大吨位墩底转体桥承台预应力效应分析

孟丽敏

（中铁十四局集团第四工程有限公司，山东济南 250101）

0 引言

随着我国交通强国建设的不断推进，为了避免不同类别、等级交通之间的相互干扰，各地涌现出一大批立体交通工程。水平转体施工法因其能最大限度降低桥梁施工对桥下既有交通的安全影响，在跨越高速公路、铁路及城市轨道等重要线路中得到了广泛应用。

结合武汉至大悟高速公路上跨沪蓉、麻武铁路高架桥，通过建立实体有限元模型，对转体主墩承台桩基在施工过程中的受力状态分析研究，确定下承台预应力钢束的合理张拉时间。

1 工程概况

武汉至大悟高速公路在K23+950 处上跨沪蓉线、麻武线，左右幅采用4 座2×75m 预应力混凝土连续T构跨越铁路。为降低桥梁施工对既有铁路的安全影响，上跨铁路T 构桥采用转体施工，转体重量16600t。

主墩底设置有转体系统，转体系统由上转盘、球铰、下转盘等构件组成。其中，上转盘平面为矩形，横桥向宽13.9m，顺桥向宽10m，厚2.5m。下承台尺寸为17.3m×17.3m，厚4.5m。上下承台间净距2.2m，中间设置有1m 厚圆形转台，直径9m。转台下方为钢球铰，上下球铰接触平面直径3.9m，球面半径7.8m。为避免下球铰安装打断下承台顶面钢筋，在下承台顶面设置高度0.6m 的球铰凸台。为保证转体过程中下承台及桩基受力满足要求，在下承台下部设置纵横向预应力钢束。

2 转体承台模型建立

下承台是转体系统的关键构造，受力较复杂，在转体施工阶段，其结构尺寸及受力状态并不符合刚性承台的基本假定，因此无法按现行规范对下承台进行设计计算。王景全等[1]针对转体承台，提出了一种锥形面空间拉压杆模型，通过下承台受力的空间拉压杆模型，确定下承台的承载力及各桩基的反力。刘诗文等[2]通过引入桩基支撑刚度，对上述模型进行了修正，获得了较好的计算结果。但锥形面拉压杆模型主要用于确定转体承台的承载力[3]，无法进行下承台转体阶段的应力状态分析，该模型也无法有效评估预应力效应的影响。为了准确分析转体下承台在施工阶段的受力状态，该研究采用ABAQUS 软件进行实体有限元分析，探究合理的预应力张拉时间。

2.1 有限元分析模型

对于墩底转体系统而言，下承台承受由转体球铰传递下来的转体荷载，在转体重量一定的情况下，桥墩形式、上承台预应力等因素对下承台的受力基本无影响。因此，仅建立下承台、桩基，并利用一圆柱模拟转体球铰，圆柱下端为球面，球面半径等于球铰滑动面的球面半径，与下承台接触面直径等于球铰滑动面的平面直径，所建立的转体下承台、桩基模型如图1 所示。

图1 转体承台有限元分析模型

模型中，混凝土均采用六面体20 节点单元，钢筋及预应力筋采用2 节点线性桁架单元，钢筋通过内置单元约束方式与混凝土单元连接，不考虑钢筋与混凝土单元的黏结滑移，预应力筋张拉力按初应力进行模拟，并考虑预应力损失。沿桩身每隔2m 设置一约束参考节点，通过施加节点弹簧，模拟土体对桩基的横向约束效应[4]。

2.2 分析工况

为分析设置预应力对下承台受力状态的影响，并探究合理的下承台预应力张拉时间，共考虑以下两种模型工况：第一，无预应力，转体重量166000kN。第二，有预应力，转体重量分16 级加载至166000kN，级差10000kN。

3 计算结果分析

3.1 预应力效应对比分析

无预应力承台在转体重量荷载作用下的位移云图，如图2 所示。转体施工阶段，由于转体重量近似于集中荷载作用于承台正中心，承台支承与均匀间隔布置的桩基之上，承台的位移呈现碟形分布，承台位移等值线近似为同心圆，球铰作用位置处的变形最大，离球铰中心越远，位移越小。这种变形状态下，承台下缘将产生较大的拉应力，如图3 所示。

图2 承台位移云图

图3 承台底缘主拉应力云图（单位：Pa）

在下承台底缘设置纵横向预应力后，承台底缘主拉应力分布情况见图3，承台底缘中线处的主拉应力变化情况见图4。

图4 承台底缘主拉应力分布图

当未设置承台预应力时，由于桩基对承台的弹性支撑约束，在由球铰传递下来的集中转体重量作用下，承台下缘基本处于受拉状态，最大拉应力达到了8.05MPa。该值已远超混凝土的抗拉强度标准值，说明混凝土已明显开裂。

当设置承台预应力后，承台底面最大拉应力为1.95MPa，承台应力状态得到了有效改善，虽然承台底面中心部位仍然存在拉应力，但该值小于混凝土抗拉强度标准值，混凝土开裂的概率极大降低，结构耐久性得到有效保证。

有预应力承台底缘中线处主压应力分布情况见图5。在转体阶段，承台下缘最大主压应力为7.0MPa。桩顶截面竖向反力结果见表1。

图5 有预应力承台底缘主压应力分布图

表1 桩顶反力结果 单位：kN

当未设置承台预应力时，桩顶反力不均匀，超过1/3 的转体重量由球铰正下方的1 号桩基承担，1 号中心桩的反力为4 号角桩反力的2.07 倍。当设置承台预应力后，1 号中心桩的反力为4 号角桩反力的1.10 倍。

承台在纵横向预应力的作用下，会表现出一定程度的反拱，其与转体荷载产生的碟形变形相叠加，可减少承台变形，桩顶反力更加均匀。同时，由于预应力效应的存在，承台底缘应力状态也得到有效改善。

3.2 预应力张拉时间的确定

在转体桥施工中，尽可能早地完成对转体承台基坑的回填，降低施工过程中的安全风险，有效保证既有铁路路基稳定。对于有预应力的承台模型，当转体重量未施加时，即在承台浇筑完成并达到强度后就张拉承台预应力，桩顶反力如表1 所示。

此时，承台顶缘最大主拉应力为1.2MPa，小于混凝土抗拉强度标准值，受力能够满足要求。中桩处于受拉状态，拉力值为1463kN，该拉力值小于桩身的抗拉强度，桩身受力能够满足要求[5]。

目前，并无关于桩基在施工阶段受拉对承台桩基承载力的影响的相关研究成果，但桩基受拉势必对桩周土产生扰动，并可能导致桩底脱空。为避免桩基受拉对基础可能产生的不利影响，应控制预应力张拉时间，保证预应力张拉时，桩体不会产生拉力。

对于该转体桥，确定合理的预应力张拉时间应按以下原则进行：

第一，预应力张拉前，承台底缘拉应力不超过混凝土抗拉强度标准值。

第二，预应力张拉后，桩基不出现负反力。

在不同转体重量下的桩基反力结果，如图6 所示。从图中可以看出，要使桩基不出现负反力，应在转体结构重量达到20000kN 后，张拉预应力。未张拉预应力承台底缘应力与转体结构重量关系，如图7 所示。为保证张拉预应力前，承台底缘应力不超限，应在转体结构重量小于50000kN 时张拉承台预应力。

图6 桩顶反力与转体结构重量关系

图7 未张拉预应力承台底缘应力与转体结构重量关系

基于上述原则，该桥最终确定在桥墩施工至18m时进行预应力钢束的张拉，此时，上转盘、转台及墩身的结构体积约为1328m3，相应的重量约为34500kN。

4 现场实际应用

现场4 处转体重量均为16600t。实际施工过程中按照该计算模型进行施工，张拉时间为墩柱施工至18m 时进行，相应重量为：20000kN＜34500kN＜50000kN。

5 结论

依托武汉至大悟高速公路跨铁路转体立交桥，对大吨位转体桥承台施工阶段的受力状态展开分析研究，分析表明：

第一，为了减小基坑深度，降低转体承台厚度，采用设置纵横向预应力的方式可有效改善大吨位转体桥承台受力状态，避免承台开裂，减少转体阶段各桩基反力不均匀的现象。

第二，对于转体桥梁，应通过有限元数值分析方法，确定承台预应力合理张拉时间，既要保证张拉前，承台底缘应力不超限值，又要保证预应力张拉后，各桩基不出现拉力等不利情况。

目前，水平转体桥梁重量已达46000t，并在不断突破中。未来将会出现更大吨位的墩底转体桥梁，转体承台厚度与转体吨位之间的矛盾将更加突出，设置预应力为转体承台施工提供了更大可能性。