構(gòu)橋轉(zhuǎn)體施工中的轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

構(gòu)橋轉(zhuǎn)體施工中的轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

橋梁現(xiàn)代化建設(shè)是指將橋梁結(jié)構(gòu)在非設(shè)計(jì)軸線的位置上制成的一種施工方法，然后通過(guò)轉(zhuǎn)移到達(dá)建筑物。它可以將在障礙上空的作業(yè)轉(zhuǎn)化為岸上或近地面的作業(yè)。轉(zhuǎn)動(dòng)支承是平轉(zhuǎn)法施工的關(guān)鍵設(shè)備,由上轉(zhuǎn)盤、下轉(zhuǎn)盤構(gòu)成。上轉(zhuǎn)盤支承轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu),下轉(zhuǎn)盤與基礎(chǔ)相聯(lián)。通過(guò)上轉(zhuǎn)盤相對(duì)于下轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng),達(dá)到轉(zhuǎn)體目的。轉(zhuǎn)動(dòng)支承往往必須兼顧轉(zhuǎn)體、承重及平衡等多種功能。因此采用轉(zhuǎn)體施工方法的橋梁其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備與轉(zhuǎn)動(dòng)能力,施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和強(qiáng)度保證,結(jié)構(gòu)的合攏與體系的轉(zhuǎn)換。本文結(jié)合一座上跨鐵路的高速T構(gòu)橋,通過(guò)對(duì)該橋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力的空間仿真分析,得出該部位應(yīng)力分布的一般規(guī)律,定量地得到結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力分布狀況,檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的安全性與合理性,為工程設(shè)計(jì)和施工提供合理的依據(jù)。1轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的布置某上跨鐵路的高速立交橋,橋垮布置為2×80m預(yù)應(yīng)力混凝土T形剛構(gòu)。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用變截面單箱三室,整幅設(shè)橋。T構(gòu)中間支點(diǎn)處梁高6.2m,邊支點(diǎn)梁高2.8m,橋面寬28m。下部結(jié)構(gòu)主墩采用矩形雙薄壁墩,如圖1、圖2所示。橋梁采用轉(zhuǎn)體施工,轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)分上下兩部分,上轉(zhuǎn)盤高3m,寬14m,上部有高2m的承臺(tái),承臺(tái)橫橋向10m同主墩寬度,縱橋向?yàn)橹鞫胀膺吘夐g距。圖3給出了轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的布置圖。由于是雙幅同時(shí)轉(zhuǎn)體,結(jié)構(gòu)自重很大,考慮到施工過(guò)程的安全性,現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計(jì)算。2結(jié)構(gòu)局部分析根據(jù)圣維南原理,轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力分布只與鄰近區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān),遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài),對(duì)其應(yīng)力分布的影響很小。因此,在對(duì)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)局部關(guān)鍵區(qū)域分析之前,首先要對(duì)全橋體系進(jìn)行靜力分析,計(jì)算得到該橋在恒載作用下墩底的截面內(nèi)力,并以此作為轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)模型加載的依據(jù),再取脫離體建立局部空間有限元模型進(jìn)行精細(xì)化分析,以得到轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)詳細(xì)的應(yīng)力分布與變形情況。結(jié)構(gòu)整體靜力分析采用有限元程序MIDASCivil,全橋劃分為102個(gè)梁?jiǎn)卧?計(jì)算模型如圖4所示。采通過(guò)計(jì)算分析得出在恒載作用下,墩底豎向反力為157962.99kN。3接觸單元的模擬轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)局部分析采用通用有限元計(jì)算軟件ANSYS。采用實(shí)體單元soild65模擬混凝土;用空間板單元shell181模擬上球鉸球面以及下球鉸的四氟板;上球鉸和下球鉸的球面接觸采用接觸單元conta174和targe170來(lái)模擬。整體結(jié)構(gòu)離散為76816個(gè)實(shí)體單元和312個(gè)殼單元。圖5給出了轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)有限元模型。計(jì)算模型在橋墩所在的面施加均布面力來(lái)模擬橋梁上部對(duì)轉(zhuǎn)體的豎向作用力,荷載大小由結(jié)構(gòu)整體靜力分析計(jì)算得出。預(yù)應(yīng)力作用以等效分布面荷載的形式施加到對(duì)應(yīng)表面上。4結(jié)論分析上述工況有限元計(jì)算結(jié)果表明:連接區(qū)域受力較為復(fù)雜,部分區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。4.1結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析從轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果可以得出,結(jié)構(gòu)在順橋向最大拉應(yīng)力為5.67MPa,出現(xiàn)在承臺(tái)頂部中心,最大壓應(yīng)力為20.05MPa,出現(xiàn)在球鉸處;結(jié)構(gòu)在橫橋向最大拉應(yīng)力為5.08MPa,出現(xiàn)在承臺(tái)頂部中心,最大壓應(yīng)力為18.77MPa,出現(xiàn)在球鉸處;結(jié)構(gòu)豎向最大拉應(yīng)力為1.87MPa,出現(xiàn)在承臺(tái)和墩底連接處,最大壓應(yīng)力為36.63MPa,出現(xiàn)在上下轉(zhuǎn)盤球鉸處。從計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要集中在兩處部位,一處為上轉(zhuǎn)盤頂面,此處順橋向及橫橋向拉應(yīng)力較大,一處為轉(zhuǎn)體球鉸處,此處壓應(yīng)力較為集中。對(duì)于頂部拉應(yīng)力過(guò)大的現(xiàn)象,可以通過(guò)增大上轉(zhuǎn)盤橫橋向和順橋向預(yù)應(yīng)力來(lái)加強(qiáng)此處的安全儲(chǔ)備,對(duì)于球鉸處壓應(yīng)力較為集中的現(xiàn)象,下面內(nèi)容將詳細(xì)分析。4.2波連橫橋—球鉸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果由以上計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)球鉸處的壓應(yīng)力非常集中,因此有必要對(duì)此處結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部應(yīng)力分析。圖6給出球鉸的應(yīng)力云圖。從計(jì)算結(jié)果可以看出,球鉸順橋向最大拉應(yīng)力為:0.34MPa,出現(xiàn)在球鉸側(cè)壁中部;橫橋向最大拉應(yīng)力為0.56MPa,同樣出現(xiàn)在球鉸側(cè)壁中部;豎向最大拉應(yīng)力為1.96MPa,出現(xiàn)在定位鋼銷孔道頂部。最大壓應(yīng)力在順橋向?yàn)?3.16MPa,橫橋向?yàn)?13.2MPa,豎向?yàn)?6.63MPa,最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在球鉸頂面邊緣。由此可見(jiàn),球鉸受力較為集中的主要有兩處,一處是球鉸頂面外緣與上轉(zhuǎn)盤連接處,一處是定位鋼銷孔道頂部,考慮到球鉸混凝土均有鋼板包裹,可以考慮增大鋼板厚度,并增大鋼板包裹面積來(lái)增加此處壓應(yīng)力的安全儲(chǔ)備。4.3下盤受力分析在轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中，上部結(jié)構(gòu)的重量通過(guò)上轉(zhuǎn)盤及四氟板全部傳遞到下轉(zhuǎn)盤，而且從上轉(zhuǎn)盤的應(yīng)力分析可以看出，上轉(zhuǎn)盤球鉸處應(yīng)力非常集中且此高度集中的應(yīng)力將全部作用在下轉(zhuǎn)盤球鉸凹面。若此集中應(yīng)力無(wú)法有效的擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，將對(duì)凹面產(chǎn)生較大的劈裂應(yīng)力，從而危害到施工及結(jié)構(gòu)的安全性。鑒于此，本文特地分析了下轉(zhuǎn)盤的受力特性。從計(jì)算結(jié)果可以得出，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)下轉(zhuǎn)盤順橋向最大拉應(yīng)力為:2.46MPa，出現(xiàn)在下轉(zhuǎn)盤球鉸凹面邊緣;橫橋向最大拉應(yīng)力為2.54MPa，同樣出現(xiàn)在下轉(zhuǎn)盤球鉸凹面邊緣;豎向最大拉應(yīng)力為0.13MPa。最大壓應(yīng)力在順橋向?yàn)?.82MPa，橫橋向?yàn)?9.81MPa，豎向?yàn)?8.17MPa，最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在下球鉸定位鋼銷附近。從下轉(zhuǎn)盤應(yīng)力計(jì)算結(jié)果來(lái)看，上部結(jié)構(gòu)及上轉(zhuǎn)盤的重量通過(guò)四氟板可以很好的分散到到下轉(zhuǎn)盤，應(yīng)力集中現(xiàn)象并不是很嚴(yán)重，應(yīng)力分布較為均勻。5轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)是連接T構(gòu)橋橋墩與基礎(chǔ)的臨時(shí)施工構(gòu)造措施,在轉(zhuǎn)體施工合攏過(guò)程中,轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)及變形是全橋轉(zhuǎn)體施工成功與否的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)T構(gòu)橋平轉(zhuǎn)施工過(guò)程的接觸有限元模擬,研究了轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的變形及局部應(yīng)力分布,分析了轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。從以上計(jì)算結(jié)果可以得出如下結(jié)論:(1)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)盤頂面順橋向及橫橋向拉應(yīng)力較大且較為集中,可以通過(guò)