大跨度桥梁转体施工中接触面设计及计算分析研究

张路

桥梁转体施工法具有安全、高效的优点，在高速铁路的建设中应用广泛，其对既有路线的影响较小，社会和经济效益显著。本文针对大跨度桥梁在转体施工时接触面的设计进行了简要的分析，首先提出了桥梁转体的分类、优点以及缺点；然后针对转体接触面模型简化进行分析，最后还对转体接触面进行优化设计。

国家基础设施不断完善，高铁作为一项重要的交通事业也在不断的发展。而新建的铁路线路往往需要跨越运输任务繁重的既有线路，传统的桥梁施工方式严重影响交通，同时还容易造成严重的交通安全事故。而桥梁转体施工法在跨越旧线路时安全、高效，对既有路线的影响较小，具有较明显的社会和经济效益。

一、桥梁转体施工概述

1.桥梁转体的分类

根据桥梁转体的施工方向可以分为竖转施工、平转施工以及平竖组合施工。相比较下，对于转体重量较小时通常选用竖转法，而对于较大吨位的转体则选用平转法，就目前而言，平转法施工最为常用。

2.转体施工的优点

（1）转体桥梁能够充分的利用自身结构，将其作为转动体系，同时对周围的地势加以利用，一方面能够避免在河道、山谷处搭设大量支架，另一方面还能够避免建造超高墩柱，建筑材料的周转率和使用率也能够得到显著的提高。

（2）用岸陆作业来代替高空作业以及水上作业，一方面改善了施工环境以及施工条件，另一方面还能够提升施工的安全性。

（3）对于需要跨越通航的河道，或者跨越车流量较大的既有道路，应用转体施工，对交通的影响很小，能够确保现有交通的安全性。

（4）转体施工的周期短，经济效益高

3.转体施工的技术难点

（1）转体桥最为关键的部位是球铰，但是钢筋混凝土球铰的制作工艺要求较高，难度较大，如若施工单位的机械设备不齐全或山区交通落后则使用难度较大。

（2）为了减小转动系统结构形式、重量对转体的影响，往往选用轻型结构，但是由于风荷载的影响往往会使结构出现不稳定的现象。

（3）转体结构扣、背索张拉阶段，对于背墙和拱架容易由于应力集中而出现裂缝，在此之后桥梁如若强行合拢，则会有较大的安全隐患。

二、转体接触面模型简化

由于转动系统的结构构造较为复杂，所以导致建模工作量巨大，转体接触面的球面设计让转动系统的计算更为复杂，特别是针对PTFE滑块模型，计算的过程经常会出现难以收敛的现象。但是接触面的设计作为桥梁转体施工的关键。为了能够提高桥梁模型的计算效率，需要对模型进行简化，否则将会制约大跨度、大吨位转体桥梁的发展。

转体接触面模型的简化：

图1 模型几何示意图

经过简化，可以看出模型相当于平面内分布的滑块和圆柱体共同构成了刚体与表面水平的弹性体之间构成的接触模型，其中滑块的高度为h。

表1 有限元模型参数

通过采用简化模型更加有利于计算，能够提高后期优化计算的运行效率，本文选用ABAQUS有限元软件建立模型来检验简化模型的正确性，同时能够验证使用简化模型代替原始模型计算的可靠性。有限元的模型参数如表1所示。

运用有限元软件对简化模型进行分析可以清晰地看出，弹性体接触面与刚性滑块之间的接触法向应力呈现出中间小、边缘大的特点，且边缘效应较为显著，通过对不同距离处刚性滑块与弹性体接触面之间平均接触应力值的提出，并将其绘制成曲线将其与原始模型进行对比，结果如图2所示。可以发现，经过有限元分析对比，简化模型与原始模型之间的结果较为相似，同时也证明了所提出的简化模型具有一定的准确性。将原始的球面接触简化为平面接触，不仅没有对结果的准确性和精度造成影响，还能够显著的降低建模的工作量和计算分析的计算量。

图2 简化前后滑块接触应力对比

三、转体接触面的优化设计

经过以上章节的分析可以看出，越靠近球铰边缘处，滑块所受到的应力也就越大。为了能够尽可能地避免出现应力集中的现象，需要对转体的接触面进行优化，一方面来减小摩擦力，另一方面来降低对材料性能的影响。接触面最为理想的状态是完全对称的，优化的目标也是获取较为理想的应力分布。通过优化滑块的高度，从而使得接触面应力分布更加均匀。但是实际工程中结构均为有限大小，故而做到完全的应力均匀分布是不现实的，通过优化只是能够尽可能做到应力分布均匀化，降低球铰边缘处应力。对于接触面的优化目标单个滑块的平均接触应力需要小于设计的抗压强度，确保平均接触应力能够均匀地分布在每一滑块上，可以尽量减少滑块的总数量，保证滑块的总接触面积一定，尽可能地保证每一块滑块上的接触应力都能够均匀分布。根据滑块上的应力与理论平均应力的差值对滑块的数量进行合理适当的调节，适当的调整滑块的高度来降低边缘处的应力值。

对于大跨度的桩体施工桥梁转动球铰优化流程如下：首先第一步需要确定转体桥梁的转体重量，通过每一个滑块所承受的力以及滑块的接触面积来计算滑块和弹性接触面上的理论平均应力，然后确定各个滑块的位置，同时还需要保证滑块能够均匀分布，最后确定滑块的高度以及形状。其中形状和高度的确定首先需要将弹性体转变为多个离散的节点，每个滑块在接触面区域之内假定会产生出一个均匀的应力，由于滑块的作用会导致每个节点都出现一定的位移，每个滑块位移的叠加就会导致整体的变形，一方面是形状的变化，另一方面是高度的变化。需要在初设的基础之上对滑块数量进行优化，滑块的数量主要受到转体重量、单块滑块承载力的影响。滑块数量的优化可以通过迭代理论通过有限元对平均接触应力和相应增加各环数量通过迭代法获得趋于稳定的应力。到最终按照迭代后滑块中最大平均接触应力与优化前滑块中最大平均接触应力的比值来逐环减少滑块的个数。

四、结语

本文针对大跨度桥梁在转体施工时接触面的设计进行了简要的分析，首先提出了桥梁转体的分类、优点以及技术难点；然后针对转体接触面模型简化进行分析，并通过有限元手段验证了将原始的球面接触简化为平面接触，不仅没有对结果的准确性和精度造成影响，还能够显著的降低建模的工作量和计算分析的计算量；文章最后还对转体接触面进行优化设计。