平转桥梁墩柱钢筋倒塌对转动支座受力影响分析

车晓军 雷志超 王彦合 罗 平

(1.武汉理工大学交通学院 武汉 430063; 2.中交路桥华南工程有限公司 中山 528427)

某在建公路跨越繁忙既有铁路，设计采用2×70 m先平行铁路支架现浇，后转体跨越既有铁路线方案。设计采用转动支座作为转动和主要受力部件，额定承载能力为160 000 kN。转体支座构造由上、下2个铸造而成的球摆组成，平面直径d=3.50 m,由相配合的凸球面和凹球面通过底面中心销轴连接，转动系统构造组成见图1。

图1 转动系统构造示意图(单位：cm)

斜拉桥转体吨位较大，设计墩柱比较高，由于缺少劲性骨架容易出现倒塌现象，从而对转动支座的受力性能产生一定影响[1-2]，甚至危及转体安全，开展墩柱钢筋倒塌对转动支座受力和变形影响分析，具有较强的理论和实践意义。

1 墩柱钢筋倒塌荷载分析

1.1 倒塌形式

由转动系统的构造和桥梁上部构造可知，墩柱钢筋在施工过程中，由于缺少劲性骨架，特别是水平向缺少支撑或联结偏弱，极其容易出现沿纵桥方向倒塌，现场情况见图2～图3。

图2 墩柱钢筋失稳示意图

图3 墩柱钢筋尾端与冠梁接触

在墩柱钢筋倒塌过程中，将对转动体上承台产生瞬时冲击，并将较大荷载传递至转动支座部分，对其应力和变形产生影响。

1.2 墩柱倒塌等效荷载计算

1) 由图2可知，墩柱钢筋倒塌将沿着纵桥大里程方向，等效荷载计算示意图见图4。

图4 等效荷载计算示意图(单位：cm)

2) 通过换算可以计算出图4中各参数数值如下：①钢筋失稳内侧(纵向大里程方向)钢筋等效力G1中心作用力臂L1=362.5 cm；②钢筋失稳外侧(纵向小里程方向)钢筋等效力G2中心作用力臂L2=587.5 cm；③等效荷载最大力臂La=475 cm；④等效荷载合理力臂Lb=350 cm；⑤等效荷载最小力臂Lc=225 cm。

3) 等效荷载计算方法

①G1与G2的分类计算。将钢筋失稳时的荷载按横桥向轴线两侧分成G1和G22个集中荷载，取钢筋骨架半幅中心位置，距轴线112.5 cm。

钢筋荷载计算取值范围：钢筋骨架高度等效于G1,G2中心作用力臂长度，经计算，G1的钢筋质量为7 517 kg,G2的钢筋质量为12 101 kg。

②不同力臂下的等效加载重量。设G为等效荷载加载位置，考虑Ga，Gb，Gc3种加载位置情况。

根据力矩平衡原理计算，由G·L=G1·L1+G2·L2分别计算，得

Ga=(G1·L1+G2·L2)/La=207.04 kN

Gb=(G1·L1+G2·L2)/Lb=280.98 kN

Gc=(G1·L1+G2·L2)/Lc=437.08 kN

③考虑钢筋倒塌时冲击影响，计算等效荷载见表2。

表2 考虑冲击影响的计算荷载

2 转动支座受力验算

当墩柱钢筋倒塌时，作为转动支座和承台混凝土的组合构件，根据材料特性可知，薄弱部位需重点分析转动支座周围混凝土承受的偏载作用，根据偏心荷载受压构件的分布规律[4-5]，有

式中：σ1、σ2为主应力；N为轴心压力；A为截面积；M为等效弯矩值；y为与形心的距离；I为抗弯惯性矩。

1) 混凝土抗压强度验算。

则d1=M1/N=129.0 m(破坏时的力臂值)。

根据钢筋倒塌现场实际情况，最大的等效力臂仅为4.5 m，远远小于129.0 m，因此应力不会超出混凝土抗压强度。

2) 混凝土抗拉强度验算。

则d2=M2/N=11.1 m(破坏时的力臂值)。

根据钢筋倒塌现场实际情况，最大的等效力臂为4.5 m，小于11.1 m，因此应力不会超出混凝土抗拉强度。

3 现场测试

3.1 加载值计算及分级

结合工程实际，现场试验加载物采用尺寸0.6 m×0.6 m×2 m的混凝土预制块，每块重量约17 kN，同时考虑冲击影响，所需加载物数量见表3。

表3 考虑冲击影响的加载物数量

同时考虑加载效率和数据分析需要，从0～50%(按照10%递增)～100%(按照10%递增)～130%(按照10%递增)进行分级加载。

3.2 现场加载

现场加载采用预制混凝土块逐个称重，确保加载准确。根据荷载换算并考虑冲击效应，分级加载至100%及130%，加载现场见图5～图6。

图5 加载至100%

图6 加载至130%

3.3 测点布置

现场加载试验过程中，重点对转动支座在竖向荷载作用下的位移进行测试，横桥向及纵桥向分别布置智能位移计，见图7～图8。

图7 转动支座位移(横桥向)

图8 转动支座位移(纵桥向)

3.4 测试数据

转动支座的位移测试结果见表4。

表4 测试数据一览表

由表4数据分析可知，在墩柱倒塌荷载作用下：

1) 转动支座水平方向的位移，当达到130%加载时，纵桥向最大为0.04 mm，横桥向为0.04 mm。

2) 转动支座竖直方向的位移，当达到130%加载时，纵桥向最大为0.06 mm，横桥向为0.00 mm。

通过测试数据分析可知，转动支座在各个方向的变形均非常小，结构处于弹性完好状态。

3 结论

1) 通过理论验算分析可知，钢筋倒塌所产生的荷载对转动支座周围混凝土的应力影响较小，未超过材料强度允许值。

2) 由现场分级加载可知，转动支座纵、横桥向位移均较小。

3) 从转体后续施工安全角度出发，建议在类似项目墩柱钢筋施工过程中增设劲性骨架，以减小倒塌的施工风险。