邹城市上跨京沪铁路转体斜拉桥桥塔下塔柱选型研究.pdf

文章编号：１００９４５３９（２０１７）０１００６２０４·桥梁工程·收稿日期：２０１６１１０９基金项目：中国铁道建筑总公司科技研究开发计划项目（１０５７Ｃ文）作者简介：王文俊（１９８５－），工程师，主要从事桥梁设计工作。邹城市上跨京沪铁路转体斜拉桥桥塔下塔柱选型研究王文俊（中铁第五勘察设计院集团有限公司北京１０２６００）摘要：基于受力和施工控制方面的原因，转体斜拉桥基本采用独柱式，双柱双索面转体斜拉桥尚无设计先例，双柱双索面转体斜拉桥下塔柱选型对结构安全性和景观性有较大影响，因此开展双塔双索面转体斜拉桥下塔柱选型研究非常有必要。结合山东邹城斜拉桥转体设计方案，采用ＡＮＳＹＳ软件应用混合有限元方法建立倒梯形和矩形两种下塔柱方案全桥有限元模型，对两种下塔柱方案进行比较分析，确定一种合理的下塔柱方案，为该类转体桥梁设计提供参考。关键词：下塔柱选型转体斜拉桥力学性能分析中图分类号：Ｕ４４３３８文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９４５３９．２０１７．０１．０１４文ＳｔｕｄｙｏｎＳｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆＬｏｗｅｒＰｙｌｏｎＣｏｌｕｍｎｆｏｒＲｏｔａｔｉｏｎａｌＣａｂｌｅｓｔａｙｅｄ文ＢｒｉｄｇｅＣｒｏｓｓｉｎｇｏｖｅｒＢｅｉｊｉｎｇＳｈａｎｇｈａｉＲａｉｌｗａｙｉｎＺｏｕｃｈｅｎｇ·×σ·××（× ×σ××，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２６００，４５３号编）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｒｅａｓｏｎｏｆｍｅｃｈａｎｉｃｓｂｅｈａｖｉｏｒｓａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ，×σ  × ××!  × × ×σ×× ! !σ\" ×  × ×× ! !σ!  ××! !  ××σ× ×× ××ｔｕｒａｌ\"#σ×× ｃａｂｌｅｓｔａｙｅｄｂｒｉｄｇｅｉｎＺｏｕｃｈｅｎｇａｓｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ文，ＡＮＳＹＳｓｏｆｔｗａｒｅｗａｓ!  !σ$% ×  × × ×&××σ \'× σ×  × ×ｍｉｎｅｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌ期铁５１道１，ａｎｄｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｃｏｕｌｄｂｅｕｓｅｄａｓａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｓｉｍｉｌａｒｒｏｔａｔｉｏｎａｌ建程３稿：１中(： ×  × 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１引言桥梁转体施工，指先沿桥梁跨越线（铁路、公路、河流和山堑等）方向在空旷地形上采用支架现浇法修筑桥跨结构，借助转盘结构，用牵引设备将桥跨结构旋转安装就位的施工方法。该方法在桥梁工程施工中已得到较为广泛的应用，特别是主跨上部结构施工条件受限，而边跨具有相对较好的施工条件时，转体法施工的优势更加明显［１］。转体法施工具有工艺设备简单、节约钢木用材、变高空作业为地面作业、变水中施工为陆地施工、操作安全、有效缩短工期等优点，使其具有广阔的推广前景［２－３］。近年来，桥梁转体施工方法得到很多学者关注，并在设计、施工及监控等方面开展了研究工作，取得很多有价值的成果，为山区桥梁及跨线桥（跨越繁忙交通线）的建设提供了理论支持［４－８］。值得注意的是，采用磨心支撑体系进行转体的施工方案，在现代桥梁施工中凭借其安全性高、纠偏能力强，转动速度快，施工误差容易控制等优势而得到广泛应用［９］。基于受力和施工控制方面的原因，采用磨心支２６铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７（０１）万方数据·桥梁工程·撑体系进行转体施工的斜拉桥塔柱通常采用独柱式，独柱式斜拉桥转体施工技术比较成熟。然而双柱双索面转体斜拉桥尚无设计先例，双柱双索面转体斜拉桥其下塔柱的结构形式直接影响结构安全性和景观性，因此有必要开展双柱双索面转体斜拉桥下塔柱选型研究。鉴于此，本文以山东邹城市上跨京沪铁路转体斜拉桥为背景，从力学和桥梁美学两个方面阐述双柱双索面转体斜拉桥桥塔下塔柱选型原则，并采用ＡＮＳＹＳ有限元软件建立空间有限元模型，对常用的下塔柱结构形式进行对比分析，确定一种更为安全合理的下塔柱结构形式［１０－１１］。２工程概况邹城斜拉桥主桥采用双柱独塔结构，跨越京沪铁路和站场线路及规划的电厂专用线，共跨越１４股道，桥梁纵向布置如图１所示。图１桥梁纵向布置（单位：ｍ）主桥跨径为２×１１０ｍ，桥面总宽２３．２ｍ。主塔为双柱钢筋混凝土结构，高度６７ｍ，塔柱采用箱形截面，顺桥向宽６．０ｍ，横桥向宽３．０ｍ；球铰球面直径８ｍ，平面直径为４．２ｍ。３桥塔下塔柱设计方案双柱双索面斜拉桥桥塔下塔柱常用形式为倒梯形、矩形等，结合本工程结构设计及景观要求，对倒梯形及矩形塔柱进行分析比较。倒梯形塔柱方案，造型轻盈，观感通透，两个下塔柱与下横梁构成拉压杆受力体系；相比之下矩形塔柱方案造型厚重，观感稳重，力始终沿竖直方向传递，塔座横梁主要受弯。３．１倒梯形方案［１２］采用墩塔梁固结体系，横梁与两个矩形下塔柱及塔座组成一个倒梯形的框架结构。倒梯形框架上缘宽２５．２ｍ，下缘宽１９．２ｍ；下塔柱顺桥向宽度为６．０ｍ，横桥向宽度为４．２ｍ；塔座高度为５．５ｍ，顺桥向宽度为６ｍ。为满足磨心支撑转体结构力学性能要求，塔座横梁横桥向共设置５排共计５５束钢绞线，规格为究ｓ１５－２１；塔座牛腿下缘共设置２排共计２６束钢绞线，规格为究ｓ１５－１５。墩塔梁固结体系中，横梁在施工和运营阶段以受弯和受拉为主，因此在横梁底部共设置３排共计４１束钢绞线，规格为究ｓ１５－１２；顶部设置１排１４束钢绞线，规格为究ｓ１５－１５。倒梯形设计方案如图２ａ所示。图２下塔柱及塔座构造（单位：ｍ）３．２矩形方案采用墩塔梁固结体系，横梁与两个竖直向下的矩形下塔柱及塔座组成矩形框架体系，内侧四角设２．０ｍ×２．０ｍ倒角。矩形外轮廓横桥向宽２４．０ｍ，空心部分内轮廓横桥向宽１４．０ｍ，高６．２４ｍ；下塔柱顺桥向宽度为６．０ｍ，横桥向宽度为５．０ｍ；塔座高度为５．５ｍ，顺桥向宽度为６ｍ，横桥向长度２４．０ｍ。为满足磨心支撑转体结构力学性能要求，塔座横梁横桥向上缘设置６排共计６３束钢绞线，规格为究ｓ１５－２１；竖向设置１６排共计１７６根预应力钢筋，规格为ＪＬ３２；塔座牛腿下缘设置３排共５７束钢绞线，规格为究ｓ１５－１９。墩塔梁固结体系中，横梁在施工和运营阶段以受弯和受拉为主，因此在横梁底部设置３排共４１束钢绞线，规格为究ｓ１５－１２；顶部设置１排１４束钢绞线，规格为究ｓ１５－１５。矩形方案如图２ｂ所示。４有限元模型基于材料力学的梁杆结构计算方法不能很好地反映转盘、塔座及主墩结构的空间受力行为，因而数值仿真成为解决这一问题的必然选择。采用ＡＮＳＹＳ有限元软件建立空间数值模型，对两种方案下塔柱结构受力进行分析，结合分析结果对方案的合理性作出评价。考虑到边界条件模拟的简便性，全桥采用混合３６铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７（０１）万方数据·桥梁工程·有限元模型进行计算分析，考虑圣维南原理，采用实体单元建模结构范围：竖向为桥面以上８ｍ至上转盘底，纵向为结构中心两侧各取２０．５ｍ。采用ｓｏｌｉｄ４５和ｓｏｌｉｄ９５单元模拟混凝土；ｌｉｎｋ８单元模拟预应力钢束和斜拉索；ｍａｓｓ２１单元模拟附加质量；ｂｅａｍ１８８空间杆系单元模拟实体单元以外的主梁和主塔结构；ｂｅａｍ４单元模拟塔间联系梁杆件。采用初始应变法模拟桥梁斜拉索索力；等效应变加载法模拟钢束预应力，并将应变等效为温度荷载进行施加，钢绞线的张拉控制应力为０．７５ｆｐｔｋ，预应力钢束考虑预应力损失后有效应力取σ＝０．７×（０．７５ｆｐｔｋ）＝９７６ＭＰａ。计算考虑自重＋０．００５ｒａｄ／ｓ２转动加速度。两种方案的有限元模型如图３所示。图３有限元模型５分析结果５．１力学性能分析方案一（倒梯形方案）下塔柱及塔座计算结果（沿桥梁中心横向剖切面）如图４所示。图４方案一的下塔柱及塔座应力分布（单位：ＭＰａ）图４ａ为最大拉应力云图，下横梁顶面最大拉应力约为０．８ＭＰａ，上横梁顶面最大拉应力约为１．２ＭＰａ，下塔柱外侧最大拉应力约为１．０ＭＰａ；图４ｂ为最大压应力云图，除截面突变和预应力锚下区域外，压应力分布较为均匀，且塔柱荷载向磨心支撑处过渡路径平顺，下塔柱及塔座区域最大压应力约为１０ＭＰａ。图４ｃ为横向应力云图，下塔柱应力分布较为均匀，除局部区域由于转动加速度荷载影响产生约为１．０ＭＰａ拉应力外，均处在不大于－１．９ＭＰａ的压应力水平下，塔座横梁在横向预应力荷载下，均分布不大于１１．０ＭＰａ压应力。方案二（矩形方案）下塔柱及塔座计算结果（沿桥梁中心横向剖切面）如图５所示。图５方案二的下塔柱及塔座应力分布（单位：ＭＰａ）图５ａ为最大拉应力云图，下横梁顶面最大拉应力约为１．８ＭＰａ，上横梁顶面最大拉应力约为２．０ＭＰａ，下塔柱外侧最大拉应力约为０．５ＭＰａ；图５ｂ为最大压应力云图，除截面突变和预应力锚下区域外，压应力分布较为均匀，塔柱荷载向磨心支撑处过渡路径为折线，过渡区域应力有突变，下塔柱最大压应力为－４．３ＭＰａ，塔座区域内最大压应力为－８．７ＭＰａ。图５ｃ为横向应力云图，下塔柱应力分布较为均匀，除局部区域由于转动加速度荷载影响产生约为１．５ＭＰａ拉应力外，均处在２．２ＭＰａ的压应力水平下，塔座横梁在横向预应力荷载下，均分布不大于１５．０ＭＰａ压应力。由于上横梁将塔柱荷载传递至上转盘，为转体施工阶段主要受力构件，下横梁中心位置存在较大拉应力，笔者试图通过调整下横梁横向预应力数量来改４６铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７（０１）万方数据·桥梁工程·善下横梁顶面应力状态，计算结果表明该措施对该区域应力状态影响甚微。５．２两种方案对比方案一（倒梯形方案）下塔柱向内倾斜指向转盘中心，荷载压力线直接指向球铰，力线过渡平顺，下横梁上缘拉应力较小；方案二下塔柱为竖直布置，压力线向下，荷载需通过横梁传递至球铰，下横梁主要受弯，横梁中心上缘拉应力较大。从第三主应力云图可以看出，方案一压力荷载方向由柱端指向磨心，塔柱至球铰支点压力线基本为直线，应力流传递路径顺畅，压应力分布较为均匀；方案二压力荷载方向由柱端垂直向下，下塔柱至球铰压力线在塔座横梁处存在折点，应力流传递不畅，应力在下塔柱与塔座连接处有突变，应力分布均匀性较差。两方案下塔柱应力在设计工况下，由于方案一下塔柱高度较大，由转动加速度引起的柱身弯矩和扭矩较大，因此，塔柱柱身拉应力及其分布区域较大，但满足混凝土设计值。方案一下横梁及塔座仅配置纵横向预应力钢筋，数量较少，下横梁中心最大拉应力约为０．８ＭＰａ；方案二配置纵、横和竖向预应力钢筋，数量较多，下横梁中心最大拉应力约为１．８ＭＰａ，且增加横向预应力钢束数量不能有效改善下横梁上缘拉应力状态。图６为两方案最大拉应力和最大压应力对比曲线，可以看出，方案一下塔柱与下横梁连接处最大拉应力约为０．８ＭＰａ，方案二最大拉应力较大，最大值约为１．８ＭＰａ；方案一下横梁顶部最大压应力约为－１．０ＭＰａ，方案二最大压应力较小，最大值约为０ＭＰａ。图*下横梁顶应力对比曲线６结论（１）两种方案下塔柱应力状态基本相同，应力水平相当，但不同的下塔柱型式对其传力性能有很大的影响；总体而言，倒梯形方案传力路径清晰简洁，从而使得转体斜拉桥结构设计具有更高的安全性和可靠性。值得注意的是，较高的下塔柱在转动荷载下将承受更大的弯矩和扭矩作用。（２）倒梯形方案塔座仅配置纵横向预应力钢束，钢束用量较矩形方案小，且增加矩形方案梁横向预应力钢束数量不能有效改善下横梁上缘拉应力状态。因此，倒梯形方案具有更高的安全性和经济性。（３）从造型上看，倒梯形方案在景观效果上较矩形方案好，造型轻盈、观感轻盈通透。（４）转体斜拉桥下塔柱结构选型应从其力学特性、景观效果、技术经济性等方面综合考虑、比较论证，选择一种合理的下塔柱构造形式。本文所介绍的两种下塔柱方案的比较分析结论，对类似工程的设计有一定的借鉴价值，为桥梁同行在进行采用磨心支撑转动体系转体施工的多塔柱斜拉桥下塔柱选型时提供参考。参考文献［１］孙全胜似转体斜拉桥大悬臂站立状态列车振动响应分析［Ｊ］短世界地震工程，２０１５（１）：１２２－１２８．［２］张联燕，谭邦明短桥梁转体施工［Ｍ］短北京：人民交通出版社，２００３：２０－３１．［３］孙永存短绥芬河斜拉桥水平转体阶段受力研究［Ｄ］短哈尔滨：东北林业大学，２００７：５－１９．［４］郭亚娟，李宏哲似邹城转体斜拉桥转盘结构受力分析［Ｊ］短中外公路，２０１３，３３（１）：１１９－１２２．［５］孙永存短万吨级斜拉桥平转阶段牛腿受力研究［Ｊ］短北方交通，２０１２（４）：７４－７７．［并］成敏超似转体斜拉桥转体施工关键技术控制［Ｊ］短北方交通，２００８（９）：５９－６１．［７］宋杰，李艳哲似稀索转体斜拉桥主梁采用支架法施工的技术要点［Ｊ］短公路交通技术，２００４（２）：*+,**［８］刘建红似绥芬河斜拉桥设计与转体施工［Ｊ］短桥梁，２００９（１）：４８－５１．［９］袁可似桥梁转体施工的关键控制点分析［Ｊ］短铁道建筑技术，２０１５（５）：９－１１．［１０］杜嘉俊中桥梁转体法施工技术创新与展望［Ｊ］短铁道建筑技术，２０１２（４）：７－１１．［１１］毛锁明短石环公路跨石太铁路斜拉桥转体施工技术［Ｊ］短铁道工程学报，２００９（１）：５８－６２．［１２］姜保利似社似社永万吨转体施工斜拉桥设计研究［Ｊ］短铁道建筑技术，２０１５（开）：３２－３５．５６铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１７（０１）万方数据