连续梁桥平转施工过程稳定影响因素分析

张文学， 黄 荐， 王秀平

(1．北京工业大学 建筑工程学院，北京 100124;2．山西省交通厅 长平高速公路建设管理处，山西 太原 030012)

1 依托工程概述

转体施工是指桥梁结构先在成桥位置以外进行浇筑成形，通过转体就位的一种施工方法，常用的转体方法有竖转法、平转法、平转与竖转相结合法［1-3］。桥梁转体施工不仅能较好地克服障碍，而且可以最大限度地降低对桥下既有线路交通的影响。

桥梁平转施工虽然具有很多优点，但是在转体过程中由于结构处于瞬态平衡状态，此时转体结构的整体稳定性最差［4-5］。因此，设计文件一般都会对转体速度和转体时的环境风速做出相应的规定，但目前关于转体结构墩高和环境风速对转体稳定的影响研究还很少，对其影响规律还不是很明确［6］。为此以长安高速公路微子立交桥为依托工程，建立有限元分析模型，分析了连续梁桥平转施工过程中墩高、转速及环境风速对转体稳定的影响，得出了一些结论，可为同类工程提供参考。

微子立交桥位于山西省长治市邯长铁路微子镇站内，主桥跨度为(72 +120 +72)m 连续梁，主桥在13号和14 号墩之间跨越既有邯长铁路和远期规划铁路，采用支架现浇、单侧(13 号墩)平面转体施工方法。

2 有限元分析模型

2．1 分析模型

分析采用有限元软件ANSYS 模型，桥梁的整体建模采用BEAM188 梁单元模拟，可以通过SECREAD命令读入用户自定义截面，由于箱梁截面较为复杂，通过建立多个截面，然后以折线的形式阶梯状模拟实际箱梁形态，如图1 所示。箱梁与桥墩采用C50 混凝土，根据设计规范，弹性模量取3．25 ×104N/mm2，泊松比按0．2 采用，材料密度按照2 600 kg/m3。

2．2 风荷载选取

由于缺少实际桥梁的风洞试验数据和风压时程曲线，本文计算中采用类似工程相关风洞试验研究数据，在该实验中设定的风速为15 m/s，在每一个测点采集2 400 个数据，采样频率为400 Hz，折合成实际尺寸模型间隔时间分辨率为0．5 s，选取了其中具有代表性的风压时程曲线数据(如图2 所示)。分析时结合本桥梁工程的实际工程参数，如风载体型系数、风压高度变化系数等进行了适当修正。

2．3 转体振动激励荷载

图2 风压时程曲线

在转体过程中受不可预见因素的影响，整个转体结构在发生平转过程中会伴随有竖向摆动。根据实际工程的实测资料可知，平转过程中的竖向摆动幅度跟临时撑脚与滑道之间的间隙有关。其上转盘的竖向摆动幅度体现在临时撑脚位置就是临时撑脚与滑道的间隙，而在竖向摆动过程中临时撑脚所受的竖向荷载最大值可近似等于克服球铰动摩擦力矩与临时撑脚半径之比，即Vmax= Md/Rcj，根据依托工程平衡称重的实测情况，经计算得Vmax=3 107 kN。由于目前在平转过程中临时撑脚所受的荷载实际情况还很难测得，经过理论分析在本文中假设临时撑脚所受的竖向荷载为正弦+随机的组合荷载，其中正弦荷载幅值Fmax= Vmax=3 107 kN，随机荷载幅值为Fmax/2，波长取100 ～150 cm。

3 稳定影响因素分析

3．1 风速对转体稳定的影响

首先取桥墩高度h =20 m，风速v =1、3、5、7、9、11 m/s，分析环境风速变化对转体结构墩底弯矩的影响。分析结果如图3 和图4 所示。由此可知:

(1)当桥墩高度一定时，当风速较低时，转体结构墩底弯矩几乎不随风速的变化而变化。

(2)当风速增大到一定值后，转体结构墩底弯矩随着环境风速的增大而迅速增加，这与风压和风速的平方成正比相一致。

(3)由转体结构墩底弯矩时程曲线可知，在风速较低的情况下，墩底弯矩的变化是比较复杂的，结构并没有发生拍振或共振现象。

图3 风速变化对墩底弯矩的影响

图4 墩底弯矩响应时程曲线(v=7 m/s，h=20 m)

取环境风速v =5 m/s，分别取h =10 ～100 m 共10 种工况进行计算，分析墩高变化对墩底弯矩的影响分析结果如图5 和图6 所示，由此可知:

(1)当环境风速一定时，转体结构墩底弯矩响应与墩高之间的关系并不是单调增加的，其规律比较复杂，但整体上随着墩高的增大，墩底弯矩响应有所增大。

(2)当墩高为40 m 的时候出现最大值峰值点，此时的墩底弯矩响应最为明显。由图6 的墩底弯矩时程曲线可知，此时结构发生了典型的拍振现象，在给定风速荷载下属较为不利工况。

(3)综合分析可知，墩高不同转体结构的自振特性也随之变化，发生共振时对应的风速也不同，因此应根据具体转体结构的自振特性判定出最不利的环境风速。

图5 墩高变化对墩底弯矩的影响

图6 墩底弯矩响应时程曲线(v=5 m/s，h=40 m)

3．2 转速和墩高对转体稳定的影响

首先桥墩高度h =50 m，分析转速对转体墩底弯矩的影响，分析结果如图7 所示，此时结构竖向1 阶振动周期28 s。由此可知:

(1)当转动速度较慢时，结构自振周期与荷载周期相差非常大，加之此时的荷载是在正弦波荷载的基础上增加随机干扰分量，所以墩底的振动弯矩响应在频率特性方面表现出与所施加的荷载周期相似振动特性;而在振动幅值上则表现出一定的随机性。

(2)随着平转速度的增加，结构竖向自振周期与荷载周期越来越接近，墩底振动弯矩表现为短时间的拍振，同时墩底的振动弯矩也随之增加。

(3)当平转速度较快时，此时临时撑脚所受的竖向荷载周期与结构1 阶竖向振动周期基本一致，结构表现出明显的共振现象，墩底振动弯矩明显增大。

图8 和图9 为墩高和平转速度对墩底振动弯矩的影响情况，由此可知:

(1)在某1 次正弦波+随机荷载作用下，墩底振动弯矩响应随转速和墩高的变化规律存在一定的波动性。

(2)经过多次计算可知，墩底的振动弯矩响应总体上呈现出随墩高和转速增加而增加的趋势。

图7 墩高h=50 m 时，不同转动速度时墩底振动时程曲线

图8 转速Vrot =0．02 rad，墩底弯矩与墩高关系

图9 墩高h=50 m，墩底弯矩与转速关系

4 结论

通过有限元软件ANSYS 建立了数值分析模型，对桥梁平转过程中影响转体稳定的转速、环境风速和墩高等主要因素进行了分析。通过以上分析可知，桥梁平转过程中的稳定不仅与转速和环境风速有关，而且受转体结构的自振特性影响敏感。对于给定的转体结构应根据其自身结构的动力特性判定其最不利的转速和环境风速，以便在转体时加以避免，确保安全。

［1］李拉普．跨线连续箱梁桥平面转体施工技术［J］．铁道标准设计，2009(8):55-57．

［2］任慧，白宝鸿，焦鹏程．斜腿刚构桥转体施工控制技术研究［J］．石家庄铁道学院学报:自然科学版，2008，21(4):52-56．

［3］张解放．T 形刚构桥转体施工技术［J］．石家庄铁道学院学报，2006，19(4):114-117．

［4］交通运输部，中交第一公路工程局有限公司．JTG/T F50—2011 公路桥涵施工技术规范［S］．北京:人民交通出版社，2011．

［5］交通运输部，中交公路规划设计院．JTJ D62—2004 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］．北京:人民交通出版社，2004．

［6］翟鹏程．转体梁施工中的不平衡问题及风致振动研究［D］．北京:北京交通大学土木建筑工程学院，2008．