超寬異形鋼箱梁轉(zhuǎn)體橋轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)受力精細(xì)化分析

摘" 要：超寬異形不對(duì)稱鋼箱梁的結(jié)構(gòu)重心不在球鉸中心線上，且偏心距大。偏心荷載會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)體穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，可通過配重調(diào)整結(jié)構(gòu)中心位置，有必要研究偏載作用下的轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)的受力及變形特點(diǎn)。該文以某超寬異形鋼箱梁轉(zhuǎn)體施工為例，建立轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的三維有限元精細(xì)模型，施加不同大小的偏心荷載，分析比較上轉(zhuǎn)盤及下轉(zhuǎn)盤的受力和變形特點(diǎn)。研究表明，當(dāng)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)處于一定的偏載作用下時(shí)，結(jié)構(gòu)受力和變形可滿足穩(wěn)定要求。隨著偏心距的增大，轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力水平均有提高，施工過程中應(yīng)盡量減小不平衡重。

關(guān)鍵詞：超寬;異形;轉(zhuǎn)體;轉(zhuǎn)盤;球鉸;受力分析

中圖分類號(hào)：U445.4" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）02-0114-04

Abstract： The structural center of gravity of ultra-wide special-shaped asymmetric steel box girder is not on the center line of the spherical joint， and the eccentricity is large. Eccentric loads will have adverse effects on the stability of the swivel. The center position of the structure can be adjusted by counterweight. It is necessary to study the stress and deformation characteristics of the turntable structure under eccentric loads. Taking the swivel construction of an ultra-wide special-shaped steel box beam as an example， a three-dimensional finite element fine model of the swivel structure is established， and different eccentric loads are applied to analyze and compare the force and deformation characteristics of the upper turntable and the lower turntable. The research shows that when the swivel structure is under certain eccentric load， the force and deformation of the structure can meet the stability requirements. As the eccentricity increases， the deformation and stress levels of the turntable structure increase， and unbalanced weights should be reduced as much as possible during the construction process.

Keywords： ultra-wide; abnormal shape; swivel; turntable; spherical hinge; force analysis

隨著我國橋梁建設(shè)的發(fā)展，轉(zhuǎn)體施工在跨鐵路橋梁的施工中應(yīng)用得越來越廣泛[1]。在橋梁轉(zhuǎn)體施工中，最為核心的節(jié)點(diǎn)是轉(zhuǎn)盤及球鉸，是要求最為精細(xì)的構(gòu)件。球鉸一般在工廠加工制作，經(jīng)調(diào)試后在現(xiàn)場(chǎng)安裝，其質(zhì)量好壞直接關(guān)系到橋梁施工的成敗。球鉸在施工過程中的受力情況，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定有較大影響[2]。

橋梁在轉(zhuǎn)體施工前，會(huì)通過調(diào)平等措施，盡量讓結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)。但是由于測(cè)量誤差及轉(zhuǎn)體過程中的風(fēng)荷載作用等，橋梁在轉(zhuǎn)體過程中會(huì)受到一定大小的偏心荷載作用，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)處于偏心受壓狀態(tài)。轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)在偏載狀態(tài)下易發(fā)生材料磨損、轉(zhuǎn)動(dòng)鎖死等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)體失敗。所以轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)在不同偏心受壓狀態(tài)下的受力和變形特點(diǎn)，具有相當(dāng)大的研究價(jià)值。

現(xiàn)階段的相關(guān)研究中，肖宇松等[3]分析了極不平衡橋梁轉(zhuǎn)體施工存在的特殊問題，推導(dǎo)了球鉸計(jì)算的相關(guān)簡化計(jì)算公式。張雷等[4]介紹了特大噸位斜拉橋的轉(zhuǎn)體設(shè)計(jì)。張鵬等[5]研究了偏載作用下的球鉸結(jié)構(gòu)受力分析。

現(xiàn)階段的研究主要集中在規(guī)則橋梁轉(zhuǎn)體過程中的轉(zhuǎn)盤及球鉸受力分析，但對(duì)于異形橋梁其調(diào)平更加復(fù)雜，在風(fēng)荷載及溫度作用下更容易產(chǎn)生不平衡荷載，故對(duì)異形轉(zhuǎn)體橋梁的轉(zhuǎn)體分析顯得更有必要。本文以超寬異形鋼箱梁轉(zhuǎn)體施工為例，研究了其轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)在不同偏心受壓狀態(tài)下的受力和變形特點(diǎn)，可為同類工程提供參考。

1" 項(xiàng)目概況

研究對(duì)象為（95+95） m變寬不等高異形整體T構(gòu)鋼箱梁橋，立交主線與匝道合并為一整幅橋梁，橋面寬度40.5～99.8 m，梁高3.5～5.2 m。其中北側(cè)匝道部分高出約2.0～4.5 m。中主墩與鋼箱梁固結(jié)。橋面設(shè)計(jì)為5條不同向車道，橋梁平面布置如圖1所示。

轉(zhuǎn)體主橋自東向西依次跨越機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線、滬昆高鐵、滬蘇湖鐵路及改線滬昆鐵路等7條鐵路，與鐵路夾角為79°，橋梁施工采用平面轉(zhuǎn)體工藝。

2" 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)組成

鋼箱梁轉(zhuǎn)體施工是通過在上下轉(zhuǎn)盤內(nèi)設(shè)置球鉸，以千斤頂牽引預(yù)埋在轉(zhuǎn)盤及撐腳內(nèi)的牽引索帶動(dòng)上轉(zhuǎn)盤以球鉸銷軸為中心旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的。為確保施工順利完成，轉(zhuǎn)體前做詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及施工準(zhǔn)備，并進(jìn)行試轉(zhuǎn)，通過試轉(zhuǎn)調(diào)整參數(shù)后進(jìn)行正式轉(zhuǎn)體，轉(zhuǎn)體結(jié)束后，進(jìn)行約束固定。本橋梁順時(shí)針旋轉(zhuǎn)110°，轉(zhuǎn)體過程在鐵路封鎖點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行。橋梁轉(zhuǎn)體示意圖如圖2所示。

球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)主要由承重系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和平衡系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。承重系統(tǒng)由上轉(zhuǎn)盤、下轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸構(gòu)成;下轉(zhuǎn)盤為支撐轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)全部重量的基礎(chǔ)。上下轉(zhuǎn)盤之間設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸，通過球鉸使上轉(zhuǎn)盤相對(duì)于下轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到轉(zhuǎn)體目的。上轉(zhuǎn)盤的主要構(gòu)件為上球鉸、撐腳等;下轉(zhuǎn)盤的主要構(gòu)件為下球鉸及骨架、撐腳的環(huán)形滑道及骨架等。轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)構(gòu)造尺寸如圖3所示。轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)各組成部件如圖4所示。

3" 轉(zhuǎn)盤受力分析

橋梁轉(zhuǎn)體過程中，受風(fēng)荷載及其他不平衡荷載的影響，轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)會(huì)受到偏心力作用。為研究轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)在不同偏心作用下的受力特性，建立三維有限元模型，分析轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的變形和受力情況。

采用Midas FEA軟件，分別建立上轉(zhuǎn)盤及下轉(zhuǎn)盤的空間實(shí)體模型進(jìn)行分析，模型如圖5所示。

3.1" 無偏心狀態(tài)受力分析

上轉(zhuǎn)盤在轉(zhuǎn)體時(shí)保持良好的受力狀態(tài)，正拉應(yīng)力σ最大為1.34 MPa（限值1.89 MPa），出現(xiàn)于轉(zhuǎn)盤上部;正壓應(yīng)力σ最小為-9.15 MPa（限值-24.4 MPa），出現(xiàn)于轉(zhuǎn)盤底部位置，均小于C55混凝土的容許值。上轉(zhuǎn)盤豎向位移最大值-1.01 mm。上轉(zhuǎn)盤底部正應(yīng)力云圖如圖6所示，豎向位移云圖如圖7所示。

下轉(zhuǎn)盤在轉(zhuǎn)體階段保持良好受力狀態(tài)，正拉應(yīng)力小于1.43 MPa，正壓應(yīng)力大部分區(qū)域大于-6.62 MPa，最小為-12.4 MPa，出現(xiàn)于下轉(zhuǎn)盤頂部與球鉸交接處，均小于C55混凝土的容許值。下轉(zhuǎn)盤豎向位移最大值-11.17 mm。下轉(zhuǎn)盤頂部正應(yīng)力云圖如圖8所示，豎向位移云圖如圖9所示。

3.2" 偏心狀態(tài)受力分析

針對(duì)橋梁重心偏心10 cm狀態(tài)下轉(zhuǎn)盤的受力進(jìn)行分析。上轉(zhuǎn)盤正拉應(yīng)力σ最大為1.53 MPa，出現(xiàn)于轉(zhuǎn)盤上部;正壓應(yīng)力σ最小為-9.28 MPa，出現(xiàn)于轉(zhuǎn)盤底部位置，均小于C55混凝土的容許值。上轉(zhuǎn)盤豎向位移最大值-1.06 mm。上轉(zhuǎn)盤頂部正應(yīng)力云圖如圖10所示。

下轉(zhuǎn)盤在轉(zhuǎn)體階段保持良好受力狀態(tài)，正拉應(yīng)力大部分區(qū)域小于0.92 MPa，最大為1.43 MPa，出現(xiàn)于預(yù)應(yīng)力錨固處之間，正壓應(yīng)力大部分區(qū)域大于-6.76 MPa，最小值為-13.05 MPa，出現(xiàn)于下轉(zhuǎn)盤與球鉸交接處，均小于C55混凝土的容許值。下轉(zhuǎn)盤豎向位移最大-11.30 mm。下轉(zhuǎn)盤底部正應(yīng)力云圖如圖11所示。

3.3" 不同偏心距情況下受力對(duì)比分析

將上部荷載以集中力形式施加在模型中心，分別考慮不偏心及偏心5、10、15 cm，共4種工況。上轉(zhuǎn)盤和下轉(zhuǎn)盤的受力和變形數(shù)據(jù)見表1和表2。

根據(jù)表1及表2計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可得如下結(jié)論：①4種工況下，上下轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)受力和變形均滿足規(guī)范要求;②隨著偏心值的增大，上下轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值及豎向位移值均逐漸增大。偏心值每增大5 cm，上轉(zhuǎn)盤正拉應(yīng)力增加幅度約7%，正壓應(yīng)力增加幅度約0.6%，豎向位移增加幅度約2%。偏心值每增大5 cm;下轉(zhuǎn)盤正拉應(yīng)力變化較小，正壓應(yīng)力增加幅度約3%，豎向位移增加幅度約0.5%。對(duì)于規(guī)范規(guī)則橋梁轉(zhuǎn)體，規(guī)范允許偏心距控制在15 cm以內(nèi)，從對(duì)本橋的分析結(jié)果來看，轉(zhuǎn)盤受力并不是控制因素，主要的控制因素應(yīng)為轉(zhuǎn)體橋梁整體的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。

4" 結(jié)束語

對(duì)于超寬異形鋼箱梁轉(zhuǎn)體施工時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的受力狀態(tài)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，本文以某轉(zhuǎn)體施工的超寬異形鋼箱梁T構(gòu)橋?yàn)槔?，建立上下轉(zhuǎn)盤的三維有限元模型，分析了不同偏心距情況下上轉(zhuǎn)盤及下轉(zhuǎn)盤的受力和變形特點(diǎn)，隨著偏心值的增大，上下轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值及豎向位移值均逐漸增大，施工中應(yīng)采取相關(guān)措施，盡量減小不平衡荷載作用，確保轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)受力的安全。

參考文獻(xiàn)：

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第一作者簡介：肖飛（1986-），男，工程師。研究方向?yàn)殍F路工程及涉鐵工程管理。