楊柳， 張清， 王陽(yáng)建， 陳得良*

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114; 2.深圳市路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司)

橋梁轉(zhuǎn)體施工幾乎不會(huì)對(duì)要跨越的既有工程造成任何交通影響，同時(shí)又能加快施工進(jìn)度，所以當(dāng)需要跨越交通繁忙的道路或水路時(shí)會(huì)被廣泛應(yīng)用。轉(zhuǎn)體施工分為平轉(zhuǎn)法、豎轉(zhuǎn)法和平豎轉(zhuǎn)結(jié)合法，平轉(zhuǎn)法應(yīng)用最多。平轉(zhuǎn)法是指在橋墩(臺(tái))設(shè)置轉(zhuǎn)盤(pán)，利用牽引系統(tǒng)將上部結(jié)構(gòu)由非設(shè)計(jì)軸線(xiàn)位置平轉(zhuǎn)到設(shè)計(jì)軸線(xiàn)位置的一種施工方法。目前轉(zhuǎn)體施工橋梁大多為直橋和大半徑彎橋梁，對(duì)于受現(xiàn)場(chǎng)條件限制而采用的小半徑鋼箱梁橋中國(guó)國(guó)內(nèi)研究較少，難點(diǎn)在于曲線(xiàn)效應(yīng)會(huì)帶來(lái)橫橋向大偏心，對(duì)施工過(guò)程中保持轉(zhuǎn)動(dòng)體系的平衡挑戰(zhàn)很大。其次，鋼箱梁作為空間薄壁結(jié)構(gòu)，在彎扭耦合作用下，應(yīng)力分布情況要比一般橋梁更為復(fù)雜，因此對(duì)大曲率鋼箱梁轉(zhuǎn)體施工進(jìn)行受力仿真分析十分必要。

1 工程概況

該轉(zhuǎn)體施工(50+80+50) m連續(xù)鋼箱梁位于廣(州)深(圳)沿江高速公路深圳段二期工程SJ1合同段H匝道橋第5聯(lián)。工程橫跨廣深高速公路，采用先節(jié)段拼裝后墩底平面轉(zhuǎn)體施工(圖1)。為了避免不對(duì)稱(chēng)施工，單個(gè)橋墩上部轉(zhuǎn)體梁長(zhǎng)均設(shè)為(39+39) m。施工方法為搭設(shè)臨時(shí)支架，14#、15#橋墩臨時(shí)固結(jié)，節(jié)段拼裝至設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)體梁長(zhǎng)，分步進(jìn)行轉(zhuǎn)體施工后，調(diào)整線(xiàn)形，再進(jìn)行邊跨、中跨段合龍

圖1 鋼箱梁現(xiàn)場(chǎng)拼裝和轉(zhuǎn)體示意圖

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箱梁平面位于R=150 m曲線(xiàn)段上，橋面橫坡為6%，鋼箱梁頂寬10.5 m，底寬6.5 m，梁體高2.5～4.5 m。鋼箱梁主要由正交異性板和各自的加勁肋組成，頂?shù)装搴穸确譃?6、24、30 mm3種，腹板厚度分為14、20 mm2種，頂、底、腹板縱肋厚度分別為10、12和11 mm，鋼箱梁每2 m設(shè)一道14 mm厚的縱向橫隔板，支座附近橫隔板加密。

2 有限元模型

針對(duì)鋼箱梁轉(zhuǎn)體部分(39+39) m的主體結(jié)構(gòu)，采用Ansys殼單元Shell63對(duì)其進(jìn)行對(duì)稱(chēng)建模。該橋在轉(zhuǎn)體前完成了橋面護(hù)欄施工，剩余橋面系及附屬工程是在邊、中跨合龍后再施工，因此還需對(duì)防撞護(hù)欄部分采用質(zhì)量單元Mass21進(jìn)行模擬，得到單個(gè)橋墩上部鋼箱梁轉(zhuǎn)體總重量為738.7 t。轉(zhuǎn)體施工中支座臨時(shí)固結(jié)，支座中心點(diǎn)位于x=1 m和x=2.5 m處。對(duì)支座處面域進(jìn)行固定約束，整個(gè)模型處于懸臂狀態(tài)，其中x軸指向曲線(xiàn)外側(cè)。

3 最大懸臂狀態(tài)下受力和變形分析

3.1 偏心距計(jì)算

鋼箱梁縱橋向平衡，由于鋼箱梁曲率大，存在較大的橫橋向偏心。轉(zhuǎn)體施工中需通過(guò)設(shè)置預(yù)偏心和配重來(lái)平衡原本的偏心，使結(jié)構(gòu)重心與轉(zhuǎn)動(dòng)體系的中心盡量重合。該文用Ansys軟件計(jì)算得鋼箱梁的理論重心向其軸線(xiàn)內(nèi)側(cè)橫向偏心1.573 2 m，施工圖設(shè)計(jì)的橫向預(yù)偏心為橋墩中心線(xiàn)偏離鋼箱梁軸線(xiàn)1 m，而橋墩中心線(xiàn)又與轉(zhuǎn)動(dòng)體系的中心線(xiàn)偏離0.3 m，整個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)體系中心線(xiàn)的偏心距計(jì)算示意圖如圖2所示。

圖2中：G1為鋼箱梁自重，G2為橋墩自重，N為轉(zhuǎn)體總重量，e1為鋼箱梁自重與轉(zhuǎn)動(dòng)體系中心的偏心距，e2為橋墩與轉(zhuǎn)動(dòng)中心的偏心距，可得整體對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)體系的偏心距為：

在計(jì)算整體偏心距時(shí)，對(duì)于鋼箱梁的有限元模型則需考慮平彎曲率的影響以及各個(gè)構(gòu)件的幾何尺寸、材料等。此外，因?yàn)槭嵌盏邹D(zhuǎn)體施工，橋墩偏離轉(zhuǎn)動(dòng)中心，因此計(jì)算整體的偏心距必須考慮橋墩的自重。

該文所計(jì)算的整體偏心距較小，配置之前若偏心距小于15 cm，可以不考慮配重，由此表明施工圖所設(shè)計(jì)的預(yù)偏心比較合理，無(wú)需配重。

圖2 轉(zhuǎn)體施工偏心距計(jì)算示意圖(單位：m)

3.2 撓度變形分析

圖3為鋼箱梁在最大懸臂狀態(tài)下的位移變形云圖。從圖3可以看出：鋼箱梁在最大懸臂狀態(tài)下的撓度最大值出現(xiàn)在鋼箱梁頂板曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)，其大小為9.27 cm。

圖3 (39+39) m鋼箱梁靜力分析總位移云圖(單位：m)

圖4為鋼箱梁頂板曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)和外側(cè)的撓度變化圖。圖4表明：對(duì)于大曲率鋼箱梁，在最大懸臂狀態(tài)下，其曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)變形撓度要大于曲線(xiàn)外側(cè)的變形撓度，二者變形相差接近1 cm。表明平彎鋼箱梁在彎扭效應(yīng)作用下，其在懸臂狀態(tài)下的內(nèi)、外側(cè)變形是不同的，且內(nèi)側(cè)撓度要大于外側(cè)變形撓度。這種變形差異值需在鋼箱梁合龍段以及線(xiàn)形控制、制造過(guò)程中引起重視，否則將導(dǎo)致合龍和線(xiàn)形誤差以及次生應(yīng)力。

3.3 應(yīng)力分析

3.3.1 整體應(yīng)力分析

圖5為最大懸臂狀態(tài)下鋼箱梁的第一主應(yīng)力云圖。圖5表明：在最大懸臂狀態(tài)下，鋼箱梁在墩頂兩邊各L/2(L=39 m)內(nèi)，其頂板、懸臂板和腹板上緣出現(xiàn)了較大的主拉應(yīng)力，該主拉應(yīng)力區(qū)間為[18.3，41.2] MPa，其最大主拉應(yīng)力值41.2 MPa位于曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)L/4附近的頂板。

圖4 鋼箱梁頂板曲線(xiàn)內(nèi)外側(cè)撓度變化圖

圖5 (39+39) m鋼箱梁第一主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

以曲線(xiàn)外側(cè)為正向，選取橫橋向距離主梁軸線(xiàn)1.5、3.0、4.5 m以及軸線(xiàn)處的7組頂板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，圖6為這7組頂板節(jié)點(diǎn)主拉應(yīng)力沿橋梁縱向的變化關(guān)系。圖6表明：主拉應(yīng)力的最大值并沒(méi)有出現(xiàn)在墩頂位置，而是在距墩頂12 m附近出現(xiàn)，這與變截面、變厚度、臨時(shí)約束以及橫隔板的分布等有關(guān)。同時(shí)圖6還反映出距墩頂一定距離內(nèi)(約L/4)，頂板都有較大主拉應(yīng)力，該區(qū)域內(nèi)墩頂處頂板主拉應(yīng)力最大，而在L/4外的位置主拉應(yīng)力則隨距離的增大而減小。表明變截面懸臂鋼箱在施工過(guò)程中最大懸臂狀態(tài)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)不能只關(guān)注墩頂位置。

圖7為最大懸臂狀態(tài)下鋼箱梁的壓應(yīng)力云圖。圖7表明：鋼箱梁在最大懸臂狀態(tài)下，出現(xiàn)較大主壓應(yīng)力的位置是：在墩頂兩邊各L/2內(nèi)的底板和腹板下緣，該主壓應(yīng)力區(qū)間為[-38.1，-85.7] MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在墩頂附近。

圖6 頂板縱橋向主拉應(yīng)力變化圖

圖7 (39+39) m鋼箱梁第三主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖8為底板主壓應(yīng)力沿橋梁縱向的變化關(guān)系。其5組節(jié)點(diǎn)分別為距主梁軸線(xiàn)1.50 m、軸線(xiàn)處以及曲線(xiàn)內(nèi)外兩側(cè)的5組節(jié)點(diǎn)。圖8表明：底板主壓應(yīng)力的峰值同樣出現(xiàn)在z軸12 m附近，其他與主拉應(yīng)力變化趨勢(shì)類(lèi)似。所不同的是，x=1.5 m以及曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)的底板因在墩頂位于支座固結(jié)區(qū)域而壓應(yīng)力驟減至0，存在突變。

圖8 底板縱橋向主壓應(yīng)力變化圖

3.3.2 截面應(yīng)力分析

圖9、10分別為墩頂附近橫截面(z=0.5 m)的主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力云圖。圖9表明：對(duì)于墩頂橫截面，其主拉應(yīng)力在頂板位置最大，而在底板處最??；圖10則表明：主壓應(yīng)力在頂板處最小，而在底板處最大，且隨橫截面高度變化規(guī)律明顯，其中底板壓應(yīng)力為0的區(qū)域?yàn)橹ё探Y(jié)區(qū)域。

圖9 墩頂橫截面主拉應(yīng)力云圖(單位：Pa)

圖10 墩頂橫截面主壓應(yīng)力云圖(單位：Pa)

表1為鋼箱梁最大懸臂狀態(tài)下各個(gè)關(guān)鍵橫截面主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力峰值的分布情況。

圖11為不同截面處頂板主拉應(yīng)力隨橫橋向的變化規(guī)律。圖11表明：鋼箱梁在曲線(xiàn)內(nèi)外兩側(cè)頂板懸臂部分與腹板交接處(x=3.25 m)、頂板與中腹板交接處(x=0)均存在橫橋向主拉應(yīng)力突變，其余位置頂板主拉應(yīng)力變化相差不大。

圖12為不同截面處內(nèi)側(cè)腹板應(yīng)力隨高度的變化關(guān)系，正值表示主拉應(yīng)力，負(fù)值表示主壓應(yīng)力。圖12表明：懸臂端截面腹板的應(yīng)力接近0，其他截面腹板的應(yīng)力向上、下兩端逐漸增大，在與頂板相接處達(dá)到拉應(yīng)力最大值，與底板相接處達(dá)到壓應(yīng)力最大值。

3.3.3 曲率變化對(duì)偏心、撓度以及應(yīng)力的影響

為了研究曲率變化對(duì)轉(zhuǎn)體施工的影響，依次討論曲線(xiàn)半徑為50、60、70、75、80、150、200、300、600、800和1 000 m的11組其他尺寸相同的鋼箱梁，得到了橫向偏心以及最大下?lián)现档淖兓?guī)律，如圖13所示。圖14為鋼箱梁最大主拉應(yīng)力和最大主壓應(yīng)力隨曲率的變化規(guī)律。

表1 鋼箱梁最大懸臂狀態(tài)下關(guān)鍵橫截面應(yīng)力分布

圖11 頂板橫橋向主拉應(yīng)力變化圖

圖12 腹板應(yīng)力隨高度的變化圖

圖13 橫向偏心以及最大撓度隨曲率變化圖

圖14 鋼箱梁最大主拉、壓應(yīng)力隨曲率變化圖

圖13、14表明：當(dāng)曲線(xiàn)半徑超過(guò)800 m時(shí)，彎橋會(huì)逐漸趨于直橋，此時(shí)曲率的影響可以忽略，而當(dāng)曲線(xiàn)半徑小于300 m時(shí)，曲線(xiàn)半徑越小，鋼箱梁的橫向偏心、變形以及應(yīng)力就越大，曲率對(duì)轉(zhuǎn)體施工影響也就越大，尤其當(dāng)曲線(xiàn)半徑小于70 m時(shí)，橫向偏心會(huì)大于1/2底板寬3.25 m，此時(shí)很難設(shè)置較大的預(yù)偏心，只能通過(guò)橫向配重來(lái)保證轉(zhuǎn)體施工平衡。因此，合理的曲線(xiàn)半徑和底板寬是十分必要的。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)深中通道深圳側(cè)接線(xiàn)H匝道橋第5聯(lián)鋼箱梁在最大懸臂狀態(tài)下的受力和變形進(jìn)行有限元分析，得到如下結(jié)論：

(1) 平彎鋼箱梁在曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)存在較大的橫向偏心，可采用設(shè)計(jì)預(yù)偏心的方法進(jìn)行糾偏。

(2) 平彎鋼箱梁在彎扭耦合效應(yīng)作用下，在最大懸臂狀態(tài)下內(nèi)、外側(cè)撓度變形是不同的，這種變形差異值需在鋼箱梁合龍段以及線(xiàn)形控制和制造過(guò)程中引起重視。

(3) 鋼箱梁最大懸臂狀態(tài)應(yīng)力分布合理，但在縱橋向距中心1.5 m處的曲線(xiàn)內(nèi)側(cè)腹板下緣出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力，應(yīng)考慮增大墩頂附近腹板剛度。

(4) 應(yīng)力分布規(guī)律研究表明：鋼箱梁彎扭耦合效應(yīng)明顯，最大應(yīng)力不只存在于墩頂位置，為保證轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中的安全，應(yīng)重點(diǎn)在墩頂兩邊各L/4內(nèi)，監(jiān)控頂板和底板，橫截面重點(diǎn)監(jiān)控各個(gè)腹板的上下緣與頂、底板的交接處。

(5) 鋼箱梁曲線(xiàn)半徑超過(guò)800 m時(shí)，曲率的影響可以忽略，當(dāng)曲線(xiàn)半徑小于300 m時(shí)，曲線(xiàn)半徑越小，橫向偏心、變形及應(yīng)力越大，轉(zhuǎn)體施工挑戰(zhàn)越大。曲線(xiàn)鋼箱梁轉(zhuǎn)體施工設(shè)計(jì)底板尺寸時(shí)應(yīng)考慮橫橋向偏心的影響。