(chǎn)生局部微小上翹和下?lián)稀Ｒ虼?，對偏心轉(zhuǎn)體施工應(yīng)嚴(yán)格控制整體偏心距，使整體重心基本與轉(zhuǎn)動中心吻合。

圖4 轉(zhuǎn)動體系靜力分析變形(單位：m)

3.2 砼結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

圖5為轉(zhuǎn)動體系砼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖。

圖5 轉(zhuǎn)動體系砼結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖(單位：Pa)

由圖5(a)可知：轉(zhuǎn)動體系砼結(jié)構(gòu)整體處于受壓狀態(tài)，上轉(zhuǎn)盤底部與上球鉸接觸的區(qū)域主壓應(yīng)力較大，最大值為-27 MPa，由于上轉(zhuǎn)盤為C50砼結(jié)構(gòu)，上球鉸采用Q345鋼材，應(yīng)力狀態(tài)滿足要求；大部分主壓應(yīng)力不超過1.62 MPa，主壓應(yīng)力較小。

由圖5(b)可知：在上轉(zhuǎn)盤底部與上球鉸接觸邊的曲線外側(cè)出現(xiàn)主拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大主拉應(yīng)力為50.7 MPa。因?yàn)樯锨蜚q是Q345鋼制結(jié)構(gòu)，可認(rèn)為上轉(zhuǎn)盤與上球鉸接觸區(qū)域的應(yīng)力滿足要求，但設(shè)計時應(yīng)增加該部位受拉鋼筋配置。

3.3 球鉸應(yīng)力分析

圖6為球鉸應(yīng)力云圖。由圖6(a)、(b)可知：上球鉸整體處于受壓狀態(tài)，主壓應(yīng)力為0～-144 MPa，鋼球鉸采用Q345鋼材，最大主壓應(yīng)力符合要求；位于橫向軸線曲線外側(cè)位置，越靠近球心壓應(yīng)力越小。在上球鉸空心處的曲線外側(cè)及頂部邊緣曲線外側(cè)靠近橫向軸線處出現(xiàn)主拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，主拉應(yīng)力為0～44.7 MPa，最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在上球鉸邊緣曲線外側(cè)且靠近橫向軸線上部。

圖6 球鉸應(yīng)力云圖(單位：Pa)

由圖6(c)、(d)可知：下球鉸整體處于受壓狀態(tài)，下球鉸的曲線外側(cè)和轉(zhuǎn)動中心軸的底部主壓應(yīng)力較大，為0～-48.2 MPa，最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在轉(zhuǎn)軸底部的曲線內(nèi)側(cè)；靠近轉(zhuǎn)軸處的下球鉸底部出現(xiàn)較大主拉應(yīng)力，為0～60.8 MPa，最大主拉應(yīng)力位于下球鉸底部與轉(zhuǎn)軸相接位置的曲線外側(cè)。

4 牽引力的計算與加載

根據(jù)JTG/T F50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》，中心支撐轉(zhuǎn)體施工所需牽引力為：

124.89 kN

式中：f為靜摩擦系數(shù)，為保證足夠的牽引力，f取0.1；G為轉(zhuǎn)體總重量；R為上球鉸半徑；D為上轉(zhuǎn)盤直徑。

轉(zhuǎn)體施工中牽引力施加在上轉(zhuǎn)盤，則有限元模型對上轉(zhuǎn)盤施加圓周力可進(jìn)行轉(zhuǎn)動分析，所施加圓周力的大小即為牽引力124.89 kN，均分到上轉(zhuǎn)盤外圓周面的各節(jié)點(diǎn)。

加載牽引力后，撓度變形仍不超過1 mm且各部分應(yīng)力變化不大，表明加載剛剛克服靜摩擦力的牽引力，整個結(jié)構(gòu)處于接近平衡狀態(tài)，轉(zhuǎn)動過程也較平穩(wěn)。

5 橋梁主體對轉(zhuǎn)動體系的影響

5.1 橋梁主體偏心的影響

提取圖3中1#～4#撐腳中心處的節(jié)點(diǎn)，得到撐腳的變形[見圖8(a)]和轉(zhuǎn)動體系的應(yīng)力隨橋梁主體偏心的變化[見圖8(b)]。

由圖8(a)可知：隨著曲線橋逐漸向軸線內(nèi)側(cè)橫向偏心，位于箱梁重力偏載一側(cè)即曲線內(nèi)側(cè)的撐腳(1#、2#)不斷下?lián)希€外側(cè)撐腳(3#、4#)則逐漸上撓，表明隨著橋梁主體向曲線內(nèi)側(cè)不斷偏心，整體重心會向曲線內(nèi)側(cè)逐漸偏離；當(dāng)彎橋的橫向偏心小于1.9 m時，曲線內(nèi)側(cè)撐腳的變形量大于曲線外側(cè)，即位于重心一側(cè)的撐腳的下?lián)现荡笥诜侵匦囊粋?cè)的上撓值。

圖7 轉(zhuǎn)動體系受力簡圖(單位：m)

圖8 橋梁主體偏心的影響分析

由圖8(b)可知：轉(zhuǎn)體系統(tǒng)砼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與橋梁主體的偏心沒有很大關(guān)系，下球鉸的最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力均隨偏心的增大而線性減小。對于上球鉸，最大主壓應(yīng)力隨橋梁主體橫向偏心的增大而線性增長，最大主拉應(yīng)力呈上拋物線，但變化不大。整體來說，下球鉸主拉、主壓應(yīng)力減小速率小于上球鉸主壓應(yīng)力增大速率。

5.2 轉(zhuǎn)動主體噸位的影響

曲線橋主體質(zhì)量對轉(zhuǎn)動體系有很大影響。橋梁主體重量為0～2萬t時，撐腳位移變化見圖9(a)，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)各部分應(yīng)力變化見圖9(b)。

圖9 橋梁主體噸位的影響分析

由圖9(a)可知：隨著曲線橋主體質(zhì)量的增加，曲線內(nèi)側(cè)撐腳(1#、2#)下?lián)显絹碓矫黠@，曲線外側(cè)撐腳(3#、4#)則不斷上撓，整個轉(zhuǎn)體系統(tǒng)變得越來越傾斜。轉(zhuǎn)動主體的總質(zhì)量達(dá)到1.6萬t時，在恒載作用下?lián)文_變形大于6 mm，撐腳已與滑道接觸，進(jìn)入抵抗傾覆狀態(tài)。

由圖9(b)可知：曲線梁質(zhì)量越大，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)各部分的主壓和主拉應(yīng)力不斷增大；轉(zhuǎn)動主體質(zhì)量超過0.8萬t時，下球鉸的主壓和主拉應(yīng)力增長速度最快。對于該轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，當(dāng)主梁總質(zhì)量超過0.5萬t時，砼結(jié)構(gòu)會遭到破壞，而鋼球鉸可承受轉(zhuǎn)動主體的質(zhì)量最大為1.6萬t。

6 結(jié)論

通過對設(shè)置橫向預(yù)偏心的轉(zhuǎn)體系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬與數(shù)值分析，得以下結(jié)論：

(1) 轉(zhuǎn)體施工曲線橋梁設(shè)置預(yù)偏心后，整個結(jié)構(gòu)接近平衡狀態(tài)，變形和應(yīng)力均滿足要求，其偏心距稍微偏離曲線外側(cè)，無需配重。轉(zhuǎn)體施工前判斷合理的預(yù)偏心非常重要。

(2) 轉(zhuǎn)動系統(tǒng)整體受壓，結(jié)構(gòu)安全。但在上轉(zhuǎn)盤與上球鉸、上球鉸與下球鉸、轉(zhuǎn)動中心軸接觸的位置及上球鉸底部曲線外側(cè)邊緣會出現(xiàn)主拉應(yīng)力，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控。此外，在上轉(zhuǎn)盤與上球鉸的接觸區(qū)域需增加受拉鋼筋數(shù)量。

(3) 設(shè)計轉(zhuǎn)體系統(tǒng)時應(yīng)考慮彎橋的橫向偏心及總質(zhì)量。橫向偏心對砼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力作用不大，但隨著橫向偏心的增大，上球鉸的主壓應(yīng)力增大，而下球鉸主拉、主壓應(yīng)力減小。轉(zhuǎn)動主體質(zhì)量對下球鉸主拉、主壓應(yīng)力的影響最大。對于橫向大偏心的轉(zhuǎn)體施工橋，應(yīng)注意上球鉸的抗壓能力；大噸位的轉(zhuǎn)體施工橋，應(yīng)注意下球鉸的抗拉、抗壓能力。此外，在設(shè)計和施工中應(yīng)注意位于橋梁重心一側(cè)撐腳的變形，因?yàn)榧词乖O(shè)置預(yù)偏心和配重后整體結(jié)構(gòu)的偏心距非常小，對于大噸位轉(zhuǎn)體施工橋，橋梁重心一側(cè)的撐腳變形也會大于撐腳走板與滑道的間隙。