桥梁转体施工过程中球铰应力研究

李卫平

摘 要：桥梁转体施工技术广泛用于跨越河流、峡谷及既有线路的桥梁施工中，桥梁转体施工关键设备之一是转动球铰，球铰应力的合理性将决定桥梁转体施工的成败以及桥梁整体质量。文章应用大型有限元软件 ANSYS 建立转动球铰计算模型对球铰应力进行模拟计算分析，并结合工程实例对桥梁转体施工过程中球铰应力进行监测，研究结果可为桥梁转体施工提供借鉴。

关键词：桥梁;转体施工;球铰应力;研究分析

中图分类号：U442.55

0 引言

桥梁转体施工是一種高效的新型桥梁施工技术[1-2]，施工中需选取合适的位置进行桥梁的节段浇筑，然后将梁体结构运用转动的方法准确放置在预定位置[3-5]。在桥梁转体施工中最为关键的节点是转动球铰，球铰的制作也是要求最为精细、难度最高的一个环节。转动球铰一般是在工厂加工制作，经过调试上下球铰的接触达到一定精度要求后在现场安装，它的设计、制作和安装是否得当直接关系到桥梁转体施工的成败[6-8]。在桥梁转体施工过程中，球绞的应力状态至关重要，其计算结果对后续结构设计以及其他相关参数的计算会产生较大影响，甚至影响结构的安全稳定[9-10]。

国外对于球绞接触应力的研究较早，Parsons、Tuba[11-12]在理论层面采用位移方法对球绞接触应力进行了分析，依据接触状态假设，求解了球绞接触面应力。国内对于球铰应力的研究起步较晚，现行规范[13]对于竖向力作用下球铰的受力按照平面简化处理，虽然能满足工程应用，却也存在很大误差。本文应用大型有限元软件ANSYS建立转动球铰计算模型对球铰应力进行模拟计算分析，结合工程实例对桥梁转体施工过程中球铰应力进行监测，以期研究结果为现浇梁转体施工提供技术支持和保障。

1 工程简介及转体系统构成

本工程桥梁为连续梁，梁体采用单箱、单室、直腹板、变高度预应力混凝土箱梁结构，箱梁梁长177.5m，顶宽12 m，底宽6 m，中支点梁高4.4 m，边支点及跨中梁高3.8 m。箱梁梁高变化段，梁底曲线采用二次抛物线，梁下部结构采用圆端形桥墩，基础采用钻孔桩。箱梁与营业线路夹角为55°，需顺营业线路挂篮浇筑悬灌段至最大悬臂状态，然后将2主墩逆时针水平旋转55°至原设计位置，再施工合拢段（图1）。

桥梁转体施工是将桥梁整体或分成2个半整体在偏离桥梁设计轴线某个角度的位置进行施工，施工完成后再利用转动系统使其转动到桥梁设计轴线位置[13-14]。桥梁转动系统上、下转盘接触球面采用摩擦系数较小的四氟乙烯滑片，待梁体施工完成后，通过砂箱将梁体重量移至球铰，然后通过称重、配重后，再采用安装在牵引反力座上的2套转体千斤顶张拉牵引索，在力偶作用下，上转盘通过绕轴在下承台上转动，从而实现转体系统的转动[15-16]。

桥梁转动系统主要有承重系统、顶推牵引系统和平衡系统3大部分组成[17]（图2）。

（1）承重系统。承重系统由上、下转盘和转动球铰构成，上转盘支承转体结构，下转盘与桩基础相连，通过上转盘相对于下转盘转动达到转体目的。

（2）顶推牵引系统。顶推牵引系统由牵引设备、牵引反力支座、助推反力支座构成。

（3）平衡系统。平衡系统由自身结构、上转盘8对60cm的钢管混凝土圆形撑脚、大吨位千斤顶及梁顶3号段放置的5 m3的备用水箱构成。

2 有限元模拟分析

2.1 有限元模型

采用大型有限元软件ANSYS对转动球铰应力进行模拟计算分析。用实体单元Soild95模拟混凝土，上球铰和下球铰的接触面采用conta174和targe170来模拟。转动球铰节点主要采用实体单元，实体单元网格划分较为繁琐，为了能准确模拟上下球铰间的接触状况，转盘部分采用六面体单元，并在接触部分加密网格划分。下球铰为目标面，采用targe170单元，上球铰为接触面，采用conta174单元模拟，targe170单元和conta174单元通过设置面-面接触模拟上、下球铰之间的接触[18]。为了能使接触模拟分析得到较好的收敛，接触部分钢板与其上部核心混凝土采用六面体单元，其余混凝土部分采用四面体单元，自由网格划分。考虑到中间接触部分为直接受力构件且受力较为集中，此处网格划分应该较为细密，外围混凝土网格则较为稀疏，这样有利于提高计算精度和缩短计算时间。为模拟上下球铰的接触作用，设置接触单元参数，使得ANSYS自动调整接触面间的偏差值，消除初始渗透和初始缝隙。在计算中，ANSYS自动预测接触行为，从而确定合理的荷载增量，在每一荷载子步更新接触刚度。转体系统球铰有限元计算模型如图3所示。

2.2 计算结果分析

模拟计算结果表明，1号墩墩顶支座所受恒载支反力为42684kN，2号墩墩顶支座所受恒载支反力为42673kN，说明2个主墩结构相同且受力大小基本相等。为此，以下仅给出桥梁1号墩球铰应力计算结果。

（1）桥梁1号墩转体20°及转体55°的球铰应力云图见图4、图5，由图4、图5可以看出，1号墩球铰在转动状态下应力分布较为均匀，未出现明显应力不均或者应力集中点，各计算点应力均处于安全范围内。1号墩转体至20°时横向应力最大值为-5.91MPa，纵向应力最大值为-21.93MPa，竖向应力最大值为-5.999MPa，第1主应力最大值为-4.09MPa，第3主应力最大值为22.36MPa;1号墩转体至55°时横向应力最大值为-5.844MPa，纵向应力最大值为-21.761MPa，竖向应力最大值为-6.07MPa，第1主应力最大值为-4.047MPa，第3主应力最大值为-22.672MPa。

（2）表1给出1号墩转动前、转体过程中转动至不同角度时，5个计算点位置的球铰竖向应力，从表1可以看出，桥梁转体过程中球铰竖向应力最大值发生在转动20°时，其值为-6.25 MPa。

3 球铰应力监测

桥梁转体施工过程中球铰是最为关键的部位，受力非常复杂，为确保其在施工过程中的受力合理以及转动施工的顺利进行，需要对球铰应力进行实时监测，确保施工过程中结构的可靠性和安全性。只有保证球铰应力在安全控制范围内，才能保证桥梁受力状态符合设计要求。因此，需对计算点处的竖向应力进行实时监测，并将监测结果与计算模拟值进行对比，分析在某一时刻的应力值是否一致。

3.1 球铰应力影响因素

影响球铰应力的因素主要有混凝土的收缩徐變、温度影响[19-20]。

（1）混凝土收缩徐变。由于收缩徐变的影响，使得应力计的非受力应变增加，使得测试结果与理论结果相比相差太大，所以要得到实际应力，须将混凝土的受力应变从总应变中分离出来，即应扣除收缩徐变对测试结果的影响。

（2）温度影响。混凝土的温度变化与大气温度变化密切相关，由于大气温度的影响，传感器钢弦的应变和自振频率均将发生变化。所以为了消除温度对测量值的影响，读取数据应在早晨太阳辐射较小时完成。

3.2 测点布设

在下转盘对应计算点布置应力监测点，以监测施工过程中监测点处应力变化及应力分布情况，并与模拟计算值进行比较，根据球铰应力分布推算两端悬臂重量不平衡状况，对整个转体体系旋转前后的两端平衡控制与调整起到指导作用。

结合球铰应力模拟计算分析结果，取1号墩下转盘为监测对象，对1号桥墩球铰下转盘底部四周和正中心对应布置的5个应力监测点进行监测。应力监测采用振弦式应变计，应变计布置在非扩大截面的普通钢筋上，通过监测点数据反映监测断面横向的分布应力。5个应力监测点布置如图6所示。

3.3 监测结果分析

表2给出了1号墩球铰在转动状态下的应力监测结果，由表2可见，转体前球铰最大应力为-4.93MPa，转体过程中球铰最大应力为-5.05MPa，发生在转体20°时的4号测点。

4 计算与监测结果对比分析

表3给出了1号墩球铰竖向应力模拟计算值与监测值差值对比结果，由表3可知，1号墩在转体状态球铰应力监测值与模拟计算值相差不大，差值位于0.83～1.52MPa之间，表明球铰竖向应力监测值变化趋势与模拟计算值基本一致。

5 结论

（1）采用ANSYS有限元软件对桥梁转体施工中球铰应力分布及应力变化进行模拟计算与监测分析，确保了桥梁转体施工的安全，对整个转体体系旋转前后的两端平衡控制与调整起到指导作用。

（2）由1号墩球铰在转动状态下应力云图可知，整个转动过程中未出现明显应力不均或者应力集中点，测点应力均处于安全范围内。

（3）1号墩在转动状态下球铰竖向应力监测值与计算值基本一致，差值位于0.83～1.52MPa 区间，表明在整个转体施工过程中球铰受力合理满足要求。

参考文献

[1]张联燕. 桥梁转体施工[M]. 北京：人民交通出版社，2003.

[2]程飞，张琪峰，王景全. 我国桥梁转体施工技术的发展现状与前景[J]. 铁道标准设计，2011（6）.

[3]李东锋. 连续梁转体施工系统设计[J]. 兰州交通大学学报，2014，33（33）.

[4]程琳，张堃. 桥梁转体施工方法的应用与关键技术[J]. 交通世界，2018，25（9）.

[5]项海帆，姚玲森.高等桥梁结构理论[M].北京：人民交通出版社，2000.

[6]赵勇为.转体施工中连续刚构梁桥力学特性分析[D].甘肃兰州：兰州交通大学，2013.

[7]陈宝春，孙潮，陈友杰.桥梁转体施工方法在我国的应用和发展[J].公路交通科技，2001，18（2）.

[8]钱桂枫.沪杭高铁超大吨位转体施工拱桥建造技术[M].北京：中国铁道出版社，2012.

[9]何俊.大跨度连续梁桥转体施工力学特性分析[D].甘肃兰州：兰州交通大学，2012.

[10] JTG/TF 50-2011公路桥涵施工技术规范[S]. 2011.

[11] 张子杰，张项忠. T型刚构大型悬臂箱梁转体桥转体过程精度控制问题[J].施工技术，2012（23）.

[12] 耿会勇.转体桥梁磨心施工及转动体系摩擦系数测定[J]. 施工技术，2012（2）.

[13] JTJ 041-2000 公路桥涵施工技术规范[S]. 2000.

[14] 朱红伟.转体桥称重试验技术研究[J].天津建设科技报，2010（6）.

[15] 张解放.T 型刚构桥转体施工技术[J].石家庄铁道学院学报，2006，19（4）.

[16] 徐升桥，任为东，李艳明，等.丫髻沙大桥主桥施工关键技术研究[J].铁道标准设计，2001（6）.

[17] 魏峰，陈强，马林.北京市五环路斜拉桥转动体不平衡称重试验分析[J].铁道建筑，2005（4）.

[18] 秦忠强.绥芬河大跨度斜拉桥水平转体施工技术研究[D].天津：天津大学，2006.

[19] 刘建. 平转法施工球铰受力分析及不平衡力矩预估[D]. 山东济南：山东大学，2019.

[20] 余常俊.铁路立交桥转体法施工安全技术研究[J].铁道建筑，2010（7）.

[21] 周广伟，黄龙华.桥梁转体施工技术[J].华东公路，2007（6）.

收稿日期 2019-11-26

责任编辑 朱开明