跨铁路V型刚构桥转体施工仿真分析研究

翁雪微

[摘要]为研究某跨铁路（70 m+70 m）V型刚构桥在施工过程中结构的受力、变形及稳定性，建立了三维有限元模型分析了结构的受力、变形及稳定性变化规律。结果表明：在施工过程中，结构在0#块中部的应力达到最大值-11.4 MPa；与施工阶段相比，收缩徐变对结构的受力影响较大，考虑10年收缩徐变的影响后，V型墩底部的应力增大幅度超过100%；转体施工阶段下主梁竖向挠度最大达到-68.3 mm，位于4#块端部；结构在自重作用下的一阶失稳形式为主梁纵向倾覆失稳，一阶稳定系数为38.814，考虑横风的影响后，结构的一阶稳定系数减小0.002，风荷载对结构在转体施工过程中稳定性的影响可以忽略。各工况下结构的一阶稳定系数均大于4，满足规范要求。

[关键词]转体施工； 刚构桥； 有限元； 稳定系数； 失稳形式

[中国分类号]U445.465                            [文献标志码]A

0引言

近年来，我国交通运输行业发展迅猛，新建线路跨越既有铁路的情形层出不穷［1-3］。桥梁转体施工因不仅能够最大程度上减小对既有交通线路运营的影响，同时也能够凭借墩身的球铰来完成跨越既有线路的建设任务而颇受设计者们的青睐［4-5］。桥梁在转体施工过程中，受自身重量、温度、风速、转体速度等多种因素的影响而可能会出现结构应力超限、结构失稳等问题［6-7］。李卫东等［8］运用有限元软件ANSYS研究了不同转体速度、转体加速度对混合梁斜拉桥主梁受力特性的影响规律，结果表明：匀速转动时，主梁应力满足规范要求；加速或减速转动时索梁锚固区应力变化量较大。王强［9］对跨铁路高速公路立交桥转体施工平衡配重方案进行了探讨，桥梁转体施工具有精度要求高、操作过程复杂以及技术难度大等特点。文望青等［10］对某双幅预应力混凝土矮塔斜拉桥转体施工过程中进行验算，结果表明：在转体施工过程中，主梁全截面受压，最大、最小压应力分别为14.00 MPa、0.09 MPa，满足规范要求。

目前，采用转体施工跨越既有铁路线路的桥梁众多，转体重量也在日渐增大，转体施工过程中结构受力复杂。某跨铁路立交桥采用（70+70）m V型刚构桥，转体重量达15 800 t，为研究其在施工过程中结构的受力、变形以及稳定性，采用有限元软件Midas/civil建立三维有限元模型，分析典型施工阶段下结构受力、变形特性及稳定性。

1工程概况

某跨铁路V型刚构桥为设计时速120 km/h的预应力混凝土箱梁立交桥，其跨径布置为（70+70）m，主桥立面图如图1所示。大桥设计荷载为公路-I级×1.3，采用转体施工，转体重量为：15 800 t，转体长度为（65+65）m，道路设计线与既有铁路交角为86.2°。主梁采用单箱四室截面，整幅桥宽33.7 m，主梁标注横断面如图2所示。

道路设计线与既有客专铁路线交角为86.0°。大桥转体墩（2号墩）采用“V”字型墩，V型墩为变截面箱形实体墩。V形墩斜腿为钢筋混凝土实体式结构，斜腿轴线交角约80°，上下固结，桥墩墩高10.0 m。小里程斜腿长约为14.23 m，横桥向为倒梯形截面，宽度由墩顶21.025 m渐变至墩底部10.514 m，斜腿顺桥向厚2.0 m；大里程斜腿长约为14.26 m，横桥向为倒梯形截面，宽度由墩顶21.025 m渐变至墩底部10.482 m，斜腿顺桥向厚2.0 m。

大桥桩基础采用C30水下混凝土，转体墩转体系统、转体墩及转体承台均采用C50混凝土，横隔梁、湿接缝、封锚、主梁、均采用C55混凝土。预应力钢绞线采用抗拉强度标准值1 860 MPa、公称直径15.2 m的低松弛高强度钢绞线。桥梁支座采用盆式橡胶支座。

2有限元模型

為分析大吨位跨铁路V型刚构桥在转体施工过程中结构受力情况及其稳定性，采用有限元软件Midas/civil建立大桥三维有限元模型并开展计算分析。有限元模型中，转体承台、墩身及主梁均采用梁单元模拟，模型共计包含125个节点，61个梁单元。承台和墩身采用弹性模量为3.45×104 N/mm2、容重为25 kN/m3的C50混凝土，主梁采用弹性模量为3.55×104 N/mm2、容重为25 kN/m3的C55混凝土。

有限元模型中未建立桩基础以及边界墩，边界墩通过约束其上部的主梁单元节点平动及扭转自由度来模拟，V型墩桩基础通过约束承台底部节点全部自由度来模拟，V型墩身与主梁之间通过刚臂连接。在转体施工前，主梁采用满堂支架法现浇施工，通过仅受压类型的弹性连接来模拟转体施工前的满堂支架。有限元模型共计包含桥墩施工、1～4#块、拆除满堂支架、转体施工、现浇5#块、桥面铺装及伸缩缝、其他附属工程、以及收缩徐变12个施工阶段。所建立的有限元模型如图3所示。

3转体施工分析

3.1结构受力性能分析

跨铁路V型刚构桥转体重量达到15 800 t，转体重量大，在施工过程中结构受力值得关注。施工过程中，典型施工阶段下结构应力如图4～图7所示。由图4～图7可以看出，由于结构内部布设有大量的预应力钢绞线，使得结构在施工过程中均处于受压状态。其中V型墩顶部的0#块受力相对较大，在转体施工阶段下最大应力达到-11.4 MPa，最大应力位于0#块的中部，远小于C55混凝土的极限抗压强度。当考虑10年收缩徐变的影响后，V型墩底部的应力明显增大，达到-23.6 MPa，与施工过程中的应力相比增大超过100%，可见收缩徐变对混凝土V型墩的应力影响显著，在后期桥梁的维护中应重点关注墩底的应力情况。

3.2主梁线形变化分析

大吨位刚构桥在转体施工过程中对主梁线形同样有着严格的要求，转体过程中应严格控制主梁线形，避免因主梁变形过大而导致桥梁失稳垮塌。施工过程中典型施工阶段下主梁线形变化见表1。由表1可以看出，在整个施工过程中主梁横向变形几乎为0，最大变化值为0.1 mm，而竖向变形在4#块浇筑之前竖向挠度均为正值（向上），而在转体施工阶段竖向挠度由11.4 mm骤变至-68.3 mm（向下），这是由于在转体施工时将施工支架拆除，主梁因自身重量造成的。在成桥阶段下主梁竖向挠度达到最大值-71.7 mm，整个施工过程中主梁竖向变形较小，满足规范要求。

3.3结构稳定性分析

大吨位V型刚构桥在转体施工过程中受多因素的影响而存在失稳的可能性。当考虑结构自重以及风荷载时，桥梁在转体施工阶段下的前5阶稳定系数见表2。由表2可以看出，仅在结构自重作用下其一阶稳定系数为38.814，二阶至五阶的稳定系数均在190以上。当考虑横桥向风荷载的影响后，结构的一阶稳定系数减小0.002，考虑纵桥向风荷载后结构的一阶稳定系数没有变化，表明风荷载对桥梁转体施工时稳定性的影响较小，在转体施工过程中可以不考虑风荷载。

桥梁在转体施工阶段下其前5阶失稳形式如图8所示。由图8可以看出，在结构自重作用下，结构一阶失稳形式为主梁纵向倾覆失稳，二阶和四阶失稳形式为主梁整体横向失稳，三阶和五阶失稳形式為V型墩横向局部失稳。结合表2中稳定系数可知，结构在自重作用下转体施工，结构的一阶稳定系数达到38.814，远大于规范要求的4，表明结构具有足够的安全系数，施工过程中不会发生失稳。

4结束语

本文运用有限元软件Midas/civil建立某大吨位（15 800 t）跨铁路V型钢构桥有限元模型，重点分析了大桥在转体施工过程中结构的受力、变形以及稳定性。计算结果表明，该桥在施工过程中受力情况良好，主梁最大压应力-11.4 MPa，远小于材料的极限抗压强度；主梁变形及在施工过程中的稳定系数均满足规范要求。本桥采用的大吨位V型刚构桥的转体施工方法可以为后续同类桥型提供参考。

参考文献

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［4］张金华.上跨既有铁路大吨位桥梁转体施工技术［J］.黑龙江交通科技，2021， 44（8）：133-134.

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［7］姜浩.T构桥转体牵引力及转体过程结构行为研究［D］.重庆： 重庆交通大学，2020.

［8］李卫东，戴灿磊.大吨位混合梁转体斜拉桥主梁受力特性分析［J］.世界桥梁，2022，50（5）：101-108.

［9］王强.高速公路跨铁路立交桥连续梁转体施工不平衡称重分析［J］.交通世界，2022（20）：156-158.

［10］文望青，林骋，王斌，等.双幅同步转体矮塔斜拉桥设计［J］.桥梁建设，2021，51（2）：112-117.