墩柱鋼筋失穩(wěn)對轉(zhuǎn)動支座完好性影響分析

車曉軍 郭子會 張小龍

(1.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063； 2.內(nèi)蒙古伊泰準東鐵路有限責(zé)任公司 鄂爾多斯 010300； 3.內(nèi)蒙古公路交通投資發(fā)展有限公司烏海分公司 烏海 016000)

某跨鐵路轉(zhuǎn)體斜拉橋跨徑為2×70 m，雙向6車道，橋梁總寬29.0 m。轉(zhuǎn)動支座額定承載能力為16×104kN，轉(zhuǎn)體支座平面直徑為3.5 m。轉(zhuǎn)體支座上、下球擺均為ZG270-500鑄造而成的整體，上球擺底面具有凸球面，上球擺底面中心設(shè)有銷孔，下球擺頂面具有與上球擺的凸球面相配合的凹球面，下球擺面中心設(shè)置有與銷孔相配合的銷軸，銷孔側(cè)壁與銷軸側(cè)壁形成具有夾角的間隙，轉(zhuǎn)動系統(tǒng)構(gòu)造見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)動系統(tǒng)構(gòu)造示意圖

由于轉(zhuǎn)體橋梁噸位大，墩柱高，預(yù)埋鋼筋數(shù)量多，施工中容易出現(xiàn)鋼筋失穩(wěn)現(xiàn)象，影響轉(zhuǎn)動支座的完好性，甚至?xí)绊懞罄m(xù)轉(zhuǎn)體安全，為此，開展墩柱鋼筋失穩(wěn)對轉(zhuǎn)動支座受力和變形影響分析的研究，具有十分重要的意義。

1 墩柱鋼筋失穩(wěn)荷載計算

1.1 失穩(wěn)形式

由圖1可知，墩柱鋼筋在施工過程中，由于水平向缺少支撐或聯(lián)結(jié)偏弱，容易出現(xiàn)沿縱橋方向的失穩(wěn)。

鋼筋失穩(wěn)會對上承臺產(chǎn)生較大的沖擊，同時將荷載傳遞給下部的轉(zhuǎn)動關(guān)鍵受力部件——轉(zhuǎn)動支座，使其完好性和受力性能受到影響。

1.2 墩柱鋼筋數(shù)量計算

根據(jù)設(shè)計圖紙,墩柱鋼筋具體類型及數(shù)量見表1。

表1 鋼筋數(shù)量一覽表

1.3 墩柱失穩(wěn)等效荷載計算

1) 墩柱鋼筋失穩(wěn)沿縱橋大里程方向，等效荷載計算示意見圖2。

2) 通過換算關(guān)系可得圖2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。

圖2 等效荷載計算示意圖(單位：cm)

3) 等效荷載計算方法。

①G1與G2的分類計算。將鋼筋失穩(wěn)時的荷載按橫橋向軸線兩側(cè)分為G1和G22個集中荷載，取鋼筋骨架半幅中心位置，與軸線距離為112.5 cm。

鋼筋荷載計算取值范圍：鋼筋骨架高度等效于G1，G2中心作用力臂長度，經(jīng)計算，G1的鋼筋重量為75 170 kN,G2的鋼筋重量為121 010 kN。

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)力矩平衡原理計算，由G·L=G1·L1+G2·L2。

分別計算，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考慮鋼筋倒塌時沖擊影響，計算等效荷載見表2。

表2 考慮沖擊影響的計算荷載

2 轉(zhuǎn)動支座有限元仿真

2.1 建模過程

1) 材料特性選取。轉(zhuǎn)動支座由上轉(zhuǎn)盤、銷軸和下轉(zhuǎn)盤組成，受力性能屬于典型的接觸分析[1-3]，模型中C50混凝土采用Concrete Damage Plasticity模型模擬，輸入其應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量、泊松比、破壞因子、斷裂準則。

轉(zhuǎn)動支座材料，Q235和Q345鋼材采用Ductile metal 模型模擬，輸入其應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量、泊松比、延性破壞準則、剪切破壞準則，混凝土和鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖5、圖6，圖7為鋼材應(yīng)力軟化曲線及損傷因子確定曲線。

圖4 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 鋼材應(yīng)力軟化曲線及損傷因子確定曲線

2) 接觸分析模擬。有限元模擬分析的關(guān)鍵在于摩擦接觸的分析[4]。建立如圖6所示模型，主要包括：上承臺(灰色混凝土)、連接凸起(混凝土)、上鋼轉(zhuǎn)盤、下鋼轉(zhuǎn)盤、墊板(鋼材)、墊石(混凝土)、下承臺(混凝土)，圖7為轉(zhuǎn)動支座的細節(jié)圖。各部分構(gòu)造若澆筑在一起，用“tie”模擬，如上承臺與連接凸起間的連接；若材料不同的構(gòu)造連接在一起，則用“surface to surface”模擬[5-6]，如鋼轉(zhuǎn)盤與混凝土之間的接觸；上、下鋼轉(zhuǎn)盤間鋪有聚四氟乙烯板，起減小轉(zhuǎn)動摩擦阻力的作用，上、下鋼轉(zhuǎn)盤間的摩擦系數(shù)實際較小，也可發(fā)生相對位移，因此用“surface to surface”模擬，靜摩擦系數(shù)為0.1。

模型選擇實體單元C3D8R，整體單元尺寸為0.25 m×0.25 m×0.25 m，接觸部分、轉(zhuǎn)動支座細部采用加密單元，最小細分到0.01 m×0.01 m×0.01 m。模型計算分為2步：第一步，計算結(jié)構(gòu)自重，第二步，計算偏載。

圖6 整體模型(剖面)

圖7 轉(zhuǎn)動支座模型(剖面)

2.2 計算工況及結(jié)果

根據(jù)可能出現(xiàn)的荷載類型，共分為2個加載工況計算。

工況1：100%加載，F(xiàn)1=293.75 kN。

工況2：130%加載，F(xiàn)2=363.33 kN。

加載位置及計算控制點如圖8所示。

圖8 加載位置及計算控制點示意圖

分析結(jié)果見表3和圖9、圖10。

圖9 轉(zhuǎn)動支座受力圖(單位：Pa)

圖10 轉(zhuǎn)動支座豎向位移圖(單位:m)

由數(shù)據(jù)分析可知，在墩柱鋼筋失穩(wěn)荷載作用下，轉(zhuǎn)動支座的應(yīng)力和變形均較小，遠低于鋼制轉(zhuǎn)動支座的材料性能。

3 結(jié)論

1) 墩柱鋼筋失穩(wěn)荷載的計算,需考慮沖擊影響，并施加在上承臺鋼筋重心投影面位置處。

2) 通過有限元仿真分析，在墩柱鋼筋失穩(wěn)荷載作用下，轉(zhuǎn)動支座的應(yīng)力和變形均很小，不會對其完好性產(chǎn)生影響。

3) 從施工安全角度出發(fā)，由于墩柱鋼筋高度大，建議增設(shè)勁性骨架，加強穩(wěn)定性。

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