墩柱钢筋失稳对转动支座完好性影响分析

2018-04-23车晓军郭子会张小龙

交通科技 2018年2期

车晓军郭子会张小龙

(1.武汉理工大学交通学院武汉 430063； 2.内蒙古伊泰准东铁路有限责任公司鄂尔多斯 010300； 3.内蒙古公路交通投资发展有限公司乌海分公司乌海 016000)

某跨铁路转体斜拉桥跨径为2×70 m，双向6车道，桥梁总宽29.0 m。转动支座额定承载能力为16×104kN，转体支座平面直径为3.5 m。转体支座上、下球摆均为ZG270-500铸造而成的整体，上球摆底面具有凸球面，上球摆底面中心设有销孔，下球摆顶面具有与上球摆的凸球面相配合的凹球面，下球摆面中心设置有与销孔相配合的销轴，销孔侧壁与销轴侧壁形成具有夹角的间隙，转动系统构造见图1。

图1 转动系统构造示意图

由于转体桥梁吨位大，墩柱高，预埋钢筋数量多，施工中容易出现钢筋失稳现象，影响转动支座的完好性，甚至会影响后续转体安全，为此，开展墩柱钢筋失稳对转动支座受力和变形影响分析的研究，具有十分重要的意义。

1 墩柱钢筋失稳荷载计算

1.1 失稳形式

由图1可知，墩柱钢筋在施工过程中，由于水平向缺少支撑或联结偏弱，容易出现沿纵桥方向的失稳。

钢筋失稳会对上承台产生较大的冲击，同时将荷载传递给下部的转动关键受力部件——转动支座，使其完好性和受力性能受到影响。

1.2 墩柱钢筋数量计算

根据设计图纸,墩柱钢筋具体类型及数量见表1。

表1 钢筋数量一览表

1.3 墩柱失稳等效荷载计算

1) 墩柱钢筋失稳沿纵桥大里程方向，等效荷载计算示意见图2。

2) 通过换算关系可得图2中各参数数值如下：①钢筋失稳内侧(纵向大里程方向)钢筋等效力G1中心作用力臂L1=362.5 cm；②钢筋失稳外侧(纵向小里程方向)钢筋等效力G2中心作用力臂L2=587.5 cm；③等效荷载最大力臂La=475 cm；④等效荷载合理力臂Lb=350 cm；⑤等效荷载最小力臂Lc=225 cm。

图2 等效荷载计算示意图(单位：cm)

3) 等效荷载计算方法。

①G1与G2的分类计算。将钢筋失稳时的荷载按横桥向轴线两侧分为G1和G22个集中荷载，取钢筋骨架半幅中心位置，与轴线距离为112.5 cm。

钢筋荷载计算取值范围：钢筋骨架高度等效于G1，G2中心作用力臂长度，经计算，G1的钢筋重量为75 170 kN,G2的钢筋重量为121 010 kN。

②不同力臂下的等效加载重量。设G为等效荷载加载位置，考虑Ga，Gb，Gc3种加载位置情况，根据力矩平衡原理计算，由G·L=G1·L1+G2·L2。

分别计算，得

Ga=(G1·L1+G2·L2)/La=207.04 kN

Gb=(G1·L1+G2·L2)/Lb=280.98 kN

Gc=(G1·L1+G2·L2)/Lc=437.08 kN

③考虑钢筋倒塌时冲击影响，计算等效荷载见表2。

表2 考虑冲击影响的计算荷载

2 转动支座有限元仿真

2.1 建模过程

1) 材料特性选取。转动支座由上转盘、销轴和下转盘组成，受力性能属于典型的接触分析[1-3]，模型中C50混凝土采用Concrete Damage Plasticity模型模拟，输入其应力-应变曲线、弹性模量、泊松比、破坏因子、断裂准则。

转动支座材料，Q235和Q345钢材采用Ductile metal 模型模拟，输入其应力-应变曲线、弹性模量、泊松比、延性破坏准则、剪切破坏准则，混凝土和钢材应力-应变曲线见图5、图6，图7为钢材应力软化曲线及损伤因子确定曲线。

图4 钢材应力-应变曲线

图5 钢材应力软化曲线及损伤因子确定曲线

2) 接触分析模拟。有限元模拟分析的关键在于摩擦接触的分析[4]。建立如图6所示模型，主要包括：上承台(灰色混凝土)、连接凸起(混凝土)、上钢转盘、下钢转盘、垫板(钢材)、垫石(混凝土)、下承台(混凝土)，图7为转动支座的细节图。各部分构造若浇筑在一起，用“tie”模拟，如上承台与连接凸起间的连接；若材料不同的构造连接在一起，则用“surface to surface”模拟[5-6]，如钢转盘与混凝土之间的接触；上、下钢转盘间铺有聚四氟乙烯板，起减小转动摩擦阻力的作用，上、下钢转盘间的摩擦系数实际较小，也可发生相对位移，因此用“surface to surface”模拟，静摩擦系数为0.1。

模型选择实体单元C3D8R，整体单元尺寸为0.25 m×0.25 m×0.25 m，接触部分、转动支座细部采用加密单元，最小细分到0.01 m×0.01 m×0.01 m。模型计算分为2步：第一步，计算结构自重，第二步，计算偏载。