跨鐵公路轉(zhuǎn)體橋墩中轉(zhuǎn)體系統(tǒng)受力分析

摘要：以墩中轉(zhuǎn)體施工橋為研究對象，通過建立數(shù)值分析模型，對墩中轉(zhuǎn)體球鉸在豎向荷載作用下的受力狀況進行分析。采取數(shù)值模擬的方法，對球鉸的應(yīng)力分布、變形以及球鉸與墩身之間的相互作用進行詳細分析。研究結(jié)果表明：在豎向荷載作用下，球鉸的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出明顯的非線性特征，且隨著荷載的增加，球鉸的變形逐漸增大。球鉸與墩身之間的相互作用也表現(xiàn)出一定的非線性特征，對球鉸的受力狀況產(chǎn)生一定影響。所述研究方法和研究結(jié)果，可以類似工程墩中轉(zhuǎn)體球鉸的設(shè)計和優(yōu)化提供重要的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高墩；墩中轉(zhuǎn)體；墩中轉(zhuǎn)體球鉸

0 引言

橋梁轉(zhuǎn)體施工法是橋梁結(jié)構(gòu)的主要施工方法之一，既可降低橋梁建造對既有線路運營的影響，也可以在特殊地區(qū)使用。近年來，許多專家學(xué)者針對橋梁轉(zhuǎn)體系統(tǒng)受力性能開展相關(guān)研究。李慧萍[1]等人深入探討了城市環(huán)境下橋梁轉(zhuǎn)體施工的技術(shù)難點及解決方案，對于在復(fù)雜城市環(huán)境中應(yīng)用轉(zhuǎn)體施工技術(shù)有著重要的指導(dǎo)意義。李彪[2]等人對橋梁轉(zhuǎn)體施工法在現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施項目中的高效性進行了細致分析，指出其在縮短工期、降低成本上的顯著優(yōu)勢。劉芳[3]等人提出了一種新型的基于模塊化設(shè)計的預(yù)制轉(zhuǎn)體橋梁構(gòu)件，為提高施工效率和施工質(zhì)量提供了可能。蘇曉堃[4]等人研究了多個案例分析，展示了轉(zhuǎn)體施工技術(shù)在不同類型橋梁中的應(yīng)用，及其在解決特定施工挑戰(zhàn)方面的效果。

本文以墩中轉(zhuǎn)體施工橋為研究對象，建立數(shù)值分析模型，在豎直荷載的影響下，分析橋墩中的轉(zhuǎn)體球鉸的力學(xué)表現(xiàn)。

1 工程概況

本工程為107北互通式立交主線上跨京廣鐵路，京廣下行線與道路軸線交點里程鐵路里程為K368+726.86（公路里程為K10+421.31），交角為85.7°。交叉處既有上行線鐵路軌頂高程為72.96m，下行線鐵路軌頂高程為72.76m。

本工程段公路跨越既有京廣鐵路處于半徑2000m曲線段，與公路的相交角度為85.7°，在跨越鐵路的主孔外引橋范圍位于圓曲線及緩和曲線上。上跨方案橋位處于1.8%及-3%坡段上。本工程跨京廣鐵路段設(shè)計范圍內(nèi)，橋梁孔跨布置為（4×30）m+2-（3×30）m先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁+2×55m T構(gòu)橋。其中2×55m的T型剛構(gòu)橋為跨鐵路聯(lián)，采用轉(zhuǎn)體施工。

本橋施工范圍為主橋與引橋樁基、承臺、墩柱、轉(zhuǎn)體現(xiàn)澆梁及相關(guān)附屬設(shè)施。主橋上部結(jié)構(gòu)采用（2×55）m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)跨越京廣鐵路，轉(zhuǎn)體施工。轉(zhuǎn)體部分跨徑組合為（50+50）m，上部結(jié)構(gòu)整幅設(shè)計，主墩采用雙肢薄壁墩，橋面全寬34.5m，轉(zhuǎn)體質(zhì)量14200t（包括護欄、防護屏）。

橋梁荷載標準為公路Ⅰ級，鐵路孔提高30%。道路等級為一級公路，設(shè)計時速80km/h。結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期100年。本工程為重要結(jié)構(gòu)，安全等級為一級?？玷F路聯(lián)橋梁標準橫斷面為雙向6車道，0.5m防撞墻+15.5m行車道+0.5m防撞墻+1.5m中央分隔帶+0.5m防撞墻+15.5m行車道+0.5m防撞墻，橋面寬34.5m。路面橫坡超高2%?？缇V鐵路凈高≥8.3m。

2 數(shù)值分析模型

以墩高40m的6號墩為研究對象，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)布置在高31m的墩中部。轉(zhuǎn)體系統(tǒng)由上轉(zhuǎn)盤、下轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)動牽引系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動支撐系統(tǒng)、防傾覆裝置、限位裝置等組成。上轉(zhuǎn)盤設(shè)置轉(zhuǎn)動牽引系統(tǒng)，下轉(zhuǎn)盤設(shè)置轉(zhuǎn)動支撐系統(tǒng)和防傾覆裝置，限位裝置設(shè)置在上轉(zhuǎn)盤和下轉(zhuǎn)盤。

模型上墩身長度為70m，寬度為20m，高度為20m，下墩身長度為70m，寬度為20m，高度為18m。上轉(zhuǎn)盤直徑為30m，下轉(zhuǎn)盤直徑為15m。三維模型如圖1所示。

3 結(jié)果分析

3.1 不同中心距離下球鉸接觸面豎向應(yīng)力

基于上述模型，分析墩中轉(zhuǎn)體系統(tǒng)在豎向荷載影響下的受力情況。不同球鉸中心距離下球鉸接觸面豎向應(yīng)力值如表1所示。豎向應(yīng)力隨球鉸中心距離的變化曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，在豎向荷載作用下，球鉸系統(tǒng)的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出明顯的非線性特征。隨著距球鉸中心距離的增加，下球鉸所受到的應(yīng)力逐漸增大，但增大的速率并不是均勻的。在距球鉸中心距離1.25～1.5m的范圍內(nèi)，下球鉸的應(yīng)力從9.8MPa突變到20.5MPa。

這種突變現(xiàn)象表明在該部位應(yīng)力受到了較大的集中作用。為此在設(shè)計中要考慮增強結(jié)構(gòu)，以減小這種應(yīng)力集中的影響。在結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析時，確保應(yīng)力分布的均勻性是至關(guān)重要的，因為不均勻的應(yīng)力分布會導(dǎo)致局部過度負荷，進而可能造成材料的疲勞損傷甚至是結(jié)構(gòu)性損壞。

3.2 不同圓心角上球鉸正應(yīng)力變化

為分析不同圓心角上球鉸下墩中轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)中對上球鉸應(yīng)力影響，建立6種不同圓心角模型：10°、11°、12°、13°、14°15°。不同圓心角上球鉸正應(yīng)力變化趨勢如圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著圓心角的增大，上球鉸豎向正應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢。在圓心角10～12°時，上球鉸豎向正應(yīng)力逐漸增大，并在12°時達到最大值。這由于在這個角度范圍內(nèi)，上球鉸受到的壓力逐漸增大，導(dǎo)致正應(yīng)力也隨之增大。

然而，當圓心角繼續(xù)增大到13°時，上球鉸豎向正應(yīng)力突然下降到最小值。這是由于在這個角度下，上球鉸受到的壓力突然減小導(dǎo)致正應(yīng)力減小。當圓心角繼續(xù)增大到15°時，上球鉸所受到的正應(yīng)力達到5.2MPa。

從圖3還可以看出，在圓心角12～13°之間，上球鉸豎向正應(yīng)力變化幅度較大，說明在這個角度范圍內(nèi)，上球鉸受到的壓力變化較為明顯。

3.3 不同圓心角對應(yīng)下球鉸承臺豎向正應(yīng)力

為分析不同圓心角承臺在荷載作用，下墩中轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)中對下球鉸應(yīng)力影響，對不同圓心角進行了數(shù)值模擬分析。不同圓心角對應(yīng)下球鉸承臺豎向正應(yīng)力如圖4所示。

由圖4可知，當圓心角為10°時，下球鉸承臺的正應(yīng)力達到最大值17.3MPa。這表明在這個角度下，承臺受到了最大的扭矩作用，導(dǎo)致正應(yīng)力達到最大。隨著圓心角的逐漸增大，承臺所承受的扭矩逐漸減小，因此正應(yīng)力也呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。當圓心角為15°時，下球鉸承臺的正應(yīng)力達到最小值7.3MPa。這表明在這個角度下，承臺所承受的扭矩最小，導(dǎo)致正應(yīng)力也最小。

綜上所述，下球鉸承臺的正應(yīng)力與圓心角之間存在線性關(guān)系，隨著圓心角的增大，承臺的正應(yīng)力逐漸減小。這種變化趨勢是由于隨著圓心角的增大，承臺所承受的扭矩逐漸減小，從而使得正應(yīng)力也隨之減小。

3.4 不同圓心角對應(yīng)下球鉸外緣正應(yīng)力

為分析不同圓心角下球鉸在荷載作用下墩中轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)中對下球鉸應(yīng)力影響，對不同圓心角進行了數(shù)值模擬。不同圓心角對應(yīng)下球鉸外緣正應(yīng)力如圖5所示。

從圖5中可以看出，隨著圓心角的增大，下球鉸外緣的豎向正應(yīng)力呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。這主要是因為在圓心角較小時，球鉸所受到的壓力較大，導(dǎo)致其外緣豎向正應(yīng)力較大。而隨著圓心角的增大，球鉸所受到的壓力逐漸減小，從而使得其外緣豎向正應(yīng)力逐漸減小。

當在圓心角為10°時，下球鉸外緣的豎向正應(yīng)力達到最大值14.2MPa。而在圓心角為15°時，其豎向正應(yīng)力最小，為6.8MPa。這說明在圓心角逐漸增大的過程中，球鉸所受到的壓力逐漸減小，從而使得其外緣豎向正應(yīng)力逐漸減小。

進一步分析可得，下球鉸外緣的豎向正應(yīng)力分布，隨著圓心角的增大而呈現(xiàn)出一種非線性的變化趨勢。在圓心角較小時，應(yīng)力分布較為均勻，隨著圓心角的逐漸增大，應(yīng)力分布逐漸向球鉸的中心區(qū)域集中。這是因為在圓心角增大的過程中，球鉸所受到的壓力逐漸減小，而其外緣的曲率半徑逐漸增大，導(dǎo)致應(yīng)力集中程度增加。

3.5 不同摩擦系數(shù)下球鉸應(yīng)力

選取0、0.03、0.05、0.07、0.09、0.11等6組靜摩擦系數(shù)來探究對下球鉸應(yīng)力值的影響。不同摩擦系數(shù)下球鉸應(yīng)力如圖6所示。

從圖6中可以看出，摩擦系數(shù)和應(yīng)力值的變化并不是簡單的線性關(guān)系。在摩擦系數(shù)從0～0.03的過程中，應(yīng)力值從13.4MPa下降到12.9MPa，這表明在這個階段，摩擦系數(shù)的增加對系統(tǒng)的影響是負面的，導(dǎo)致應(yīng)力值下降。然而，當摩擦系數(shù)從0.03增加到0.07時，應(yīng)力值卻呈現(xiàn)增大的趨勢，這表明在這個階段，摩擦系數(shù)的增加對系統(tǒng)的影響是正面的，導(dǎo)致應(yīng)力值增大。

當摩擦系數(shù)從0.07增加到0.09時，應(yīng)力值又呈現(xiàn)減小的趨勢。這表明在這個階段，摩擦系數(shù)的增加對系統(tǒng)的影響是負面的，導(dǎo)致應(yīng)力值下降。分析認為，因為在這個階段，摩擦系數(shù)的增加超過了系統(tǒng)的承受能力，導(dǎo)致應(yīng)力值下降。

在摩擦系數(shù)為0.07時，應(yīng)力值達到最大，為13.8MPa。這表明在這個點上，摩擦系數(shù)與系統(tǒng)之間的相互作用達到了一個平衡狀態(tài)，導(dǎo)致應(yīng)力值達到最大。而在摩擦系數(shù)為0.09時，應(yīng)力值達到最小，為12.9MPa。這表明在這個點上，摩擦系數(shù)對系統(tǒng)的影響較小，導(dǎo)致應(yīng)力值達到最小。

4 結(jié)束語

本研究以墩中轉(zhuǎn)體施工橋為研究對象，通過建立數(shù)值分析模型，分析在受豎直荷載作用時分析轉(zhuǎn)體球鉸的力學(xué)特性。研究球鉸的應(yīng)力分布和變形情況，分析其與橋墩接合部位的相互作用和影響，得出以下結(jié)論：

在豎向荷載作用下，球鉸系統(tǒng)的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出明顯的非線性特征。隨著距球鉸中心距離的增加，下球鉸所受到的應(yīng)力逐漸增大，但增大的速率并不是均勻的。

隨著圓心角的增大，上球鉸豎向正應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢。在圓心角10～12°之間，上球鉸豎向正應(yīng)力逐漸增大，并在12°時達到最大值。

下球鉸承臺的正應(yīng)力與圓心角之間存在線性關(guān)系，隨著圓心角的增大，承臺的正應(yīng)力逐漸減小。

參考文獻

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