大跨度橋梁轉(zhuǎn)體施工中接觸面設(shè)計(jì)及計(jì)算分析研究

張路

橋梁轉(zhuǎn)體施工法具有安全、高效的優(yōu)點(diǎn)，在高速鐵路的建設(shè)中應(yīng)用廣泛，其對(duì)既有路線的影響較小，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益顯著。本文針對(duì)大跨度橋梁在轉(zhuǎn)體施工時(shí)接觸面的設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡要的分析，首先提出了橋梁轉(zhuǎn)體的分類、優(yōu)點(diǎn)以及缺點(diǎn)；然后針對(duì)轉(zhuǎn)體接觸面模型簡化進(jìn)行分析，最后還對(duì)轉(zhuǎn)體接觸面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

國家基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，高鐵作為一項(xiàng)重要的交通事業(yè)也在不斷的發(fā)展。而新建的鐵路線路往往需要跨越運(yùn)輸任務(wù)繁重的既有線路，傳統(tǒng)的橋梁施工方式嚴(yán)重影響交通，同時(shí)還容易造成嚴(yán)重的交通安全事故。而橋梁轉(zhuǎn)體施工法在跨越舊線路時(shí)安全、高效，對(duì)既有路線的影響較小，具有較明顯的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

一、橋梁轉(zhuǎn)體施工概述

1.橋梁轉(zhuǎn)體的分類

根據(jù)橋梁轉(zhuǎn)體的施工方向可以分為豎轉(zhuǎn)施工、平轉(zhuǎn)施工以及平豎組合施工。相比較下，對(duì)于轉(zhuǎn)體重量較小時(shí)通常選用豎轉(zhuǎn)法，而對(duì)于較大噸位的轉(zhuǎn)體則選用平轉(zhuǎn)法，就目前而言，平轉(zhuǎn)法施工最為常用。

2.轉(zhuǎn)體施工的優(yōu)點(diǎn)

（1）轉(zhuǎn)體橋梁能夠充分的利用自身結(jié)構(gòu)，將其作為轉(zhuǎn)動(dòng)體系，同時(shí)對(duì)周圍的地勢(shì)加以利用，一方面能夠避免在河道、山谷處搭設(shè)大量支架，另一方面還能夠避免建造超高墩柱，建筑材料的周轉(zhuǎn)率和使用率也能夠得到顯著的提高。

（2）用岸陸作業(yè)來代替高空作業(yè)以及水上作業(yè)，一方面改善了施工環(huán)境以及施工條件，另一方面還能夠提升施工的安全性。

（3）對(duì)于需要跨越通航的河道，或者跨越車流量較大的既有道路，應(yīng)用轉(zhuǎn)體施工，對(duì)交通的影響很小，能夠確?，F(xiàn)有交通的安全性。

（4）轉(zhuǎn)體施工的周期短，經(jīng)濟(jì)效益高

3.轉(zhuǎn)體施工的技術(shù)難點(diǎn)

（1）轉(zhuǎn)體橋最為關(guān)鍵的部位是球鉸，但是鋼筋混凝土球鉸的制作工藝要求較高，難度較大，如若施工單位的機(jī)械設(shè)備不齊全或山區(qū)交通落后則使用難度較大。

（2）為了減小轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式、重量對(duì)轉(zhuǎn)體的影響，往往選用輕型結(jié)構(gòu)，但是由于風(fēng)荷載的影響往往會(huì)使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

（3）轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)扣、背索張拉階段，對(duì)于背墻和拱架容易由于應(yīng)力集中而出現(xiàn)裂縫，在此之后橋梁如若強(qiáng)行合攏，則會(huì)有較大的安全隱患。

二、轉(zhuǎn)體接觸面模型簡化

由于轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造較為復(fù)雜，所以導(dǎo)致建模工作量巨大，轉(zhuǎn)體接觸面的球面設(shè)計(jì)讓轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算更為復(fù)雜，特別是針對(duì)PTFE滑塊模型，計(jì)算的過程經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)難以收斂的現(xiàn)象。但是接觸面的設(shè)計(jì)作為橋梁轉(zhuǎn)體施工的關(guān)鍵。為了能夠提高橋梁模型的計(jì)算效率，需要對(duì)模型進(jìn)行簡化，否則將會(huì)制約大跨度、大噸位轉(zhuǎn)體橋梁的發(fā)展。

轉(zhuǎn)體接觸面模型的簡化：

圖1 模型幾何示意圖

經(jīng)過簡化，可以看出模型相當(dāng)于平面內(nèi)分布的滑塊和圓柱體共同構(gòu)成了剛體與表面水平的彈性體之間構(gòu)成的接觸模型，其中滑塊的高度為h。

表1 有限元模型參數(shù)

通過采用簡化模型更加有利于計(jì)算，能夠提高后期優(yōu)化計(jì)算的運(yùn)行效率，本文選用ABAQUS有限元軟件建立模型來檢驗(yàn)簡化模型的正確性，同時(shí)能夠驗(yàn)證使用簡化模型代替原始模型計(jì)算的可靠性。有限元的模型參數(shù)如表1所示。

運(yùn)用有限元軟件對(duì)簡化模型進(jìn)行分析可以清晰地看出，彈性體接觸面與剛性滑塊之間的接觸法向應(yīng)力呈現(xiàn)出中間小、邊緣大的特點(diǎn)，且邊緣效應(yīng)較為顯著，通過對(duì)不同距離處剛性滑塊與彈性體接觸面之間平均接觸應(yīng)力值的提出，并將其繪制成曲線將其與原始模型進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，經(jīng)過有限元分析對(duì)比，簡化模型與原始模型之間的結(jié)果較為相似，同時(shí)也證明了所提出的簡化模型具有一定的準(zhǔn)確性。將原始的球面接觸簡化為平面接觸，不僅沒有對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度造成影響，還能夠顯著的降低建模的工作量和計(jì)算分析的計(jì)算量。

圖2 簡化前后滑塊接觸應(yīng)力對(duì)比

三、轉(zhuǎn)體接觸面的優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)過以上章節(jié)的分析可以看出，越靠近球鉸邊緣處，滑塊所受到的應(yīng)力也就越大。為了能夠盡可能地避免出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，需要對(duì)轉(zhuǎn)體的接觸面進(jìn)行優(yōu)化，一方面來減小摩擦力，另一方面來降低對(duì)材料性能的影響。接觸面最為理想的狀態(tài)是完全對(duì)稱的，優(yōu)化的目標(biāo)也是獲取較為理想的應(yīng)力分布。通過優(yōu)化滑塊的高度，從而使得接觸面應(yīng)力分布更加均勻。但是實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)均為有限大小，故而做到完全的應(yīng)力均勻分布是不現(xiàn)實(shí)的，通過優(yōu)化只是能夠盡可能做到應(yīng)力分布均勻化，降低球鉸邊緣處應(yīng)力。對(duì)于接觸面的優(yōu)化目標(biāo)單個(gè)滑塊的平均接觸應(yīng)力需要小于設(shè)計(jì)的抗壓強(qiáng)度，確保平均接觸應(yīng)力能夠均勻地分布在每一滑塊上，可以盡量減少滑塊的總數(shù)量，保證滑塊的總接觸面積一定，盡可能地保證每一塊滑塊上的接觸應(yīng)力都能夠均勻分布。根據(jù)滑塊上的應(yīng)力與理論平均應(yīng)力的差值對(duì)滑塊的數(shù)量進(jìn)行合理適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整滑塊的高度來降低邊緣處的應(yīng)力值。

對(duì)于大跨度的樁體施工橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸優(yōu)化流程如下：首先第一步需要確定轉(zhuǎn)體橋梁的轉(zhuǎn)體重量，通過每一個(gè)滑塊所承受的力以及滑塊的接觸面積來計(jì)算滑塊和彈性接觸面上的理論平均應(yīng)力，然后確定各個(gè)滑塊的位置，同時(shí)還需要保證滑塊能夠均勻分布，最后確定滑塊的高度以及形狀。其中形狀和高度的確定首先需要將彈性體轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€(gè)離散的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)滑塊在接觸面區(qū)域之內(nèi)假定會(huì)產(chǎn)生出一個(gè)均勻的應(yīng)力，由于滑塊的作用會(huì)導(dǎo)致每個(gè)節(jié)點(diǎn)都出現(xiàn)一定的位移，每個(gè)滑塊位移的疊加就會(huì)導(dǎo)致整體的變形，一方面是形狀的變化，另一方面是高度的變化。需要在初設(shè)的基礎(chǔ)之上對(duì)滑塊數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化，滑塊的數(shù)量主要受到轉(zhuǎn)體重量、單塊滑塊承載力的影響?；瑝K數(shù)量的優(yōu)化可以通過迭代理論通過有限元對(duì)平均接觸應(yīng)力和相應(yīng)增加各環(huán)數(shù)量通過迭代法獲得趨于穩(wěn)定的應(yīng)力。到最終按照迭代后滑塊中最大平均接觸應(yīng)力與優(yōu)化前滑塊中最大平均接觸應(yīng)力的比值來逐環(huán)減少滑塊的個(gè)數(shù)。

四、結(jié)語

本文針對(duì)大跨度橋梁在轉(zhuǎn)體施工時(shí)接觸面的設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡要的分析，首先提出了橋梁轉(zhuǎn)體的分類、優(yōu)點(diǎn)以及技術(shù)難點(diǎn)；然后針對(duì)轉(zhuǎn)體接觸面模型簡化進(jìn)行分析，并通過有限元手段驗(yàn)證了將原始的球面接觸簡化為平面接觸，不僅沒有對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度造成影響，還能夠顯著的降低建模的工作量和計(jì)算分析的計(jì)算量；文章最后還對(duì)轉(zhuǎn)體接觸面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。