超宽超重T构转体桥梁体应力和线形变化研究

2019-06-26张辉

铁道建筑技术 2019年1期

张辉

（中铁二十一局集团路桥工程有限公司陕西西安 710065）

1 前言

桥梁转体施工是指桥梁结构在非设计轴线上进行浇筑或拼装，利用摩擦系数很小的球铰、滑道及转盘结构将成形后的桥梁结构转动至设计轴线位置的施工方法。随着转体桥技术的进步和日趋成熟，转体桥施工工艺技术的优越性日益凸显，转体桥的重量和宽度也随之增加［1-3］。由于近几年来经济建设的快速发展和城市规模的急剧扩张，使得跨越既有构筑物（如铁路、公路等）的立交桥梁急剧增多，采用转体桥施工工艺将大大减小对铁路安全运营的影响，且安全可靠、施工方便、造价较低、受力状态明确［4-5］。张勇通过大体积混凝土承台水化热分析，提出管冷进行降温并进一步提出改善措施［6］。张天雷［7］通过分析曲线桥梁墩底转体风险并提出控制措施；郭英［8］通过采用质量控制确保平面转体结构成功转体。

包存文［9］通过得到准确预拱度的数据，为在混凝土浇筑前模板位置的固定起到指导作用，从而保证梁体线形符合施工要求。同时，不能孤立单个施工阶段，前一个施工阶段为后一个施工阶段作参考，后一个阶段为前一个阶段起到反馈作用［10］。王刚［11］通过Midas FEA分别建立空间模型和转体系统空间模型，着重分析0#块局部应力分布情况；车晓军［12］等研究转体过程中为不发生倾覆，对球铰接触面上的压应力分布形态进行评估。

转体结构在施工过程中由于各种因素的影响可能会产生挠曲变形，使桥梁结构在施工过程中的实际位置与设计要求位置不符，从而导致桥梁不能顺利、安全、平稳转体合龙。因此，本文着重分析超宽超重T构梁桥的应力和线形。

2 工程背景

本项目为西安市西咸新区正阳大道秦汉新城段与北环线、咸铜铁路立交桥工程。咸铜铁路立交桥以（65+65）m连续梁（转体）正交跨越北环线、咸铜铁路，连接正阳大道滨河路立交终点和泾河新城。梁体采用变高度变截面单箱五室斜腹板箱形截面。所有基础均采用桩基础，主梁在平行铁路南侧采用支架现浇施工，其中转体段梁长60+60 m，转体角度75.5℃，转体重量达约2 0000 t，宽36.5 m。

3 施工监控及模型

施工监控主要为变形监测和应力监测，尤其是转体前、转体过程中和转体后的线形和应力监测。监控各施工工序关键部位的应力应变，保障转体施工中结构的安全。同时，更好地协助和指导施工人员，做好高程和轴线控制，使结构的标高及平面位置达到设计要求。

3．1 梁体现场监控布置

（1）主梁线形监控

主梁线形主要通过布设高程点来控制主梁横桥向和纵桥向的标高在允许误差范围内。标高观测是控制成桥线形最主要的依据，成桥后桥面线形几乎无法调整，因此必须在桥面施工前确定主梁的位置和标高，在随后的桥面施工后能够达到设计线形和标高。在梁顶布置高程观测点，线形监控采用的是水准仪和塔尺观测，监测点如图1所示。

（2）主梁应力监控

应力监控是施工监控中的主要部分。通过应力监测，可以掌握主梁结构的受力状况，及时判定应力是否超限，从而可知道结构的安全状况。在支架施工1#、2#、3#、4#、5#块分别埋设应力传感器，应力监测使用的是混凝土内埋设弦式应变计和 JMZX—3001综合测试仪。监测点布置如图2所示。

图1 线形测点布置

3．2 建立全桥有限元模型

采用有限元软件Madis／civil建立全桥模型，对整个施工过程进行仿真模拟。通过有限元模型的建立和分析得到主梁张拉、支架拆除及合龙段施工等关键施工阶段的主梁线形和应力值。

该桥有限元模型共分成73个节点，71个单元，单元类型为梁单元，全桥模型如图3所示。

图3 有限元模型桥

4 结果分析

4．1 挠度及应力计算结果分析

支架拆除及成桥后的挠度及应力云图见图4～图7。

图4 梁体支架拆除挠度变形

图5 梁体成桥后挠度变形

图6 梁体支架拆除应力变形

图7 梁体成桥后应力变形

从图4和图6可知，支架拆除完成后，梁体两端处于悬臂阶段，整个梁仅承受自重作用。0#块在模型中处于固结点，位移最小，随着悬臂段距离的增大，位移变化逐渐增大，悬挑端部位移最大，变化数值26.70 mm。仅对梁体而言，靠近0#块应力最大，最大应力为拉应力，大小为15.69 MPa；应力最小位置在4#块附近，最小应力为压应力，大小为-2.21 MPa。整体上来看，支架拆除后，对梁体而言，位移变化值从中间向两端逐渐增大，应力变化值则与位移相反。

从图5和图7可知，梁体转体完成后，仅受自重作用，0#和5#块在模型中处于固结点，位移变化小，基本接近于0；2#和4#块逐渐增大，位移变化值为负值，表明位移下降，最大下降值为11.06 mm；3#墩处位移最大，变化数值也为负值，最大下降值为24.33 mm。应力变化由0#块的拉应力逐渐变大，紧接着1#、2#块的应力从拉应力逐渐转变成压应力，压应力随着施工顺序的变化逐渐增大。

为了保证在实际施工过程中梁体与设计线形相接近，通过有限元分析可知，拆除支架后梁体应提高27 mm左右，从而使得施工结束后整个梁体的线形接近设计线形。

4．2 有限元分析值与实测值对比分析

（1）平均值作为指标值

在各参数不变的情况下对其中一个指标进行了n次试验，得到n个测量值，分别记为x1、x2、x3…xn，若用某一指标x0作为指标值，其方差公式为：

分析可知，De是x0的非负二次函数，故其最小值也是极小值，根据式2可求得极小值点。

于是得到：

这说明x0＝x时误差的方差最小，也就是说平均值与所测量的n组数据之间的方差最小。因此，将平均值作为指标值［13］。

（2）结果分析

本文着重对成桥后主梁线形和应力变化进行分析。桥梁在施工过程中结构体系随着施工和阶段的不同而不同，而结构的实际变化值和分析值、设计值都存在差异。

通过对现场采集的线形和应力监控数据，并将监测数据与分析值进行对比分析。现场线形监控数据①～⑦共7个点取平均值；应力监测数据顶板①～④共4个点取平均值，底板⑤～⑥共2个点取平均值。

①位移结果分析

从图8可知，转体完成后，实际线形与设计线形存在一定的偏差，但是差值均在10 mm以内，满足设计要求，同时也满足《公路桥梁施工技术规范》要求。但是，设计值与实测值的差值中，只有距离0#块40 m附近，有2个测点在设计要求范围之外，原因为该点不易进行应力的测量导致读数存在误差。合龙完成后，0#块和5#块的设计值、有限元分析值和实测值的位移差值均为0，而其它位置的位移差值相对较大。总体来讲，有限元分析值与实测值相差不大，且均与设计值大致相同，误差也在合理范围之内。

图8 挠度设计值与分析值、实测值的差值

②应力结果分析（见表1～表2）

表1 顶板应力值 MPa

表2 底板应力值 MPa

从表1、表2可知，梁体顶板和底板的应力值均在设计范围值之内。同时，设计值与实测值的相对误差较小。顶板和底板应力随着浇筑和张拉顺序变化的趋势由拉应力转化成压应力。顶板处浇筑张拉4#并拆除支架完成后，此时应力最大，变化数值是负值（压应力），顶板最大应力值为16.70 MPa；底板拆除支架处应力最大，底板最大压应力为6.897 MPa。整体来讲，张拉后的应力值大于浇筑前的应力值，支架拆除完成后的应力值为压应力，其数值大小为最大值。