转体桥梁球铰设计

2018-07-05刘涛

水科学与工程技术 2018年3期

刘涛

（中国铁路设计集团有限公司，天津300251）

随着我国基础设施建设的快速发展，出现了很多立交桥梁上跨铁路的情况，城市立交桥匝道经常位于小半径上，由于目前缺乏相关的设计经验和资料，设计时往往尽量调整线型避免这种情况。然而，这种做法不仅会降低平面的线形指标，影响行车舒适性，增加造价，而且易造成安全事故，影响桥梁的美观。

当前转体钢构桥为跨越既有繁忙铁路干线尤其是高速铁路的首选方案，而小半径曲线转体桥梁的设计在国内还是空白。目前急需开展对跨铁路小半径曲线转体桥的受力特点、转体系统和结构构造等方面的研究。现以太原市北中环线工程跨石太客专及石太线立交桥项目为例，针对小半径转体桥的转体系统设计展开研究。

1 工程概况

跨石太客专及石太线立交桥工程是太原市北中环涧河立交桥的一部分，为转体施工T型刚结构，转体墩设在铁路西侧，顺铁路施工刚构桥，梁部采用钢箱梁。转体系统转体结构由下转盘、球铰、上转盘、转动牵引系统组成，转体总重量为W=18000kN。上、下转盘之间设置钢质球铰，分上下两片，在下球面板上镶嵌填充聚四氟乙烯复合夹层滑板，静摩擦因数小于0.05，动摩擦因数小于0.03。

2 转体系统

主桥采用转体法施工，外侧防撞护栏与防护屏施工完成后整幅转体，跨线处一次转体就位，其他部分为支架拼装施工。

2.1 转体系统

转体系统转体结构由转体下盘、球铰、上转盘、转动牵引系统组成。牵引系统设计则应先按转体重量、摩擦系数等计算出转动牵引力大小，确定牵引钢绞线的配置及张拉台座。

2.2 球铰

球铰是实现桥梁转体施工的关键，是转动体系的核心构件。由于本桥位于曲线上，桥梁横向存在扭转的力矩，为了平衡这一力矩，桥梁的结构中心设有1.70m的偏心，确保转体时结构处于一个自平衡的状态。球铰设计竖向承载能力采用1.8万kN。

2.3 撑脚、滑道

2.3.1 撑脚

上盘撑脚即为转体时支撑转体结构平稳的保险腿。从转体时保险腿的受力情况考虑，转台对称的两个保险腿之间的中心线与上盘纵向中心线重合，使8个保险腿对称分布于纵轴线的两侧。

2.3.2 滑道

在撑脚下方（即下盘顶面）设宽0.9m的滑道，滑道半径3.35m，保持转体结构平稳。要求整个滑道面在一个水平面上，其相对高差不大于2mm。滑道及撑脚布置如图1。

图1 滑道及撑脚布置

2.4 转盘

转盘是转体的重要组成部分，转盘由上转盘和下转盘组成［7］。

2.4.1 上转盘

上转盘是转体的重要结构，在整个转体过程中形成一个多向、立体的受力状态。上转盘高2m。转台直径φ7.5m，高度0.8m。

2.4.2 下转盘

下盘为支承转体结构全部重量的基础，转体完成后，与上转盘共同形成基础。下转盘采用C50混凝土。下转盘上设置转动系统的支座、保险撑脚环形滑道及转体拽拉千斤顶反力座等。下转盘钢筋布置如图2。

图2 下转盘钢筋布置

3 转体球铰模型

采用有限元分析软件ANSYS12.0建立转体桥梁球铰部分实际尺寸的有限元模型。整体转体球铰模型如图3。

图3 整体转体球铰模型

建模过程采用SOLID186单元模拟上、下转盘及球铰钢板。根据材料规格，转体球铰模型采用材料参数如表1；主墩柱顶面竖向力N=12935kN，按均匀力施加；不平衡弯矩M=28534kN·m。求解球铰的应力，如图3。

表1 球铰材料参数值

4 工程实例

太原市北中环线工程跨石太客专及石太线立交桥下采用整体模拟分析计算得到上下转盘及球铰节点应力云图如图4。

图4 整体分析球铰应力

计算结果：转体结构上转盘、下转盘主要以受压为主，最大压应力小于22MPa，从应力云图可看出，这是由于网格划分不均匀和接触界面突变导致的应力集中现象。除去个别应力集中节点，下转盘应力分布均匀，符合真实受力情况。根据JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，C50混凝土允许抗压强度22.68MPa，钢材允许强度345MPa（短暂状况局部应力按屈服强度控制），C50混凝土允许抗压强度22.68MPa，钢材允许强度490MPa，由主应力云图看出无论是混凝土应力还是钢板应力值均在规范要求范围内，结构是安全的，本工程球铰设计是合理可靠的。