孟麗敏

（中鐵十四局集團第四工程有限公司，山東濟南 250101）

0 引言

隨著我國交通強國建設(shè)的不斷推進，為了避免不同類別、等級交通之間的相互干擾，各地涌現(xiàn)出一大批立體交通工程。水平轉(zhuǎn)體施工法因其能最大限度降低橋梁施工對橋下既有交通的安全影響，在跨越高速公路、鐵路及城市軌道等重要線路中得到了廣泛應(yīng)用。

結(jié)合武漢至大悟高速公路上跨滬蓉、麻武鐵路高架橋，通過建立實體有限元模型，對轉(zhuǎn)體主墩承臺樁基在施工過程中的受力狀態(tài)分析研究，確定下承臺預(yù)應(yīng)力鋼束的合理張拉時間。

1 工程概況

武漢至大悟高速公路在K23+950 處上跨滬蓉線、麻武線，左右幅采用4 座2×75m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T構(gòu)跨越鐵路。為降低橋梁施工對既有鐵路的安全影響，上跨鐵路T 構(gòu)橋采用轉(zhuǎn)體施工，轉(zhuǎn)體重量16600t。

主墩底設(shè)置有轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)由上轉(zhuǎn)盤、球鉸、下轉(zhuǎn)盤等構(gòu)件組成。其中，上轉(zhuǎn)盤平面為矩形，橫橋向?qū)?3.9m，順橋向?qū)?0m，厚2.5m。下承臺尺寸為17.3m×17.3m，厚4.5m。上下承臺間凈距2.2m，中間設(shè)置有1m 厚圓形轉(zhuǎn)臺，直徑9m。轉(zhuǎn)臺下方為鋼球鉸，上下球鉸接觸平面直徑3.9m，球面半徑7.8m。為避免下球鉸安裝打斷下承臺頂面鋼筋，在下承臺頂面設(shè)置高度0.6m 的球鉸凸臺。為保證轉(zhuǎn)體過程中下承臺及樁基受力滿足要求，在下承臺下部設(shè)置縱橫向預(yù)應(yīng)力鋼束。

2 轉(zhuǎn)體承臺模型建立

下承臺是轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)造，受力較復(fù)雜，在轉(zhuǎn)體施工階段，其結(jié)構(gòu)尺寸及受力狀態(tài)并不符合剛性承臺的基本假定，因此無法按現(xiàn)行規(guī)范對下承臺進行設(shè)計計算。王景全等[1]針對轉(zhuǎn)體承臺，提出了一種錐形面空間拉壓桿模型，通過下承臺受力的空間拉壓桿模型，確定下承臺的承載力及各樁基的反力。劉詩文等[2]通過引入樁基支撐剛度，對上述模型進行了修正，獲得了較好的計算結(jié)果。但錐形面拉壓桿模型主要用于確定轉(zhuǎn)體承臺的承載力[3]，無法進行下承臺轉(zhuǎn)體階段的應(yīng)力狀態(tài)分析，該模型也無法有效評估預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的影響。為了準(zhǔn)確分析轉(zhuǎn)體下承臺在施工階段的受力狀態(tài)，該研究采用ABAQUS 軟件進行實體有限元分析，探究合理的預(yù)應(yīng)力張拉時間。

2.1 有限元分析模型

對于墩底轉(zhuǎn)體系統(tǒng)而言，下承臺承受由轉(zhuǎn)體球鉸傳遞下來的轉(zhuǎn)體荷載，在轉(zhuǎn)體重量一定的情況下，橋墩形式、上承臺預(yù)應(yīng)力等因素對下承臺的受力基本無影響。因此，僅建立下承臺、樁基，并利用一圓柱模擬轉(zhuǎn)體球鉸，圓柱下端為球面，球面半徑等于球鉸滑動面的球面半徑，與下承臺接觸面直徑等于球鉸滑動面的平面直徑，所建立的轉(zhuǎn)體下承臺、樁基模型如圖1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)體承臺有限元分析模型

模型中，混凝土均采用六面體20 節(jié)點單元，鋼筋及預(yù)應(yīng)力筋采用2 節(jié)點線性桁架單元，鋼筋通過內(nèi)置單元約束方式與混凝土單元連接，不考慮鋼筋與混凝土單元的黏結(jié)滑移，預(yù)應(yīng)力筋張拉力按初應(yīng)力進行模擬，并考慮預(yù)應(yīng)力損失。沿樁身每隔2m 設(shè)置一約束參考節(jié)點，通過施加節(jié)點彈簧，模擬土體對樁基的橫向約束效應(yīng)[4]。

2.2 分析工況

為分析設(shè)置預(yù)應(yīng)力對下承臺受力狀態(tài)的影響，并探究合理的下承臺預(yù)應(yīng)力張拉時間，共考慮以下兩種模型工況：第一，無預(yù)應(yīng)力，轉(zhuǎn)體重量166000kN。第二，有預(yù)應(yīng)力，轉(zhuǎn)體重量分16 級加載至166000kN，級差10000kN。

3 計算結(jié)果分析

3.1 預(yù)應(yīng)力效應(yīng)對比分析

無預(yù)應(yīng)力承臺在轉(zhuǎn)體重量荷載作用下的位移云圖，如圖2 所示。轉(zhuǎn)體施工階段，由于轉(zhuǎn)體重量近似于集中荷載作用于承臺正中心，承臺支承與均勻間隔布置的樁基之上，承臺的位移呈現(xiàn)碟形分布，承臺位移等值線近似為同心圓，球鉸作用位置處的變形最大，離球鉸中心越遠，位移越小。這種變形狀態(tài)下，承臺下緣將產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，如圖3 所示。

圖2 承臺位移云圖

圖3 承臺底緣主拉應(yīng)力云圖（單位：Pa）

在下承臺底緣設(shè)置縱橫向預(yù)應(yīng)力后，承臺底緣主拉應(yīng)力分布情況見圖3，承臺底緣中線處的主拉應(yīng)力變化情況見圖4。

圖4 承臺底緣主拉應(yīng)力分布圖

當(dāng)未設(shè)置承臺預(yù)應(yīng)力時，由于樁基對承臺的彈性支撐約束，在由球鉸傳遞下來的集中轉(zhuǎn)體重量作用下，承臺下緣基本處于受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力達到了8.05MPa。該值已遠超混凝土的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，說明混凝土已明顯開裂。

當(dāng)設(shè)置承臺預(yù)應(yīng)力后，承臺底面最大拉應(yīng)力為1.95MPa，承臺應(yīng)力狀態(tài)得到了有效改善，雖然承臺底面中心部位仍然存在拉應(yīng)力，但該值小于混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，混凝土開裂的概率極大降低，結(jié)構(gòu)耐久性得到有效保證。

有預(yù)應(yīng)力承臺底緣中線處主壓應(yīng)力分布情況見圖5。在轉(zhuǎn)體階段，承臺下緣最大主壓應(yīng)力為7.0MPa。樁頂截面豎向反力結(jié)果見表1。

圖5 有預(yù)應(yīng)力承臺底緣主壓應(yīng)力分布圖

表1 樁頂反力結(jié)果 單位：kN

當(dāng)未設(shè)置承臺預(yù)應(yīng)力時，樁頂反力不均勻，超過1/3 的轉(zhuǎn)體重量由球鉸正下方的1 號樁基承擔(dān)，1 號中心樁的反力為4 號角樁反力的2.07 倍。當(dāng)設(shè)置承臺預(yù)應(yīng)力后，1 號中心樁的反力為4 號角樁反力的1.10 倍。

承臺在縱橫向預(yù)應(yīng)力的作用下，會表現(xiàn)出一定程度的反拱，其與轉(zhuǎn)體荷載產(chǎn)生的碟形變形相疊加，可減少承臺變形，樁頂反力更加均勻。同時，由于預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的存在，承臺底緣應(yīng)力狀態(tài)也得到有效改善。

3.2 預(yù)應(yīng)力張拉時間的確定

在轉(zhuǎn)體橋施工中，盡可能早地完成對轉(zhuǎn)體承臺基坑的回填，降低施工過程中的安全風(fēng)險，有效保證既有鐵路路基穩(wěn)定。對于有預(yù)應(yīng)力的承臺模型，當(dāng)轉(zhuǎn)體重量未施加時，即在承臺澆筑完成并達到強度后就張拉承臺預(yù)應(yīng)力，樁頂反力如表1 所示。

此時，承臺頂緣最大主拉應(yīng)力為1.2MPa，小于混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值，受力能夠滿足要求。中樁處于受拉狀態(tài)，拉力值為1463kN，該拉力值小于樁身的抗拉強度，樁身受力能夠滿足要求[5]。

目前，并無關(guān)于樁基在施工階段受拉對承臺樁基承載力的影響的相關(guān)研究成果，但樁基受拉勢必對樁周土產(chǎn)生擾動，并可能導(dǎo)致樁底脫空。為避免樁基受拉對基礎(chǔ)可能產(chǎn)生的不利影響，應(yīng)控制預(yù)應(yīng)力張拉時間，保證預(yù)應(yīng)力張拉時，樁體不會產(chǎn)生拉力。

對于該轉(zhuǎn)體橋，確定合理的預(yù)應(yīng)力張拉時間應(yīng)按以下原則進行：

第一，預(yù)應(yīng)力張拉前，承臺底緣拉應(yīng)力不超過混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值。

第二，預(yù)應(yīng)力張拉后，樁基不出現(xiàn)負反力。

在不同轉(zhuǎn)體重量下的樁基反力結(jié)果，如圖6 所示。從圖中可以看出，要使樁基不出現(xiàn)負反力，應(yīng)在轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重量達到20000kN 后，張拉預(yù)應(yīng)力。未張拉預(yù)應(yīng)力承臺底緣應(yīng)力與轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重量關(guān)系，如圖7 所示。為保證張拉預(yù)應(yīng)力前，承臺底緣應(yīng)力不超限，應(yīng)在轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重量小于50000kN 時張拉承臺預(yù)應(yīng)力。

圖6 樁頂反力與轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重量關(guān)系

圖7 未張拉預(yù)應(yīng)力承臺底緣應(yīng)力與轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重量關(guān)系

基于上述原則，該橋最終確定在橋墩施工至18m時進行預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉，此時，上轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)臺及墩身的結(jié)構(gòu)體積約為1328m3，相應(yīng)的重量約為34500kN。

4 現(xiàn)場實際應(yīng)用

現(xiàn)場4 處轉(zhuǎn)體重量均為16600t。實際施工過程中按照該計算模型進行施工，張拉時間為墩柱施工至18m 時進行，相應(yīng)重量為：20000kN＜34500kN＜50000kN。

5 結(jié)論

依托武漢至大悟高速公路跨鐵路轉(zhuǎn)體立交橋，對大噸位轉(zhuǎn)體橋承臺施工階段的受力狀態(tài)展開分析研究，分析表明：

第一，為了減小基坑深度，降低轉(zhuǎn)體承臺厚度，采用設(shè)置縱橫向預(yù)應(yīng)力的方式可有效改善大噸位轉(zhuǎn)體橋承臺受力狀態(tài)，避免承臺開裂，減少轉(zhuǎn)體階段各樁基反力不均勻的現(xiàn)象。

第二，對于轉(zhuǎn)體橋梁，應(yīng)通過有限元數(shù)值分析方法，確定承臺預(yù)應(yīng)力合理張拉時間，既要保證張拉前，承臺底緣應(yīng)力不超限值，又要保證預(yù)應(yīng)力張拉后，各樁基不出現(xiàn)拉力等不利情況。

目前，水平轉(zhuǎn)體橋梁重量已達46000t，并在不斷突破中。未來將會出現(xiàn)更大噸位的墩底轉(zhuǎn)體橋梁，轉(zhuǎn)體承臺厚度與轉(zhuǎn)體噸位之間的矛盾將更加突出，設(shè)置預(yù)應(yīng)力為轉(zhuǎn)體承臺施工提供了更大可能性。