转体平台墩施工安全分析

转体平台墩施工安全分析

1转体平台高效布置武汉市云兄路桥是云兄路快速改革工程的一部分。该桥上跨京广、合武、汉孝城际等共11股铁路线,主桥采用(70+116+70)m变截面预应力混凝土连续箱梁桥,主桥立面布置见图1。为尽量减少对铁路大动脉造成的影响,确保铁路列车安全运营,该桥采用转体法施工[1~5],即先在铁路线两侧把2个桥墩建设好,2个桥墩顶部各预设1个转盘,然后在与铁路线平行的方向浇筑梁体,两侧梁体浇筑好后,通过转盘进行旋转,让其合龙。该桥主墩(63号、64号墩)采用M形预应力混凝土实体墩,墩顶设置为转体施工提供操作平台的横梁,在桥墩横梁顶面设置单球铰。横梁采用T形截面,梁高5m,截面顶宽11m,底宽7.5m。主墩中墩柱截面尺寸为1.5m(宽)×7.5m(高),墩下设3m高承台,基础采用4根ue7882.5m钻孔桩基础;边墩柱截面尺寸均为2.5m(宽)×7.5m(高),墩下设3m高承台,基础采用8根ue7881.8m钻孔桩基础。转体平台墩及转体系统布置见图2。由于该桥将在63号、64号墩横梁平台上进行大吨位(160000kN)单球铰高空转体[6~8],为确保转体平台墩结构的安全性和转体施工的顺利进行,本文对转体平台墩的高空转体施工过程进行仿真计算。2模拟分析模型2.1预应力的模拟采用通用有限元分析软件ANSYS分别建立63号、64号主墩(墩身、横梁、桩基础、承台及转体系统)分析模型,进行全施工过程仿真分析。63号、64号墩的桩基础采用梁单元模拟,桩与土的接触摩擦关系根据地质资料和规范计算竖向刚度后采用弹簧单元等效模拟;墩身和横梁的混凝土采用实体单元模拟;预应力钢绞线按线形用多段杆单元模拟,采用降温法模拟预应力张拉,按桥规考虑预应力的损失。分析模型在桩底部施加固结约束,上转盘顶部根据支座位置及面积施加由整体分析模型提取的竖向力,上、下球铰间定义为接触关系。上转盘竖向力和预应力张拉均按设计施工阶段顺序进行施加,不考虑转体牵引力等内力荷载作用。模型总共定义57435个节点,44795个单元,仿真分析模型见图3。2.2横向预应力束63号、64号墩横梁的纵向预应力共72束,采用25-ue788s15.2钢绞线,M15-25型锚具,两端张拉,张拉控制应力1302MPa。63号、64号墩横梁的横向预应力束按50cm间距设置,采用3-ue788s15.2钢绞线,BM15-3型锚具,两端张拉,张拉控制应力1395MPa。63号、64号墩的竖向预应力束参数与横梁纵向预应力一致,采用单端张拉。混凝土自重密度取2600kg/m3,钢材密度取7800kg/m3,根据体积自动施加重力。2.3预应力球铰竖向力施工过程转体平台墩在施工过程中主要受到结构自重、球铰竖向力和横梁纵向预应力作用。球铰竖向力主要为连续梁的结构重力,在施工过程中随着连续梁的施工阶段不断增加。桥梁施工分为19个阶段,见表1。63号、64号墩成桥最大球铰竖向力分别为190186.3kN、158138.6kN。3施工阶段的应力分析3.1球铰的局部变形63号墩的球铰中心与中墩柱中心线相距53.2cm,距离较近,在转体前荷载作用下,其应力分布基本对称。由于横梁纵向布置有较多预应力,横梁纵向以受压为主,绝大部分位置应力在-7.0~-5.0MPa(图4),应力水平比较合适。在横梁底部与边墩柱交界倒角位置有一定的拉应力集中,最大拉应力1.0MPa,主要是由倒角位置无法施加预应力和横梁纵向局部变形引起。横梁上缘和下缘呈较均匀受压,说明横梁顶部球铰竖向力作用引起的正弯矩与横梁弯曲预应力形成的负弯矩部分抵消,同时达到了将球铰竖向力由中墩柱分摊至两边墩柱的目的。横梁纵向最大压应力为12.0MPa,主要由球铰竖向力局部作用引起。63号墩结构竖向正应力分布见图5,由图5可知,63号墩最大竖向压应力为10.0MPa,位于中墩柱底部角点位置。中墩柱仍是传递球铰竖向力的主要结构,且中墩柱截面相对边墩柱弱;边墩柱呈偏心受压,内侧竖向压应力大于外侧。63号墩在转体前荷载作用下,沿横桥向有一定的横向压缩变形,最大横向变形约为2.9mm。在巨大竖向力作用下,63号墩基础均存在一定程度的变形(中墩柱沉降值约为9.3mm,边墩柱沉降值约为8.0mm),同时局部球铰作用位置也存在压缩变形。结构变形基本均衡合理。64号墩的球铰中心与中墩柱中心线相距247.2cm,距离较远,受力稍不利。但该墩球铰的竖向力也稍小,应力分布、极值与63号墩对应位置相差不明显。总体而言,在巨大球铰竖向压力、预应力和自重作用下,63号、64号墩墩身和横梁混凝土的应力和变形均满足要求,结构安全。3.2横向预应力和球铰竖向力作用的响应在施工全过程中63号和64号墩的竖向位移、竖向正应力见图6和图7。由图6、图7可知,63号和64号墩边墩柱的竖向位移、应力均随着施工阶段一直增加,说明球铰竖向力增加和横梁预应力张拉均使边墩柱承担更多竖向力。中墩柱的竖向位移、应力在球铰力作用下增加,在横梁预应力作用下减小。63号墩球铰中心靠近中墩柱中心,因此中墩柱分配的荷载最大,两边墩柱受力对称且相对较小。而64号墩球铰中心距离中墩柱中心稍远,该墩整体呈偏心受压,考虑横梁纵向预应力作用叠加后,右边墩柱的受力和变形最大。在第17、18施工阶段应力和变形曲线趋势变陡,主要是由该2个阶段的球铰竖向力增量较大引起的。进一步分析各墩竖向力的传力分配比例。如不考虑横梁纵向预应力作用,63号和64号墩的中墩柱均承担近50%的球铰竖向力,其余由两边墩柱承担。在横梁纵向弯曲预应力作用下,通过预应力的正弯矩作用将球铰竖向力由中墩柱转移至边墩柱上,63号和64号墩的中墩柱承担的球铰竖向力比例分别降至40%、37%。说明横梁纵向预应力的施加,不仅增加了横梁的纵向预压应力储备,同时调节了球铰竖向力在中墩柱和边墩柱之间的分配,预应力布置较合理。63号墩在桥梁施工全过程横梁顶面和底面的纵向应力分布见图8。由图8可知,横梁顶面的纵向压应力随着施工阶段一直增加,说明预应力和球铰竖向力都使横梁顶部受压。横梁底面的纵向压应力在球铰力正弯矩作用下减小,在预应力张拉时增大。64号墩上横梁的受力基本与63号墩一致。综上所述,在巨大球铰竖向压力、预应力和自重作用下,转体平台墩及横梁结构在施工全过程中受力合理,应力满足要求,结构安全。4预应力和变形的施工工艺通过对武汉市姑嫂树路高架桥转体平台墩的高空转体施工过程仿真计算,得出以下结论:(1)在巨大球铰竖向压力、预应力和自重作用下,转体平台墩墩身和横梁混凝土在各施工阶段的应力和变形均满足要求,结构安全。(2)对于M形的高空转体平台墩,利用横梁纵向弯曲预应力有效地将中墩