跨鐵路V型剛構(gòu)橋轉(zhuǎn)體施工仿真分析研究

翁雪微

[摘要]為研究某跨鐵路（70 m+70 m）V型剛構(gòu)橋在施工過程中結(jié)構(gòu)的受力、變形及穩(wěn)定性，建立了三維有限元模型分析了結(jié)構(gòu)的受力、變形及穩(wěn)定性變化規(guī)律。結(jié)果表明：在施工過程中，結(jié)構(gòu)在0#塊中部的應(yīng)力達到最大值-11.4 MPa；與施工階段相比，收縮徐變對結(jié)構(gòu)的受力影響較大，考慮10年收縮徐變的影響后，V型墩底部的應(yīng)力增大幅度超過100%；轉(zhuǎn)體施工階段下主梁豎向撓度最大達到-68.3 mm，位于4#塊端部；結(jié)構(gòu)在自重作用下的一階失穩(wěn)形式為主梁縱向傾覆失穩(wěn)，一階穩(wěn)定系數(shù)為38.814，考慮橫風(fēng)的影響后，結(jié)構(gòu)的一階穩(wěn)定系數(shù)減小0.002，風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)體施工過程中穩(wěn)定性的影響可以忽略。各工況下結(jié)構(gòu)的一階穩(wěn)定系數(shù)均大于4，滿足規(guī)范要求。

[關(guān)鍵詞]轉(zhuǎn)體施工； 剛構(gòu)橋； 有限元； 穩(wěn)定系數(shù)； 失穩(wěn)形式

[中國分類號]U445.465? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標(biāo)志碼]A

0引言

近年來，我國交通運輸行業(yè)發(fā)展迅猛，新建線路跨越既有鐵路的情形層出不窮［1-3］。橋梁轉(zhuǎn)體施工因不僅能夠最大程度上減小對既有交通線路運營的影響，同時也能夠憑借墩身的球鉸來完成跨越既有線路的建設(shè)任務(wù)而頗受設(shè)計者們的青睞［4-5］。橋梁在轉(zhuǎn)體施工過程中，受自身重量、溫度、風(fēng)速、轉(zhuǎn)體速度等多種因素的影響而可能會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力超限、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等問題［6-7］。李衛(wèi)東等［8］運用有限元軟件ANSYS研究了不同轉(zhuǎn)體速度、轉(zhuǎn)體加速度對混合梁斜拉橋主梁受力特性的影響規(guī)律，結(jié)果表明：勻速轉(zhuǎn)動時，主梁應(yīng)力滿足規(guī)范要求；加速或減速轉(zhuǎn)動時索梁錨固區(qū)應(yīng)力變化量較大。王強［9］對跨鐵路高速公路立交橋轉(zhuǎn)體施工平衡配重方案進行了探討，橋梁轉(zhuǎn)體施工具有精度要求高、操作過程復(fù)雜以及技術(shù)難度大等特點。文望青等［10］對某雙幅預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋轉(zhuǎn)體施工過程中進行驗算，結(jié)果表明：在轉(zhuǎn)體施工過程中，主梁全截面受壓，最大、最小壓應(yīng)力分別為14.00 MPa、0.09 MPa，滿足規(guī)范要求。

目前，采用轉(zhuǎn)體施工跨越既有鐵路線路的橋梁眾多，轉(zhuǎn)體重量也在日漸增大，轉(zhuǎn)體施工過程中結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。某跨鐵路立交橋采用（70+70）m V型剛構(gòu)橋，轉(zhuǎn)體重量達15 800 t，為研究其在施工過程中結(jié)構(gòu)的受力、變形以及穩(wěn)定性，采用有限元軟件Midas/civil建立三維有限元模型，分析典型施工階段下結(jié)構(gòu)受力、變形特性及穩(wěn)定性。

1工程概況

某跨鐵路V型剛構(gòu)橋為設(shè)計時速120 km/h的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁立交橋，其跨徑布置為（70+70）m，主橋立面圖如圖1所示。大橋設(shè)計荷載為公路-I級×1.3，采用轉(zhuǎn)體施工，轉(zhuǎn)體重量為：15 800 t，轉(zhuǎn)體長度為（65+65）m，道路設(shè)計線與既有鐵路交角為86.2°。主梁采用單箱四室截面，整幅橋?qū)?3.7 m，主梁標(biāo)注橫斷面如圖2所示。

道路設(shè)計線與既有客專鐵路線交角為86.0°。大橋轉(zhuǎn)體墩（2號墩）采用“V”字型墩，V型墩為變截面箱形實體墩。V形墩斜腿為鋼筋混凝土實體式結(jié)構(gòu)，斜腿軸線交角約80°，上下固結(jié)，橋墩墩高10.0 m。小里程斜腿長約為14.23 m，橫橋向為倒梯形截面，寬度由墩頂21.025 m漸變至墩底部10.514 m，斜腿順橋向厚2.0 m；大里程斜腿長約為14.26 m，橫橋向為倒梯形截面，寬度由墩頂21.025 m漸變至墩底部10.482 m，斜腿順橋向厚2.0 m。

大橋樁基礎(chǔ)采用C30水下混凝土，轉(zhuǎn)體墩轉(zhuǎn)體系統(tǒng)、轉(zhuǎn)體墩及轉(zhuǎn)體承臺均采用C50混凝土，橫隔梁、濕接縫、封錨、主梁、均采用C55混凝土。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值1 860 MPa、公稱直徑15.2 m的低松弛高強度鋼絞線。橋梁支座采用盆式橡膠支座。

2有限元模型

為分析大噸位跨鐵路V型剛構(gòu)橋在轉(zhuǎn)體施工過程中結(jié)構(gòu)受力情況及其穩(wěn)定性，采用有限元軟件Midas/civil建立大橋三維有限元模型并開展計算分析。有限元模型中，轉(zhuǎn)體承臺、墩身及主梁均采用梁單元模擬，模型共計包含125個節(jié)點，61個梁單元。承臺和墩身采用彈性模量為3.45×104 N/mm2、容重為25 kN/m3的C50混凝土，主梁采用彈性模量為3.55×104 N/mm2、容重為25 kN/m3的C55混凝土。

有限元模型中未建立樁基礎(chǔ)以及邊界墩，邊界墩通過約束其上部的主梁單元節(jié)點平動及扭轉(zhuǎn)自由度來模擬，V型墩樁基礎(chǔ)通過約束承臺底部節(jié)點全部自由度來模擬，V型墩身與主梁之間通過剛臂連接。在轉(zhuǎn)體施工前，主梁采用滿堂支架法現(xiàn)澆施工，通過僅受壓類型的彈性連接來模擬轉(zhuǎn)體施工前的滿堂支架。有限元模型共計包含橋墩施工、1～4#塊、拆除滿堂支架、轉(zhuǎn)體施工、現(xiàn)澆5#塊、橋面鋪裝及伸縮縫、其他附屬工程、以及收縮徐變12個施工階段。所建立的有限元模型如圖3所示。

3轉(zhuǎn)體施工分析

3.1結(jié)構(gòu)受力性能分析

跨鐵路V型剛構(gòu)橋轉(zhuǎn)體重量達到15 800 t，轉(zhuǎn)體重量大，在施工過程中結(jié)構(gòu)受力值得關(guān)注。施工過程中，典型施工階段下結(jié)構(gòu)應(yīng)力如圖4～圖7所示。由圖4～圖7可以看出，由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部布設(shè)有大量的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，使得結(jié)構(gòu)在施工過程中均處于受壓狀態(tài)。其中V型墩頂部的0#塊受力相對較大，在轉(zhuǎn)體施工階段下最大應(yīng)力達到-11.4 MPa，最大應(yīng)力位于0#塊的中部，遠小于C55混凝土的極限抗壓強度。當(dāng)考慮10年收縮徐變的影響后，V型墩底部的應(yīng)力明顯增大，達到-23.6 MPa，與施工過程中的應(yīng)力相比增大超過100%，可見收縮徐變對混凝土V型墩的應(yīng)力影響顯著，在后期橋梁的維護中應(yīng)重點關(guān)注墩底的應(yīng)力情況。

3.2主梁線形變化分析

大噸位剛構(gòu)橋在轉(zhuǎn)體施工過程中對主梁線形同樣有著嚴(yán)格的要求，轉(zhuǎn)體過程中應(yīng)嚴(yán)格控制主梁線形，避免因主梁變形過大而導(dǎo)致橋梁失穩(wěn)垮塌。施工過程中典型施工階段下主梁線形變化見表1。由表1可以看出，在整個施工過程中主梁橫向變形幾乎為0，最大變化值為0.1 mm，而豎向變形在4#塊澆筑之前豎向撓度均為正值（向上），而在轉(zhuǎn)體施工階段豎向撓度由11.4 mm驟變至-68.3 mm（向下），這是由于在轉(zhuǎn)體施工時將施工支架拆除，主梁因自身重量造成的。在成橋階段下主梁豎向撓度達到最大值-71.7 mm，整個施工過程中主梁豎向變形較小，滿足規(guī)范要求。

3.3結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

大噸位V型剛構(gòu)橋在轉(zhuǎn)體施工過程中受多因素的影響而存在失穩(wěn)的可能性。當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)自重以及風(fēng)荷載時，橋梁在轉(zhuǎn)體施工階段下的前5階穩(wěn)定系數(shù)見表2。由表2可以看出，僅在結(jié)構(gòu)自重作用下其一階穩(wěn)定系數(shù)為38.814，二階至五階的穩(wěn)定系數(shù)均在190以上。當(dāng)考慮橫橋向風(fēng)荷載的影響后，結(jié)構(gòu)的一階穩(wěn)定系數(shù)減小0.002，考慮縱橋向風(fēng)荷載后結(jié)構(gòu)的一階穩(wěn)定系數(shù)沒有變化，表明風(fēng)荷載對橋梁轉(zhuǎn)體施工時穩(wěn)定性的影響較小，在轉(zhuǎn)體施工過程中可以不考慮風(fēng)荷載。

橋梁在轉(zhuǎn)體施工階段下其前5階失穩(wěn)形式如圖8所示。由圖8可以看出，在結(jié)構(gòu)自重作用下，結(jié)構(gòu)一階失穩(wěn)形式為主梁縱向傾覆失穩(wěn)，二階和四階失穩(wěn)形式為主梁整體橫向失穩(wěn)，三階和五階失穩(wěn)形式為V型墩橫向局部失穩(wěn)。結(jié)合表2中穩(wěn)定系數(shù)可知，結(jié)構(gòu)在自重作用下轉(zhuǎn)體施工，結(jié)構(gòu)的一階穩(wěn)定系數(shù)達到38.814，遠大于規(guī)范要求的4，表明結(jié)構(gòu)具有足夠的安全系數(shù)，施工過程中不會發(fā)生失穩(wěn)。

4結(jié)束語

本文運用有限元軟件Midas/civil建立某大噸位（15 800 t）跨鐵路V型鋼構(gòu)橋有限元模型，重點分析了大橋在轉(zhuǎn)體施工過程中結(jié)構(gòu)的受力、變形以及穩(wěn)定性。計算結(jié)果表明，該橋在施工過程中受力情況良好，主梁最大壓應(yīng)力-11.4 MPa，遠小于材料的極限抗壓強度；主梁變形及在施工過程中的穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求。本橋采用的大噸位V型剛構(gòu)橋的轉(zhuǎn)體施工方法可以為后續(xù)同類橋型提供參考。

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