豎向荷載下轉(zhuǎn)體橋球鉸接觸面應(yīng)力有限元分析

魏素文

(中鐵十八局集團(tuán)北京工程有限公司，北京 100162)

為確保新建橋梁跨越既有鐵路及公路的施工安全，減少對既有鐵路、公路運營的干擾，轉(zhuǎn)體施工法成為跨線連續(xù)梁橋施工的主要方法[1]。在轉(zhuǎn)體橋的轉(zhuǎn)體系統(tǒng)中，球鉸是最為重要的受力構(gòu)件，其受力狀態(tài)關(guān)系到球鉸的設(shè)計尺寸及轉(zhuǎn)體過程的順利安全[2]。球鉸受力是平轉(zhuǎn)法施工橋梁在結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計優(yōu)化、施工控制等方面的關(guān)鍵控制要素[3]。

當(dāng)前轉(zhuǎn)體系統(tǒng)球鉸應(yīng)力的計算理論主要依據(jù)規(guī)范算法，假設(shè)球鉸上、下轉(zhuǎn)盤之間的接觸面為平面，不考慮球面影響，假設(shè)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生均勻壓應(yīng)力，以此得到簡化后的計算結(jié)果，并根據(jù)該結(jié)果作為控制依據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)動系統(tǒng)及牽引系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計[4]，規(guī)范算法受力簡單，計算方便，但是存在一定誤差[5]。

本文利用Abaqus2019軟件建立了轉(zhuǎn)體橋轉(zhuǎn)體系統(tǒng)有限元模型，對轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的球鉸接觸面設(shè)置了接觸單元，施加設(shè)計荷載，進(jìn)行靜力有限元分析，獲得球鉸的豎向應(yīng)力，對轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的受力進(jìn)行精細(xì)化分析，研究轉(zhuǎn)體系統(tǒng)在承受上部結(jié)構(gòu)荷載下的應(yīng)力分布規(guī)律，并與規(guī)范公式進(jìn)行對比分析，驗證規(guī)范公式的計算精度。

1 球鉸接觸面應(yīng)力規(guī)范計算方法

球絞的受力模型如圖1所示，可將球鉸接觸面受力分為三類：

(1)沿球鉸半徑方向的徑向力Nr。

圖1 球鉸的受力模型

(2)通過球鉸中心所在水平平面與球鉸相切的摩擦力Nh。

(3)通過球鉸中心所在垂直平面與球鉸相切的摩擦力Nv。

規(guī)范《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50-2011)(以下簡稱《規(guī)范》)中，計算球鉸接觸面應(yīng)力的方法是：將上下球鉸的接觸面簡化為平面，承受上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載，并考慮應(yīng)力均勻分布。其計算應(yīng)力公式為：

(1)

式中：p為接觸壓力；P為來自上部結(jié)構(gòu)的荷載；R1為接觸面半徑。

2 工程概況及球鉸接觸面應(yīng)力計算

延崇高速公路上跨康延鐵路Q1K3+702.892處主橋采用2×60 m 預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)體T構(gòu)橋，轉(zhuǎn)體段跨徑均為55 m，兩邊跨端部現(xiàn)澆段長度均為4.78 m。轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)采用環(huán)道與中心支撐相結(jié)合的球鉸轉(zhuǎn)動體系，由轉(zhuǎn)體下轉(zhuǎn)盤、球鉸、上轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)動牽引系統(tǒng)組成。轉(zhuǎn)盤的混凝土采用C50，球鉸采用GBT_700-2006規(guī)定的Q235B鋼材。下轉(zhuǎn)盤采用八邊形平面形狀，縱橫尺寸為1 180 cm×1 742.6 cm，厚300 cm。轉(zhuǎn)體球鉸整體高度為822 mm，分上下兩片。轉(zhuǎn)臺直徑10.4 m，高度0.8 m。轉(zhuǎn)體總重量W約為80 000 kN，啟動時靜摩擦系數(shù)按0.1、轉(zhuǎn)動過程中的動摩擦系數(shù)按0.06計算，球鉸平面半徑為1.9 m?；炷翉椥阅Ａ坎捎?.45×104MPa，泊松比采用0.2，質(zhì)量密度采用2 600 kN/m3；球鉸彈性模量采用2.06×105MPa，泊松比采用0.3；轉(zhuǎn)體系統(tǒng)側(cè)面、平面和立面如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(單位：cm)

根據(jù)《規(guī)范》計算公式(1)，可得設(shè)計所用的球鉸接觸面應(yīng)力為：p=7.06 MPa。

3 有限元分析

3.1 建立有限元模型

采用ABAQUS2019進(jìn)行建模，混凝土及定位軸采用實體單元，球鉸采用殼單元，定位軸、球鉸及球鉸處上下轉(zhuǎn)盤網(wǎng)格采用子網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，網(wǎng)格尺寸采用100 mm，其他部位網(wǎng)格尺寸采用1 000 mm，球鉸與各自轉(zhuǎn)盤采用綁定進(jìn)行連接。定義上下球鉸接觸作用時，主面為下球鉸，從面為上球鉸。接觸力學(xué)行為之切向行為選擇罰摩擦，靜摩擦系數(shù)為0.1，動摩擦系數(shù)為0.06，法向行為定義為硬接觸。

荷載采用壓力荷載的方法將轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重量按壓力作用在上轉(zhuǎn)盤頂部：p=0.768 MPa。

邊界條件的施加是將下轉(zhuǎn)盤底面的3個方向的平動和轉(zhuǎn)動自由度進(jìn)行約束。施加荷載與邊界條件情況如圖3所示，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)整體計算模型如圖4所示，上轉(zhuǎn)盤及上球鉸模型如圖5所示，下轉(zhuǎn)盤、下球鉸及定位軸模型如圖6所示。

本文僅進(jìn)行了靜力線性分析，因此，混凝土和鋼材的材料屬性按《規(guī)范》進(jìn)行取值，不考慮材料的破壞準(zhǔn)則，并且未考慮鋼筋與預(yù)應(yīng)力鋼筋的影響。另外，僅考慮了上部結(jié)構(gòu)傳下來的豎向荷載一種計算工況，對于轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動等工況本文中尚未進(jìn)行考慮。

3.2 有限元計算結(jié)果及分析

有限元的豎向應(yīng)力結(jié)果如圖7～圖10所示。

從應(yīng)力云圖7可以看出：

(1)上轉(zhuǎn)盤混凝土與球鉸接觸面間的豎向壓應(yīng)力分布從中間向球鉸邊緣方向逐漸增大。

(2)上轉(zhuǎn)盤混凝土壓應(yīng)力數(shù)值整體較小，最大豎向壓應(yīng)力出現(xiàn)在接觸面圓周邊界上，其值為9.46 MPa，滿足混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值22.4 MPa的要求。

(3)上轉(zhuǎn)盤混凝土在球鉸外側(cè)出現(xiàn)了拉應(yīng)力，其最大值為0.47 MPa。

圖7 上轉(zhuǎn)盤豎向應(yīng)力云圖(單位：MPa)

從圖8可以看出：

(1)上球鉸豎向壓應(yīng)力分布規(guī)律與上轉(zhuǎn)盤混凝土一致，從中心向邊緣增大。

(2)上球鉸的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在球鉸邊緣，其值為31.56 MPa。

(3)上球鉸在靠近球鉸邊緣位置出現(xiàn)局部拉應(yīng)力，最大值為25.79 MPa。

圖8 上球鉸底面豎向應(yīng)力云圖(單位：MPa)

從圖9可以看出：

(1)下球鉸豎向壓應(yīng)力分布規(guī)律與上球鉸一致，從中心向邊緣增大。

(2)下球鉸的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在球鉸邊緣，其值為36.27 MPa。

(3)下球鉸在靠近球鉸邊緣位置及轉(zhuǎn)軸部位出現(xiàn)局部拉應(yīng)力，最大值為10.80 MPa。

圖9 下球鉸頂面豎向應(yīng)力云圖(單位：MPa)

從圖10可以看出：

(1)下轉(zhuǎn)盤豎向壓應(yīng)力分布規(guī)律與下球鉸一致，從中心向邊緣增大。

(2)下轉(zhuǎn)盤混凝土壓應(yīng)力數(shù)值整體較小，最大豎向壓應(yīng)力出現(xiàn)在接觸面圓周邊界上，其值為12.54 MPa，滿足混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值22.4 MPa的要求。

(3)下轉(zhuǎn)盤混凝土在球鉸外側(cè)出現(xiàn)了拉應(yīng)力，其最大值為0.56 MPa。

圖10 下轉(zhuǎn)盤豎向應(yīng)力云圖(單位：MPa)

采用下球鉸最大壓應(yīng)力結(jié)果與《規(guī)范》公式結(jié)果比較，其相對誤差為：

《規(guī)范》算法與有限元結(jié)果的最大值相差較大，低至80.53%。

4 結(jié)論

(1)在僅承受上部靜力荷載下，轉(zhuǎn)體系傳統(tǒng)包括上、下轉(zhuǎn)盤及上、下鋼球鉸豎向壓應(yīng)力沿球鉸中心向邊緣逐步增大，球鉸邊緣豎向壓應(yīng)力達(dá)到最大值。

(2)下球鉸應(yīng)力略大于上球鉸應(yīng)力，下球鉸最大主壓應(yīng)力為36.27 MPa，上球鉸最大主壓應(yīng)力為31.56 MPa，均小于鋼制球鉸容許應(yīng)力215 MPa，而且應(yīng)力圖形不對稱，其原因可能是球鉸與轉(zhuǎn)盤設(shè)置了綁定約束以及與網(wǎng)格劃分有關(guān)。

(3)上、下轉(zhuǎn)盤混凝土在球鉸外側(cè)出現(xiàn)了拉應(yīng)力，上、下球鉸在其邊緣及轉(zhuǎn)軸部位出現(xiàn)了拉應(yīng)力。

(4)《規(guī)范》算法與有限元算法比較，《規(guī)范》公式結(jié)果比有限元結(jié)果的最大值低80.53%。