哈西大橋轉(zhuǎn)體承臺(tái)結(jié)構(gòu)受力研究

傅琦

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司東北分院，黑龍江 哈爾濱 150006)

本次研究范圍內(nèi)的道路設(shè)計(jì)等級(jí)采用主干路標(biāo)準(zhǔn)，60km/h(設(shè)計(jì)時(shí)速)，車道布置采用雙向六車道?？玷F路部分橋梁全長(zhǎng)434m，全寬30m。本次計(jì)算研究的跨鐵路(118+198+118)m 轉(zhuǎn)體斜拉橋主橋縱向采用全飄浮體系，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)π 型梁結(jié)構(gòu)，主塔結(jié)構(gòu)為雙塔柱門式結(jié)構(gòu)索塔，斜拉索采用雙索面結(jié)構(gòu)，扇面形布置，采用Midas/Civil 2019 專用橋梁分析軟件建立分析模型，承臺(tái)采用六面體和五面體三維實(shí)體單元，樁基采用節(jié)點(diǎn)豎向彈簧支承模擬，研究該模型在塔底反力作用下各項(xiàng)受力規(guī)律并進(jìn)行驗(yàn)算，為今后此類轉(zhuǎn)體橋梁的設(shè)計(jì)提供參考。

1 項(xiàng)目概況

本次計(jì)算研究的雙塔雙索面斜拉橋跨總長(zhǎng)度434m，跨徑布置為(118+198+118)m，邊主跨比0.6:1。由于場(chǎng)站鐵路線路布置的限制，邊跨較常規(guī)斜拉橋要大(一般為0.45～0.5:1)。半飄浮結(jié)構(gòu)支承體系，塔和過(guò)渡墩處均設(shè)置縱向活動(dòng)支座。設(shè)計(jì)荷載：城-A 級(jí)荷載的1.3 倍(考慮公跨鐵安全系數(shù)1.3)。設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)。(圖1)

圖1 橋型布置圖

1.1 主塔

主塔結(jié)構(gòu)采用H 形塔柱，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(C50)。主塔高度74m，設(shè)置1 道鋼結(jié)構(gòu)橫梁。上塔柱采用矩形截面，截面尺寸：320cm(橫)x650cm(縱)，短邊壁厚100cm，長(zhǎng)邊壁厚60cm。下塔柱為實(shí)體墻式結(jié)構(gòu)，截面橫橋向尺寸2400cm～3140cm，縱橋向尺寸650cm。橫梁為箱形截面，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。橫梁截面尺寸：340cm(高)x550cm(寬)，壁厚50cm，頂面設(shè)置散水坡。每個(gè)塔柱頂設(shè)一座主動(dòng)型避雷針。

1.2 主梁

主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土π 型梁結(jié)構(gòu)，混凝土C60，按A類預(yù)應(yīng)力體系設(shè)計(jì)。

主梁道路中心線處高度2.4m，頂寬29.8m，頂板厚度30cm。肋寬180cm，在錨跨尾段及塔根部附近局部加寬至280cm。兩肋間設(shè)置預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁，橫梁腹板厚度42cm，標(biāo)準(zhǔn)間距7m；塔支點(diǎn)處橫梁寬500cm，為箱形截面；過(guò)渡墩支點(diǎn)處橫梁寬220cm。

主梁共設(shè)置11 個(gè)節(jié)段，8 個(gè)支架現(xiàn)澆段，3 個(gè)合龍段。

1.3 主塔墩基礎(chǔ)

主塔墩基礎(chǔ)為本次承臺(tái)分析結(jié)構(gòu)，承臺(tái)采用六面體和五面體三維實(shí)體單元，樁基采用節(jié)點(diǎn)豎向彈簧支承模擬。該模型在塔底反力作用下各樁頂反力的分布規(guī)律。

承臺(tái)下采用直徑1.8m 鉆孔灌注樁，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)75m，共30根樁，持力層2-1 粉質(zhì)粘土。下承臺(tái)平面為八邊形，厚度580cm，C40a 引氣混凝土。(圖2、3)

圖2 承臺(tái)構(gòu)造圖

圖3 計(jì)算模型

1.4 塔底反力

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)由下承臺(tái)、轉(zhuǎn)體球鉸、上承臺(tái)、牽引系統(tǒng)組成。下承臺(tái)用于承擔(dān)整個(gè)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重量，轉(zhuǎn)體施工完畢后，結(jié)合上承臺(tái)結(jié)構(gòu)，共同承擔(dān)塔柱及梁體受力。下承臺(tái)中埋置用于轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)體球鉸、環(huán)形助推滑道及用于轉(zhuǎn)體的牽引反力座、助推反力座等。鋼球鉸直徑4.5m，總高度為0.89m，上下兩片式結(jié)構(gòu)。上承臺(tái)作為轉(zhuǎn)體過(guò)程中的主要結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)體過(guò)程中處于多向立體受力狀態(tài)。上承臺(tái)直徑18m。轉(zhuǎn)體牽引盤直徑φ15m，高度0.8m。轉(zhuǎn)體牽引盤是球鉸、撐腳以及上承臺(tái)相連接的部分，同時(shí)也是轉(zhuǎn)盤鋼絞線牽引力直接施加的部分。

轉(zhuǎn)體上承臺(tái)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行轉(zhuǎn)體前支承體系的轉(zhuǎn)換。抽出預(yù)先放置的鋼墊板，使上承臺(tái)支承于球鉸上。施加對(duì)向轉(zhuǎn)體牽引力矩，使轉(zhuǎn)臺(tái)沿球鉸中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。檢查球鉸的運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，測(cè)定其摩擦系數(shù)，為轉(zhuǎn)體施工提供依據(jù)。

摩擦系數(shù)按下式測(cè)算：

μ＝M/1.13G

μ- 摩擦系數(shù)；

M- 轉(zhuǎn)體力矩(t*m)；

G- 轉(zhuǎn)臺(tái)總重量(t)。

設(shè)計(jì)靜摩擦系數(shù)為0.1，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.06，若施工時(shí)測(cè)出摩擦系數(shù)較設(shè)計(jì)出入較大，應(yīng)分析找出原因，并作出相應(yīng)地處理。

轉(zhuǎn)體階段，上部結(jié)構(gòu)的塔底反力為240000kN。

1.5 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的牽引力計(jì)算

轉(zhuǎn)體總重量W＝塔底反力+上承臺(tái)反力=280000kN

其摩擦力計(jì)算公式為F＝W×μ。

啟動(dòng)時(shí)靜摩擦系數(shù)按μ＝0.1，靜摩擦力F＝W×μ＝28000kN；

轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中地動(dòng)摩擦系數(shù)μ＝0.06；

轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中地動(dòng)摩擦力F＝W×μ=16800kN。

轉(zhuǎn)體拽拉力計(jì)算：

T=2/3×(R·W·μ)/D

R- 球鉸平面半徑，R=2.25m；

W- 轉(zhuǎn)體總重量，W＝280000kN；

D- 轉(zhuǎn)臺(tái)直徑，D＝15m；

μ- 球鉸摩擦系數(shù)，μ 靜＝0.1，μ 動(dòng)＝0.06

計(jì)算結(jié)果：

啟動(dòng)時(shí)所需要最大牽引力T＝2/3×(R·W·μ 靜)/D＝2800kN；

轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需要最大牽引力T＝2/3×(R·W·μ 動(dòng))/D＝1680kN。

由已施工完同類型橋的經(jīng)驗(yàn)知，實(shí)際施工時(shí)最大牽引力可取計(jì)算值的1.2 倍。

轉(zhuǎn)體牽引反力座處選用兩臺(tái)3000KN 型千斤頂、同步自動(dòng)連續(xù)牽引系統(tǒng)(連續(xù)作用千斤頂、液壓程控泵站及電腦控制臺(tái)組成)，形成對(duì)向轉(zhuǎn)體牽引力矩，通過(guò)牽引錨固鋼絞線，使得轉(zhuǎn)體系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)體助推反力座處選用兩臺(tái)3000KN 型千斤頂作為轉(zhuǎn)體過(guò)程的備份。

1.6 樁基豎向剛度

單樁豎向剛度Kpp=1.75×106kN/m。

1.7 承臺(tái)自重77402kN

1.8 模型采用了以下材料特性假設(shè)。即Midas/Civil 中采用了下列材料：

表1 構(gòu)件材料表

1.9 主要設(shè)計(jì)參數(shù)選取

(1)結(jié)構(gòu)自重。

(2)橋面系二期恒載。

表2 二期恒載表

(3)混凝土收縮及徐變作用

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)的規(guī)定計(jì)算。計(jì)算基本條件：平均濕度70%；加載齡期，現(xiàn)澆構(gòu)件為10 天。

(4)預(yù)應(yīng)力作用

(5)基礎(chǔ)不均勻沉降

主墩0.03m，過(guò)渡墩0.01m。

(6)汽車靜荷載

設(shè)計(jì)荷載：城-A 級(jí)X1.3 倍。

(7)汽車動(dòng)荷載

汽車動(dòng)荷載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》JTG D60-2015的規(guī)定根據(jù)結(jié)構(gòu)基頻計(jì)算。

(8)人群和非機(jī)動(dòng)車荷載按規(guī)范取值。

(9)汽車制動(dòng)力

(10)溫度作用

a.體系溫差

混凝土結(jié)構(gòu)最高有效溫度標(biāo)準(zhǔn)值34℃，最低有效溫度標(biāo)準(zhǔn)值-23℃，計(jì)算合龍溫度10℃～20℃，則結(jié)構(gòu)體系升溫標(biāo)準(zhǔn)值為+24℃，體系降溫標(biāo)準(zhǔn)值為-43℃。

b.溫度梯度

溫度梯度按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》JTGD60-2015 的溫度梯度曲線確定,T1=14℃，T2=5.7℃(90mm 瀝青混凝土鋪裝)。

(11)風(fēng)荷載

橋址處基本風(fēng)速(重現(xiàn)期100 年)V10=36.8m/s，C 類地貌。

(12)地震作用

地震動(dòng)峰值加速度0.1g(基本烈度7 度)，特征周期0.35s，抗震類別甲類，III 類場(chǎng)地。

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 樁頂反力

圖4 承臺(tái)自重與塔底反力組合下樁頂反力(單位：kN)

結(jié)論：在塔底反力作用，中間樁頂反力較周邊樁反力大2 倍多。

2.2 承臺(tái)應(yīng)力

圖5 恒載承臺(tái)橫橋向正應(yīng)力(單位：MPa)

圖6 恒載承臺(tái)橫橋向＞2MPa 拉應(yīng)力范圍(單位：MPa,)

圖7 恒載承臺(tái)縱橋向正應(yīng)力(單位：MPa)

圖8 恒載承臺(tái)縱橋向＞2MPa 拉應(yīng)力范圍(單位：MPa,)

3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

3.1 轉(zhuǎn)盤下承臺(tái)局部承壓驗(yàn)算

轉(zhuǎn)盤直徑按4.5m 計(jì)算。

表3 轉(zhuǎn)盤下承臺(tái)局部承壓驗(yàn)算表

結(jié)論：承臺(tái)局部抗壓承載力滿足要求。

3.2 承臺(tái)抗沖切驗(yàn)算(圖9)

直徑4.5m 轉(zhuǎn)盤等效為邊長(zhǎng)4m 的方柱。(表4)

表4 承臺(tái)抗沖切驗(yàn)算表

承臺(tái)厚度需取5800mm。

4 計(jì)算研究結(jié)論

本次對(duì)研究的哈西大橋轉(zhuǎn)體承臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的計(jì)算分析哈西大街跨哈南場(chǎng)鐵路主橋斜拉橋計(jì)算結(jié)果總結(jié)如表5 所列。

表5

綜上所述，哈西大橋轉(zhuǎn)體承臺(tái)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)受力性能均未超過(guò)限值，滿足規(guī)范要求。

哈西大橋已于2021 年4 月竣工通車，目前使用效果良好，本次研究的轉(zhuǎn)體承臺(tái)結(jié)構(gòu)受力分析及其結(jié)論可為今后此類轉(zhuǎn)體橋梁的設(shè)計(jì)提供參考。

圖9(2)承臺(tái)抗沖切驗(yàn)算簡(jiǎn)圖