大跨度转体施工T 构桥转动结构分析

杨公新 刘慧利

1 工程概况

某上跨铁路的高速立交桥，桥跨布置为2×80 m预应力混凝土T形刚构，双薄壁墩。主桥上部结构采用变截面单箱三室，整幅设桥。T构中间支点处梁高6.2 m，边支点梁高2.8 m，桥面宽28.0 m，按双向行驶八车道设计。下部结构主墩采用矩形双壁墩。桥梁采用转体施工，转动结构分上下两部分，上转盘高3 m，宽14 m，上部有高2 m的承台，承台横桥向10 m同主墩宽度，纵桥向为主墩外边缘间距。图1，图2给出了转体结构的布置图。由于是双幅同时转体，结构自重很大，考虑到施工过程的安全性，现对转动结构进行有限元分析计算。

2 结构整体静力分析

根据圣维南原理，转体结构的局部应力分布只与邻近区域的应力状态有关，远离转体结构的应力状态，对其应力分布的影响很小。

在对转体结构局部区域分析之前，首先要对全桥体系进行静力分析，计算得到该桥在恒载作用下墩底的截面内力，并以此作为转体结构模型加载的依据，再取脱离体建立局部空间有限元模型进行精细化分析，计算分析转体结构的应力分布与变形情况。结构整体静力分析采用有限元程序 MIDAS-Civil，全桥划分为102个梁单元，计算模型如图3所示。通过计算分析得出在恒载作用下，墩底竖向反力为157 962.99 kN。

3 转体结构有限元计算

转体结构局部分析采用通用有限元计算软件ANSYS。采用实体单元Soild65模拟混凝土;用板单元Shell181模拟上球铰球面以及下球铰的四氟板;上球铰和下球铰的球面接触采用接触单元Conta174和Targe170来模拟。整体结构离散为76 816个实体单元和312个壳单元。图4给出了转体结构有限元模型。计算模型在桥墩所在的面施加均布面力来模拟桥梁上部对转体的竖向作用力，荷载大小由结构整体静力分析计算得出。预应力作用以等效分布面荷载的形式施加到对应表面上。

4 计算结果

4.1 位移与变形

图5给出了转体结构竖向变形图。从计算结果可以看出:结构整体最大竖向变形为4.776 mm，位置在上转盘边缘。结构的竖向变形较小，满足转体施工过程中的安全要求。

4.2 应力分布情况

考虑到结构为对称结构，为方便分析仅给出1/4结构的应力云图。图6～图8分别给出了转体结构在顺桥向、横桥向以及竖向的应力云图。

从图6～图8可看出:转体结构在顺桥向最大拉应力为5.67 MPa，出现在承台顶部中心，最大压应力为 20.05 MPa，出现在上转盘下部混凝土块钢板包裹处;结构在横桥向最大拉应力为5.08 MPa，出现在承台顶部中心，最大压应力为 18.77 MPa，出现在上转盘下部混凝土块钢板包裹处;结构竖向最大拉应力为1.87 MPa，最大压应力为36.63 MPa。考虑到上转盘也是转体施工过程中较为关键的受力构件，为分析转体结构上转盘的受力特性，图9～图11单独给出转体体系上转盘的应力云图。

从上转盘应力计算结果可以看出，转体结构上转盘顺桥向最大拉应力为1.75 MPa，出现在上转盘顶部中心位置;横桥向最大拉应力为2.409 MPa，同样出现在上转盘顶部中心位置;竖向最大拉应力为0.745 1 MPa。最大压应力在顺桥向为16.796 MPa，横桥向为16.124 MPa，竖向为24.163 MPa，最大压应力均出现在上球铰外包钢板和混凝土连接位置。

从以上计算结果可以看出，承台顶部中心处拉应力高度集中，上转盘下部混凝土块钢板包裹处压应力高度集中，上球铰外包钢板和混凝土连接位置压应力高度集中。这3个部位的应力集中现象是整个转体结构安全设计的关键。考虑到高应力区域很小，且这三处均有钢板加强，整体上对结构性能影响较小，但应保证传力钢板与混凝土的连接质量，以免应力集中产生不利影响。

5 结语

由于设计和施工主要关注上转盘的受力特性，因此本次计算着重对转体系统的上转盘进行了分析。从以上计算结果可以得出:1)转体结构变形合理，没有发现局部的失稳或突变。2)结构整体应力状态较低，但局部存在应力集中现象，需通过一定的局部加强构造措施，保证转体结构整体力学性能满足施工安全要求。

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