橋梁轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中球鉸應(yīng)力研究

李衛(wèi)平

摘 要：橋梁轉(zhuǎn)體施工技術(shù)廣泛用于跨越河流、峽谷及既有線路的橋梁施工中，橋梁轉(zhuǎn)體施工關(guān)鍵設(shè)備之一是轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸，球鉸應(yīng)力的合理性將決定橋梁轉(zhuǎn)體施工的成敗以及橋梁整體質(zhì)量。文章應(yīng)用大型有限元軟件 ANSYS 建立轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸計(jì)算模型對(duì)球鉸應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算分析，并結(jié)合工程實(shí)例對(duì)橋梁轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中球鉸應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究結(jié)果可為橋梁轉(zhuǎn)體施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：橋梁;轉(zhuǎn)體施工;球鉸應(yīng)力;研究分析

中圖分類號(hào)：U442.55

0 引言

橋梁轉(zhuǎn)體施工是一種高效的新型橋梁施工技術(shù)[1-2]，施工中需選取合適的位置進(jìn)行橋梁的節(jié)段澆筑，然后將梁體結(jié)構(gòu)運(yùn)用轉(zhuǎn)動(dòng)的方法準(zhǔn)確放置在預(yù)定位置[3-5]。在橋梁轉(zhuǎn)體施工中最為關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸，球鉸的制作也是要求最為精細(xì)、難度最高的一個(gè)環(huán)節(jié)。轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸一般是在工廠加工制作，經(jīng)過(guò)調(diào)試上下球鉸的接觸達(dá)到一定精度要求后在現(xiàn)場(chǎng)安裝，它的設(shè)計(jì)、制作和安裝是否得當(dāng)直接關(guān)系到橋梁轉(zhuǎn)體施工的成敗[6-8]。在橋梁轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中，球絞的應(yīng)力狀態(tài)至關(guān)重要，其計(jì)算結(jié)果對(duì)后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及其他相關(guān)參數(shù)的計(jì)算會(huì)產(chǎn)生較大影響，甚至影響結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定[9-10]。

國(guó)外對(duì)于球絞接觸應(yīng)力的研究較早，Parsons、Tuba[11-12]在理論層面采用位移方法對(duì)球絞接觸應(yīng)力進(jìn)行了分析，依據(jù)接觸狀態(tài)假設(shè)，求解了球絞接觸面應(yīng)力。國(guó)內(nèi)對(duì)于球鉸應(yīng)力的研究起步較晚，現(xiàn)行規(guī)范[13]對(duì)于豎向力作用下球鉸的受力按照平面簡(jiǎn)化處理，雖然能滿足工程應(yīng)用，卻也存在很大誤差。本文應(yīng)用大型有限元軟件ANSYS建立轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸計(jì)算模型對(duì)球鉸應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算分析，結(jié)合工程實(shí)例對(duì)橋梁轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中球鉸應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以期研究結(jié)果為現(xiàn)澆梁轉(zhuǎn)體施工提供技術(shù)支持和保障。

1 工程簡(jiǎn)介及轉(zhuǎn)體系統(tǒng)構(gòu)成

本工程橋梁為連續(xù)梁，梁體采用單箱、單室、直腹板、變高度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，箱梁梁長(zhǎng)177.5m，頂寬12 m，底寬6 m，中支點(diǎn)梁高4.4 m，邊支點(diǎn)及跨中梁高3.8 m。箱梁梁高變化段，梁底曲線采用二次拋物線，梁下部結(jié)構(gòu)采用圓端形橋墩，基礎(chǔ)采用鉆孔樁。箱梁與營(yíng)業(yè)線路夾角為55°，需順營(yíng)業(yè)線路掛籃澆筑懸灌段至最大懸臂狀態(tài)，然后將2主墩逆時(shí)針?biāo)叫D(zhuǎn)55°至原設(shè)計(jì)位置，再施工合攏段（圖1）。

橋梁轉(zhuǎn)體施工是將橋梁整體或分成2個(gè)半整體在偏離橋梁設(shè)計(jì)軸線某個(gè)角度的位置進(jìn)行施工，施工完成后再利用轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)使其轉(zhuǎn)動(dòng)到橋梁設(shè)計(jì)軸線位置[13-14]。橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)上、下轉(zhuǎn)盤接觸球面采用摩擦系數(shù)較小的四氟乙烯滑片，待梁體施工完成后，通過(guò)砂箱將梁體重量移至球鉸，然后通過(guò)稱重、配重后，再采用安裝在牽引反力座上的2套轉(zhuǎn)體千斤頂張拉牽引索，在力偶作用下，上轉(zhuǎn)盤通過(guò)繞軸在下承臺(tái)上轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)[15-16]。

橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)主要有承重系統(tǒng)、頂推牽引系統(tǒng)和平衡系統(tǒng)3大部分組成[17]（圖2）。

（1）承重系統(tǒng)。承重系統(tǒng)由上、下轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸構(gòu)成，上轉(zhuǎn)盤支承轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，下轉(zhuǎn)盤與樁基礎(chǔ)相連，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。

（2）頂推牽引系統(tǒng)。頂推牽引系統(tǒng)由牽引設(shè)備、牽引反力支座、助推反力支座構(gòu)成。

（3）平衡系統(tǒng)。平衡系統(tǒng)由自身結(jié)構(gòu)、上轉(zhuǎn)盤8對(duì)60cm的鋼管混凝土圓形撐腳、大噸位千斤頂及梁頂3號(hào)段放置的5 m3的備用水箱構(gòu)成。

2 有限元模擬分析

2.1 有限元模型

采用大型有限元軟件ANSYS對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算分析。用實(shí)體單元Soild95模擬混凝土，上球鉸和下球鉸的接觸面采用conta174和targe170來(lái)模擬。轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸節(jié)點(diǎn)主要采用實(shí)體單元，實(shí)體單元網(wǎng)格劃分較為繁瑣，為了能準(zhǔn)確模擬上下球鉸間的接觸狀況，轉(zhuǎn)盤部分采用六面體單元，并在接觸部分加密網(wǎng)格劃分。下球鉸為目標(biāo)面，采用targe170單元，上球鉸為接觸面，采用conta174單元模擬，targe170單元和conta174單元通過(guò)設(shè)置面-面接觸模擬上、下球鉸之間的接觸[18]。為了能使接觸模擬分析得到較好的收斂，接觸部分鋼板與其上部核心混凝土采用六面體單元，其余混凝土部分采用四面體單元，自由網(wǎng)格劃分?？紤]到中間接觸部分為直接受力構(gòu)件且受力較為集中，此處網(wǎng)格劃分應(yīng)該較為細(xì)密，外圍混凝土網(wǎng)格則較為稀疏，這樣有利于提高計(jì)算精度和縮短計(jì)算時(shí)間。為模擬上下球鉸的接觸作用，設(shè)置接觸單元參數(shù)，使得ANSYS自動(dòng)調(diào)整接觸面間的偏差值，消除初始滲透和初始縫隙。在計(jì)算中，ANSYS自動(dòng)預(yù)測(cè)接觸行為，從而確定合理的荷載增量，在每一荷載子步更新接觸剛度。轉(zhuǎn)體系統(tǒng)球鉸有限元計(jì)算模型如圖3所示。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

模擬計(jì)算結(jié)果表明，1號(hào)墩墩頂支座所受恒載支反力為42684kN，2號(hào)墩墩頂支座所受恒載支反力為42673kN，說(shuō)明2個(gè)主墩結(jié)構(gòu)相同且受力大小基本相等。為此，以下僅給出橋梁1號(hào)墩球鉸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。

（1）橋梁1號(hào)墩轉(zhuǎn)體20°及轉(zhuǎn)體55°的球鉸應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4、圖5，由圖4、圖5可以看出，1號(hào)墩球鉸在轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下應(yīng)力分布較為均勻，未出現(xiàn)明顯應(yīng)力不均或者應(yīng)力集中點(diǎn)，各計(jì)算點(diǎn)應(yīng)力均處于安全范圍內(nèi)。1號(hào)墩轉(zhuǎn)體至20°時(shí)橫向應(yīng)力最大值為-5.91MPa，縱向應(yīng)力最大值為-21.93MPa，豎向應(yīng)力最大值為-5.999MPa，第1主應(yīng)力最大值為-4.09MPa，第3主應(yīng)力最大值為22.36MPa;1號(hào)墩轉(zhuǎn)體至55°時(shí)橫向應(yīng)力最大值為-5.844MPa，縱向應(yīng)力最大值為-21.761MPa，豎向應(yīng)力最大值為-6.07MPa，第1主應(yīng)力最大值為-4.047MPa，第3主應(yīng)力最大值為-22.672MPa。

（2）表1給出1號(hào)墩轉(zhuǎn)動(dòng)前、轉(zhuǎn)體過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)至不同角度時(shí)，5個(gè)計(jì)算點(diǎn)位置的球鉸豎向應(yīng)力，從表1可以看出，橋梁轉(zhuǎn)體過(guò)程中球鉸豎向應(yīng)力最大值發(fā)生在轉(zhuǎn)動(dòng)20°時(shí)，其值為-6.25 MPa。

3 球鉸應(yīng)力監(jiān)測(cè)

橋梁轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中球鉸是最為關(guān)鍵的部位，受力非常復(fù)雜，為確保其在施工過(guò)程中的受力合理以及轉(zhuǎn)動(dòng)施工的順利進(jìn)行，需要對(duì)球鉸應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。只有保證球鉸應(yīng)力在安全控制范圍內(nèi)，才能保證橋梁受力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。因此，需對(duì)計(jì)算點(diǎn)處的豎向應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算模擬值進(jìn)行對(duì)比，分析在某一時(shí)刻的應(yīng)力值是否一致。

3.1 球鉸應(yīng)力影響因素

影響球鉸應(yīng)力的因素主要有混凝土的收縮徐變、溫度影響[19-20]。

（1）混凝土收縮徐變。由于收縮徐變的影響，使得應(yīng)力計(jì)的非受力應(yīng)變?cè)黾?，使得測(cè)試結(jié)果與理論結(jié)果相比相差太大，所以要得到實(shí)際應(yīng)力，須將混凝土的受力應(yīng)變從總應(yīng)變中分離出來(lái)，即應(yīng)扣除收縮徐變對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

（2）溫度影響。混凝土的溫度變化與大氣溫度變化密切相關(guān)，由于大氣溫度的影響，傳感器鋼弦的應(yīng)變和自振頻率均將發(fā)生變化。所以為了消除溫度對(duì)測(cè)量值的影響，讀取數(shù)據(jù)應(yīng)在早晨太陽(yáng)輻射較小時(shí)完成。

3.2 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

在下轉(zhuǎn)盤對(duì)應(yīng)計(jì)算點(diǎn)布置應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)點(diǎn)處應(yīng)力變化及應(yīng)力分布情況，并與模擬計(jì)算值進(jìn)行比較，根據(jù)球鉸應(yīng)力分布推算兩端懸臂重量不平衡狀況，對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)體體系旋轉(zhuǎn)前后的兩端平衡控制與調(diào)整起到指導(dǎo)作用。

結(jié)合球鉸應(yīng)力模擬計(jì)算分析結(jié)果，取1號(hào)墩下轉(zhuǎn)盤為監(jiān)測(cè)對(duì)象，對(duì)1號(hào)橋墩球鉸下轉(zhuǎn)盤底部四周和正中心對(duì)應(yīng)布置的5個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。應(yīng)力監(jiān)測(cè)采用振弦式應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變計(jì)布置在非擴(kuò)大截面的普通鋼筋上，通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)反映監(jiān)測(cè)斷面橫向的分布應(yīng)力。5個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

表2給出了1號(hào)墩球鉸在轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下的應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果，由表2可見(jiàn)，轉(zhuǎn)體前球鉸最大應(yīng)力為-4.93MPa，轉(zhuǎn)體過(guò)程中球鉸最大應(yīng)力為-5.05MPa，發(fā)生在轉(zhuǎn)體20°時(shí)的4號(hào)測(cè)點(diǎn)。

4 計(jì)算與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

表3給出了1號(hào)墩球鉸豎向應(yīng)力模擬計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值差值對(duì)比結(jié)果，由表3可知，1號(hào)墩在轉(zhuǎn)體狀態(tài)球鉸應(yīng)力監(jiān)測(cè)值與模擬計(jì)算值相差不大，差值位于0.83～1.52MPa之間，表明球鉸豎向應(yīng)力監(jiān)測(cè)值變化趨勢(shì)與模擬計(jì)算值基本一致。

5 結(jié)論

（1）采用ANSYS有限元軟件對(duì)橋梁轉(zhuǎn)體施工中球鉸應(yīng)力分布及應(yīng)力變化進(jìn)行模擬計(jì)算與監(jiān)測(cè)分析，確保了橋梁轉(zhuǎn)體施工的安全，對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)體體系旋轉(zhuǎn)前后的兩端平衡控制與調(diào)整起到指導(dǎo)作用。

（2）由1號(hào)墩球鉸在轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下應(yīng)力云圖可知，整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中未出現(xiàn)明顯應(yīng)力不均或者應(yīng)力集中點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力均處于安全范圍內(nèi)。

（3）1號(hào)墩在轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下球鉸豎向應(yīng)力監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值基本一致，差值位于0.83～1.52MPa 區(qū)間，表明在整個(gè)轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中球鉸受力合理滿足要求。

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收稿日期 2019-11-26

責(zé)任編輯 朱開(kāi)明