跨鐵路獨(dú)塔斜拉橋超大噸位轉(zhuǎn)體系統(tǒng)仿真分析研究

【摘要】

某跨鐵路（150+150） m獨(dú)塔斜拉橋采用轉(zhuǎn)體施工，轉(zhuǎn)體噸位3.6萬(wàn)t，屬于超大噸位，國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)。為研究其轉(zhuǎn)體系統(tǒng)穩(wěn)定性及安全性，采用有限元分析軟件MIDAS FEA作為主要計(jì)算程序。結(jié)果表明：軸壓狀態(tài)上轉(zhuǎn)盤(pán)主拉應(yīng)力大于2.7 MPa，主要位于鋼束錨固端，主壓應(yīng)力最大為15.2 MPa，位于球鉸周邊。縱向傾覆穩(wěn)定系數(shù)7.75，橫向傾覆穩(wěn)定系數(shù)18.06，均大于2.5，滿足要求。牽引所強(qiáng)度利用率2.8，滿足要求。

【關(guān)鍵詞】轉(zhuǎn)體施工； 斜拉橋； 超大噸位； 有限元； 穩(wěn)定系數(shù)

【中圖分類(lèi)號(hào)】U445.465【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2023-08-18

［作者簡(jiǎn)介］翁雪峰（1990—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)樘厥饨Y(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)。

當(dāng)前，在道路規(guī)劃過(guò)程中對(duì)跨越鐵路往往采用橋梁方案，為減小對(duì)鐵路影響，轉(zhuǎn)體施工已經(jīng)成為橋梁施工首選方案。橋梁轉(zhuǎn)體施工不僅能夠最大程度上減小對(duì)既有交通線路運(yùn)營(yíng)的影響，同時(shí)也能夠憑借墩身的球鉸來(lái)完成跨越既有線路的建設(shè)任務(wù)［1-2］。橋梁轉(zhuǎn)體施工具有精度要求高、操作過(guò)程復(fù)雜以及技術(shù)難度大等特點(diǎn)。文望青等［3］對(duì)某雙幅預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中進(jìn)行驗(yàn)算。

目前，跨鐵路橋梁的跨度不斷增加，轉(zhuǎn)體的重量也越來(lái)越大，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的分析也較為復(fù)雜［4-5］。某跨鐵路立交橋采用（150+150）m 獨(dú)塔斜拉橋，轉(zhuǎn)體重量超過(guò)35 000 t，為研究其轉(zhuǎn)體系統(tǒng)穩(wěn)定性及安全性，采用有限元分析軟件MIDAS FEA建立三維有限元模型進(jìn)行分析。

1 工程概況

某跨鐵路橋采用獨(dú)塔斜拉橋跨越鐵路5股道，設(shè)計(jì)時(shí)速40 km/h，道路等級(jí)為城市主干路，其跨徑布置為（150+150） m，主橋立面如圖1所示。橋梁設(shè)計(jì)荷載為城-A級(jí)×1.3，抗震設(shè)防烈度為8度，采用轉(zhuǎn)體施工，轉(zhuǎn)體重量為：35 000 t，轉(zhuǎn)體長(zhǎng)度為（142.5+142.5） m，道路設(shè)計(jì)線與既有鐵路交角為32°。

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)置在5號(hào)墩底部，由轉(zhuǎn)盤(pán)、球鉸、撐腳、環(huán)形滑道、牽引系統(tǒng)和助推系統(tǒng)等部分組成。

轉(zhuǎn)體下轉(zhuǎn)盤(pán)為橋墩的承臺(tái)，轉(zhuǎn)體完成后，與上轉(zhuǎn)盤(pán)共同形成橋梁基礎(chǔ)，下轉(zhuǎn)盤(pán)采用C55混凝土。下轉(zhuǎn)盤(pán)設(shè)置轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的下球鉸直徑7.5 m、環(huán)形滑道中心直徑為15.3 m。

轉(zhuǎn)體上轉(zhuǎn)盤(pán)順橋向18 m，橫橋向18 m，高4.5 m（轉(zhuǎn)臺(tái)直徑17 m，高度1.1 m）。上轉(zhuǎn)盤(pán)下設(shè)有8組撐腳，每組撐腳由2個(gè)600×30 mm的鋼管混凝土組成，下設(shè)30 mm厚鋼板，鋼管內(nèi)灌注C55微膨脹混凝土，撐腳與下滑道的間隙為20 mm。

轉(zhuǎn)體球鉸采用鋼球鉸，分上下2片，球體半徑R7 500 mm，設(shè)計(jì)豎向承載力為530 000 kN。轉(zhuǎn)體系統(tǒng)如圖2和3所示。

2 有限元模型

為分析超大噸位跨鐵路獨(dú)塔斜拉橋穩(wěn)定性和安全性，采用有限元分析軟件MIDAS FEA建立三維有限元模型進(jìn)行分析。所建立的有限元模型如圖4所示。

模型考慮了球鉸及其以上荷載310 744.5 kN，該荷載按均布荷載垂直作用在牽引盤(pán)底部球鉸范圍內(nèi)的面上。上轉(zhuǎn)盤(pán)縱橫向鋼束采用15-s15.2高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa，拉控制應(yīng)力均為1 209 MPa。

根據(jù)JTG 3362-2018《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》，第7.2節(jié)短暫狀況構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算要求，應(yīng)符合表1要求。

3 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)分析

3.1 上轉(zhuǎn)盤(pán)受力性能分析

3.1.1 Sxx正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

軸壓狀態(tài)最大拉應(yīng)力為0.6 MPa，大于0.6 MPa的部分主要位于鋼束錨固端（圖5）。偏壓狀態(tài)最大拉應(yīng)力為2.5 MPa，位于球鉸X方向附近（圖6）。

3.1.2 Syy正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

軸壓狀態(tài)最大拉應(yīng)力為0.5 MPa，大于0.5 MPa的部分主要位于鋼束錨固端（圖7）。偏壓狀態(tài)最大拉應(yīng)力為2.0 MPa，位于球鉸Y方向附近（圖8）。

3.1.3 主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

軸壓狀態(tài)主拉應(yīng)力大于2.7 MPa的部分主要位于鋼束錨固端（圖9、圖10）。

3.1.4 主壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

主壓應(yīng)力最大為15.2 MPa，且位于球鉸周邊（圖11）。

3.2 傾覆穩(wěn)定性計(jì)算

結(jié)構(gòu)的傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)為結(jié)構(gòu)自重構(gòu)成的抗傾覆力矩與風(fēng)力等構(gòu)成的傾覆力矩二者之比，傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)應(yīng)大于2.5（圖12）。

轉(zhuǎn)體施工時(shí)結(jié)構(gòu)處于最大懸臂狀態(tài)，轉(zhuǎn)體重量主要包括轉(zhuǎn)體范圍梁部、橋墩、上轉(zhuǎn)盤(pán)、部分二恒載重量總重369 471 kN。

根據(jù)JTG/T 3360-01-2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A取當(dāng)?shù)貐^(qū)十年一遇風(fēng)速：U10=26.6 m/s；百年一遇風(fēng)速：U10=32.6 m/s；地表分類(lèi)為B類(lèi)，地表粗糙度系數(shù)為0.16。主梁自重不平衡按3%計(jì)，未考慮平衡壓重效應(yīng)。

經(jīng)計(jì)算，縱向穩(wěn)定系數(shù)7.75，橫向穩(wěn)定系數(shù)18.06，均大于2.5，滿足要求。

3.3 轉(zhuǎn)動(dòng)牽引力驗(yàn)算

（1）正常轉(zhuǎn)動(dòng)情況轉(zhuǎn)動(dòng)牽引力計(jì)算。

T＝2/3×（R·W·μ）D

R＝3.435 m，W＝369471 kN，D＝17 m，靜摩擦系數(shù)μj＝0.1，動(dòng)摩擦系數(shù)μd＝0.06，計(jì)算結(jié)果：

啟動(dòng)時(shí)所需最大牽引力T＝2/3×（R·W·μj）D＝4977 kN。

轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中所需牽引力T＝2/3×（R·W·μd）D＝2986 kN。

（2）偏載轉(zhuǎn)動(dòng)情況轉(zhuǎn)動(dòng)牽引力計(jì)算。

T＝2/3×（R·（W-Nc）·μ）D+μ·Nc·Rc/D

Nc＝21098 kN，Rc＝7.65 m，計(jì)算結(jié)果：

啟動(dòng)時(shí)所需最大牽引力T＝2/3×（R·（W-Nc）·μj）D+μj·Nc·Rc/D＝5642 kN。

轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中所需牽引力T＝2/3×（R·（W-Nc）·μd）D+μd·Nc·Rc/D＝3385 kN。

（3）牽引索受力驗(yàn)算。

兩套牽引系統(tǒng)形成水平旋轉(zhuǎn)力偶，通過(guò)拽拉錨固且纏繞于直徑1 700 cm的轉(zhuǎn)臺(tái)圓周上的40-s15.2 mm鋼絞線，使得轉(zhuǎn)動(dòng)體系轉(zhuǎn)動(dòng)。牽引索破壞力：

F＝1395×140×40÷1000=7812 kN ＞T最大＝5642/2=2821 kN。

強(qiáng)度利用率：7812÷2821=2.8

牽引索有足夠的安全系數(shù)，滿足要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用有限元軟件Midas FEA建立某超大噸位（36 947 t）跨鐵路獨(dú)塔斜拉橋轉(zhuǎn)體系統(tǒng)有限元模型，結(jié)合手算方式，重點(diǎn)分析了轉(zhuǎn)體系統(tǒng)穩(wěn)定性及安全性。計(jì)算結(jié)果表明，上轉(zhuǎn)盤(pán)的受力、轉(zhuǎn)體的傾覆穩(wěn)定、牽引系統(tǒng)的安全性均滿足要求。本文采用的超大噸位獨(dú)塔斜拉橋的轉(zhuǎn)體系統(tǒng)可以為后續(xù)同類(lèi)橋型提供參考。

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