張文學(xué)， 黃 薦， 王秀平

(1．北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100124;2．山西省交通廳 長平高速公路建設(shè)管理處，山西 太原 030012)

1 依托工程概述

轉(zhuǎn)體施工是指橋梁結(jié)構(gòu)先在成橋位置以外進(jìn)行澆筑成形，通過轉(zhuǎn)體就位的一種施工方法，常用的轉(zhuǎn)體方法有豎轉(zhuǎn)法、平轉(zhuǎn)法、平轉(zhuǎn)與豎轉(zhuǎn)相結(jié)合法［1-3］。橋梁轉(zhuǎn)體施工不僅能較好地克服障礙，而且可以最大限度地降低對橋下既有線路交通的影響。

橋梁平轉(zhuǎn)施工雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是在轉(zhuǎn)體過程中由于結(jié)構(gòu)處于瞬態(tài)平衡狀態(tài)，此時轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性最差［4-5］。因此，設(shè)計(jì)文件一般都會對轉(zhuǎn)體速度和轉(zhuǎn)體時的環(huán)境風(fēng)速做出相應(yīng)的規(guī)定，但目前關(guān)于轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)墩高和環(huán)境風(fēng)速對轉(zhuǎn)體穩(wěn)定的影響研究還很少，對其影響規(guī)律還不是很明確［6］。為此以長安高速公路微子立交橋?yàn)橐劳泄こ?，建立有限元分析模型，分析了連續(xù)梁橋平轉(zhuǎn)施工過程中墩高、轉(zhuǎn)速及環(huán)境風(fēng)速對轉(zhuǎn)體穩(wěn)定的影響，得出了一些結(jié)論，可為同類工程提供參考。

微子立交橋位于山西省長治市邯長鐵路微子鎮(zhèn)站內(nèi)，主橋跨度為(72 +120 +72)m 連續(xù)梁，主橋在13號和14 號墩之間跨越既有邯長鐵路和遠(yuǎn)期規(guī)劃鐵路，采用支架現(xiàn)澆、單側(cè)(13 號墩)平面轉(zhuǎn)體施工方法。

2 有限元分析模型

2．1 分析模型

分析采用有限元軟件ANSYS 模型，橋梁的整體建模采用BEAM188 梁單元模擬，可以通過SECREAD命令讀入用戶自定義截面，由于箱梁截面較為復(fù)雜，通過建立多個截面，然后以折線的形式階梯狀模擬實(shí)際箱梁形態(tài)，如圖1 所示。箱梁與橋墩采用C50 混凝土，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，彈性模量取3．25 ×104N/mm2，泊松比按0．2 采用，材料密度按照2 600 kg/m3。

2．2 風(fēng)荷載選取

由于缺少實(shí)際橋梁的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)和風(fēng)壓時程曲線，本文計(jì)算中采用類似工程相關(guān)風(fēng)洞試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，在該實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的風(fēng)速為15 m/s，在每一個測點(diǎn)采集2 400 個數(shù)據(jù)，采樣頻率為400 Hz，折合成實(shí)際尺寸模型間隔時間分辨率為0．5 s，選取了其中具有代表性的風(fēng)壓時程曲線數(shù)據(jù)(如圖2 所示)。分析時結(jié)合本橋梁工程的實(shí)際工程參數(shù)，如風(fēng)載體型系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)等進(jìn)行了適當(dāng)修正。

2．3 轉(zhuǎn)體振動激勵荷載

圖2 風(fēng)壓時程曲線

在轉(zhuǎn)體過程中受不可預(yù)見因素的影響，整個轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)在發(fā)生平轉(zhuǎn)過程中會伴隨有豎向擺動。根據(jù)實(shí)際工程的實(shí)測資料可知，平轉(zhuǎn)過程中的豎向擺動幅度跟臨時撐腳與滑道之間的間隙有關(guān)。其上轉(zhuǎn)盤的豎向擺動幅度體現(xiàn)在臨時撐腳位置就是臨時撐腳與滑道的間隙，而在豎向擺動過程中臨時撐腳所受的豎向荷載最大值可近似等于克服球鉸動摩擦力矩與臨時撐腳半徑之比，即Vmax= Md/Rcj，根據(jù)依托工程平衡稱重的實(shí)測情況，經(jīng)計(jì)算得Vmax=3 107 kN。由于目前在平轉(zhuǎn)過程中臨時撐腳所受的荷載實(shí)際情況還很難測得，經(jīng)過理論分析在本文中假設(shè)臨時撐腳所受的豎向荷載為正弦+隨機(jī)的組合荷載，其中正弦荷載幅值Fmax= Vmax=3 107 kN，隨機(jī)荷載幅值為Fmax/2，波長取100 ～150 cm。

3 穩(wěn)定影響因素分析

3．1 風(fēng)速對轉(zhuǎn)體穩(wěn)定的影響

首先取橋墩高度h =20 m，風(fēng)速v =1、3、5、7、9、11 m/s，分析環(huán)境風(fēng)速變化對轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)墩底彎矩的影響。分析結(jié)果如圖3 和圖4 所示。由此可知:

(1)當(dāng)橋墩高度一定時，當(dāng)風(fēng)速較低時，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)墩底彎矩幾乎不隨風(fēng)速的變化而變化。

(2)當(dāng)風(fēng)速增大到一定值后，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)墩底彎矩隨著環(huán)境風(fēng)速的增大而迅速增加，這與風(fēng)壓和風(fēng)速的平方成正比相一致。

(3)由轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)墩底彎矩時程曲線可知，在風(fēng)速較低的情況下，墩底彎矩的變化是比較復(fù)雜的，結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生拍振或共振現(xiàn)象。

圖3 風(fēng)速變化對墩底彎矩的影響

圖4 墩底彎矩響應(yīng)時程曲線(v=7 m/s，h=20 m)

取環(huán)境風(fēng)速v =5 m/s，分別取h =10 ～100 m 共10 種工況進(jìn)行計(jì)算，分析墩高變化對墩底彎矩的影響分析結(jié)果如圖5 和圖6 所示，由此可知:

(1)當(dāng)環(huán)境風(fēng)速一定時，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)墩底彎矩響應(yīng)與墩高之間的關(guān)系并不是單調(diào)增加的，其規(guī)律比較復(fù)雜，但整體上隨著墩高的增大，墩底彎矩響應(yīng)有所增大。

(2)當(dāng)墩高為40 m 的時候出現(xiàn)最大值峰值點(diǎn)，此時的墩底彎矩響應(yīng)最為明顯。由圖6 的墩底彎矩時程曲線可知，此時結(jié)構(gòu)發(fā)生了典型的拍振現(xiàn)象，在給定風(fēng)速荷載下屬較為不利工況。

(3)綜合分析可知，墩高不同轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的自振特性也隨之變化，發(fā)生共振時對應(yīng)的風(fēng)速也不同，因此應(yīng)根據(jù)具體轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的自振特性判定出最不利的環(huán)境風(fēng)速。

圖5 墩高變化對墩底彎矩的影響

圖6 墩底彎矩響應(yīng)時程曲線(v=5 m/s，h=40 m)

3．2 轉(zhuǎn)速和墩高對轉(zhuǎn)體穩(wěn)定的影響

首先橋墩高度h =50 m，分析轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)體墩底彎矩的影響，分析結(jié)果如圖7 所示，此時結(jié)構(gòu)豎向1 階振動周期28 s。由此可知:

(1)當(dāng)轉(zhuǎn)動速度較慢時，結(jié)構(gòu)自振周期與荷載周期相差非常大，加之此時的荷載是在正弦波荷載的基礎(chǔ)上增加隨機(jī)干擾分量，所以墩底的振動彎矩響應(yīng)在頻率特性方面表現(xiàn)出與所施加的荷載周期相似振動特性;而在振動幅值上則表現(xiàn)出一定的隨機(jī)性。

(2)隨著平轉(zhuǎn)速度的增加，結(jié)構(gòu)豎向自振周期與荷載周期越來越接近，墩底振動彎矩表現(xiàn)為短時間的拍振，同時墩底的振動彎矩也隨之增加。

(3)當(dāng)平轉(zhuǎn)速度較快時，此時臨時撐腳所受的豎向荷載周期與結(jié)構(gòu)1 階豎向振動周期基本一致，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的共振現(xiàn)象，墩底振動彎矩明顯增大。

圖8 和圖9 為墩高和平轉(zhuǎn)速度對墩底振動彎矩的影響情況，由此可知:

(1)在某1 次正弦波+隨機(jī)荷載作用下，墩底振動彎矩響應(yīng)隨轉(zhuǎn)速和墩高的變化規(guī)律存在一定的波動性。

(2)經(jīng)過多次計(jì)算可知，墩底的振動彎矩響應(yīng)總體上呈現(xiàn)出隨墩高和轉(zhuǎn)速增加而增加的趨勢。

圖7 墩高h(yuǎn)=50 m 時，不同轉(zhuǎn)動速度時墩底振動時程曲線

圖8 轉(zhuǎn)速Vrot =0．02 rad，墩底彎矩與墩高關(guān)系

圖9 墩高h(yuǎn)=50 m，墩底彎矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系

4 結(jié)論

通過有限元軟件ANSYS 建立了數(shù)值分析模型，對橋梁平轉(zhuǎn)過程中影響轉(zhuǎn)體穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速、環(huán)境風(fēng)速和墩高等主要因素進(jìn)行了分析。通過以上分析可知，橋梁平轉(zhuǎn)過程中的穩(wěn)定不僅與轉(zhuǎn)速和環(huán)境風(fēng)速有關(guān)，而且受轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的自振特性影響敏感。對于給定的轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)其自身結(jié)構(gòu)的動力特性判定其最不利的轉(zhuǎn)速和環(huán)境風(fēng)速，以便在轉(zhuǎn)體時加以避免，確保安全。

［1］李拉普．跨線連續(xù)箱梁橋平面轉(zhuǎn)體施工技術(shù)［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(8):55-57．

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［3］張解放．T 形剛構(gòu)橋轉(zhuǎn)體施工技術(shù)［J］．石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報，2006，19(4):114-117．

［4］交通運(yùn)輸部，中交第一公路工程局有限公司．JTG/T F50—2011 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，2011．

［5］交通運(yùn)輸部，中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院．JTJ D62—2004 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［S］．北京:人民交通出版社，2004．

［6］翟鵬程．轉(zhuǎn)體梁施工中的不平衡問題及風(fēng)致振動研究［D］．北京:北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，2008．