郑万铁路上跨郑西客专联络线特大桥主桥转体结构分析

郑万铁路上跨郑西客专联络线特大桥主桥转体结构分析

贾宝红

(郑万铁路客运专线河南有限责任公司,郑州 450003)

摘 要：郑万铁路上跨郑西客专联络线特大桥为主跨138 m独塔斜拉桥,该桥位于半径1 400 m曲线上,采用国内最大横向偏心球铰(偏心距0.847 m),其可靠性与稳定性对保证施工安全至关重要。基于空间有限元软件Midas FEA分析转体结构在施工过程中的局部应力分布,并研究预应力筋对转体结构力学性能的影响。结果表明：(1)转体结构整体处于较低的应力状态,局部存在应力集中,可通过构造措施保证其力学性能；(2)预应力筋的配置可大幅减小由于局部承压而产生的拉应力,确保转体施工中上下转盘的结构安全；(3)通过设置预偏心,实现了转体施工在大跨度小曲线斜拉桥上的成功运用,降低了桥面配重和转体重力。上述研究成果可为同类型桥梁转体施工提供重要借鉴。

关键词：铁路桥；独塔斜拉桥；转体施工；横向偏心球铰；有限元

1 概述(图1)

郑万铁路上跨郑西客专联络线特大桥位于郑州市经济技术开发区，主要为跨越石武、郑西客运专线、107国道、南三环等控制点而设，其中主桥与郑西客运专线夹角17°。主桥设计速度160 km/h，为单线有砟轨道铁路桥。综合考虑桥梁方案的合理经济跨度[1-4]、施工风险[5]及净空要求，采用(32+138+138+32)m转体独塔斜拉桥。

图1 桥跨布置(单位：cm)

主桥线位于大纵坡及小半径曲线段，纵坡-29.100‰，曲线半径1 400 m，转体主梁悬臂长130 m，转体主梁全长260 m，为目前国内铁路最大跨度曲线转体斜拉桥[6]，并以球铰形心与主塔轴力偏心点重合为原则设置了国内铁路最大的横向偏心球铰[7，8]，横向偏心达0.847 m。

此外，本桥主墩下承台有DN1 200 mm水管及35 kV电力电缆横向贯穿通过，因此需要在主墩下承台内埋置1根φ1.50 m的钢套管作为水管及电力电缆的穿越通道。

考虑到本桥的上述特点，需要对转体结构进行详细分析与计算[9，10]，以保证其在整个转体施工[11-13]过程中的可靠与稳定[14，15]。

2 结构构造

2.1 整体构造

主桥上部结构采用单箱双室预应力混凝土箱形截面，桥面箱宽11.0 m，梁高2.5 m，主梁横断面如图2所示。全梁共设22道斜拉索横梁，斜拉索横梁与拉索位置对应设置。主塔桥面以上索塔采用倒Y形，桥面以下采用独柱形式，下塔柱与塔墩梁固结。塔底以上索塔全高90.00 m，桥面以上塔高61.00 m，桥面以下塔高29.00 m。索塔纵向宽度中上塔柱采用6 m等宽度布置，下塔柱由6 m线性加宽至10 m，索塔结构如图3所示。斜拉索采用空间双索面体系，扇形布置，全桥共22对拉索，梁上间距12 m，塔上索距(锚点竖向间距)1.8～3.0 m。

图2 主梁横断面(单位：cm)

图3 索塔构造(单位：cm)

2.2 转体结构

转动球铰采用成套产品，其竖向承载力160 000 kN，横向设置0.847 m偏心。球铰主要由上球铰、下球铰、滑动摩擦板、销轴、骨架组成。上转盘高3 m，有1.4 m厚承台，长和宽均为13 m，下转盘亦为桥塔的承台，厚5.5 m，有1根φ1.5 m钢套管贯穿通过，转体结构的布置详见图4。

2.3 预应力体系

由于球铰接触面占整个下转盘面积较小，整个下转盘处于局部承压状态，接触面两侧存在局部拉应力区域。因此通过配置纵向、横向预应力筋来改善上、下转盘的局部承压状态。预应力筋采用抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa、弹性模量Ep=195 GPa，公称直径为φj15.20 mm高强度、低松弛钢绞线，波纹管采用金属波纹管。其中上转盘纵、横向各配置25根15-φj15.20预应力筋，下转盘纵、横向各配置37根19-φj15.20预应力筋。上、下转盘的预应力筋布置详见图5。

3 转体结构有限元建模过程

采用空间有限元软件Midas FEA分别对上、下转盘进行空间分析。

图4 转体结构布置(单位：cm)

图5 转盘预应力筋布置(单位：cm)

3.1 上转盘计算模型

建立部分塔柱模型，其余部分以面荷载形式作用于塔柱截面顶部，上转盘有限元分析模型如图6所示。根据转体工作状态，确定模型转体前边界条件：撑脚底面竖向约束，转动球铰三向全约束。模型转体过程边界条件：转动球铰三向全约束。模型中除预应力筋采用线单元模拟外，其余结构均采用实体单元模拟。模型共有节点30 803个，线单元8 666个，四面体单元115 628个。

图6 上转盘有限元分析模型

3.2 下转盘计算模型

桥塔的承台亦为转体结构的下转盘。由于承台与桩基础在结构受力与变形上的相互影响，承台与桩基采用整体空间模型，基础为21根φ2.2 m钻孔桩，有限元分析模型如图7所示。桩基按摩擦桩设计，模型桩底采用固结处理，计算不考虑桩基横向及顺桥向刚度。上部结构荷载以面力形式作用于球铰滑板表面。模型共有节点75 564个，线单元20 461个，四面体单元239 476个。

图7 下转盘有限元分析模型

3.3 计算方案

3.3.1 上转盘

上转盘模型分为5个施工阶段进行计算：

(1)桥塔未施工，不张拉预应力；

(2)桥塔施工完成下塔柱下实体段后，上转盘张拉1/2预应力(第一批预应力)；

(3)桥塔施工至桥面后，上转盘张拉全部预应力；

(4)主梁支架现浇阶段，上转盘已张拉全部预应力；

(5)转体过程，上转盘已张拉全部预应力。

3.3.2 下转盘

下转盘模型同样分为5个施工阶段进行计算：

(1)桥塔未施工，不张拉预应力；

(2)桥塔施工至桥面(球铰力1：53 500 kN)，下承台张拉1/2预应力；

(3)桥塔施工完成后(球铰力2：94 700 kN)，下承台张拉全部预应力；

(4)主梁支架现浇阶段(球铰力3：96 200 kN)，下承台张拉全部预应力；

(5)转体过程(球铰力4：162 000 kN)，下承台张拉全部预应力。

除以上施工阶段计算外，增加未张拉预应力情况下转体过程的计算工况，以分析预应力筋对转体结构力学性能的影响。

4 计算结果

4.1 位移与变形

转体过程中上转盘和下转盘竖向变形如图8所示。从计算结果可知：上转盘结构整体最大竖向位移差0.7 mm，最大竖向位移在远离转动中心的边缘；下转盘结构整体最大竖向位移差5.3 mm，位于斜对角方向。转体结构的竖向变形较小，满足转体施工过程中的安全要求。

图8 竖向位移云图(单位：mm)

4.2 施工阶段应力

各施工阶段的最大主拉应力和最大主压应力统计见表1，对应的应力曲线见图9和图10。上转盘最大主拉应力除第一阶段位于上转盘顶部外，其余施工阶段均位于预应力锚固区，最大主压应力除第一阶段位于撑脚附近外，其余施工阶段均位于球铰与转盘交

接处。

表1 各施工阶段主应力MPa

施工阶段最大主拉应力最大主压应力上转盘下转盘上转盘下转盘1034029-081-0892188132-928-6683261268-111-8884256268-1419-8885253267-1639-1284

图9 各施工阶段最大主拉应力曲线

图10 各施工阶段最大主压应力曲线

下转盘最大主拉应力除第一阶段位于承台底部外，其余施工阶段均位于预应力锚固区，最大主压应力第一阶段位于桩顶，第二、三、四阶段位于水管洞口下部，第五阶段位于球铰与转盘接触处。由图表可以看出，主应力随施工阶段基本呈现递增趋势。施工阶段五转体过程中的主拉应力和主压应力云图见图11。

图11 转体过程中主应力(单位：MPa)

通过以上分析，上、下转盘在各施工阶段均保持良好受力状态，主拉应力、主压应力均小于铁路规范C55混凝土的容许值。

上转盘施工过程中最大主拉应力1.81 MPa(施工阶段5)，位于塔柱下实体段顶面，此区域经钢筋混凝土截面配筋检算通过。除此之外，上转盘表面最大主拉应力0.33 MPa，预应力钢束锚固区附近主拉应力2.61 MPa。最大主压应力16.39 MPa，发生于球铰与转盘交接部位，此部位材料为球铰钢板，满足抗压要求。除去球铰部位，其余最大主压应力值约10.4 MPa，满足规范要求。

下转盘施工过程中除去水管孔洞位置，最大主拉应力1.83 MPa，其中2.67 MPa为张拉锚槽应力集中(施工阶段5)，最大主压应力12.84 MPa(施工阶段5)，横向正应力最大1.38 MPa(施工阶段5)。水管穿过位置处，最大主拉应力2.41 MPa，发生于水管管壁(挨着球铰附近)，最大主压应力7.57 MPa，发生于水管洞口附近。均满足规范要求。

此外，本文通过将转体结构设置预偏心，消除了传统曲线偏心结构对转动体系上转盘的不利影响，上转盘变形及应力均得到有效改善，上转盘竖向变形差最大为0.7 mm。同时避免了在曲线梁桥面上设置过大配重引起的转体重力大幅增加、施工风险增大，以较小的经济代价满足桥梁施工安全和经济性。

4.3 预应力筋对转体结构的影响

未张拉预应力情况下转体过程中上、下转盘的最大主拉应力云图见图12。若不考虑预应力筋锚固区局部应力集中，未张拉预应力的上转盘上表面主要受拉，主拉应力最大约为0.70 MPa，而张拉预应力的上转盘上表面主要受压，局部主拉应力最大仅为0.17 MPa，减小约76%。未张拉预应力的下转盘下表面同样主要受拉，主拉应力最大达到5.08 MPa，不满足容许主拉应力2.97 MPa的限值要求，而张拉预应力的下转盘下表面主拉应力最大为1.83 MPa，减小约64%，并满足了规范要求。

图12 未张拉预应力转体过程中主应力(单位：MPa)

由此可见，通过在上、下转盘中配置15-φj15.2、19-φj15.2的预应力钢束可以消除上、下转盘局部拉应力超限的不利影响，控制上、下转盘的混凝土应力在-12.84～1.83 MPa范围内，使得在球铰偏心情况下，转体装置仍能正常工作。

5 结论

针对郑万铁路上跨郑西客专联络线特大桥主桥转体结构进行了分析计算，并得出如下结论。

(1)转体结构变形合理，没有发现局部的失稳或突变。

(2)结构整体应力状态较低，局部存在应力集中现象，主要位于球铰与转盘交接部位、水管管道及预应力锚固区，通过加强构造措施可以保证其力学性能。

(3)由于球铰接触面占整体转盘面积较小，转盘处于局部承压状态，接触面两侧存在局部拉应力区域。通过配置适当预应力筋可以很好地改善转体结构混凝土的应力状态，确保转体施工中上下转盘的结构安全。

(4)通过设置预偏心，实现了转体施工在大跨度小曲线斜拉桥上的成功运用，同时消除了曲线结构自身偏心，满足了满足转盘结构强度、稳定和转体施工的安全性。

(5)通过设置预偏心，降低了桥面配重和转体重力，降低了工程投资与转体风险。本文中的预偏心结构适用于所有转体存在偏心的桥梁结构，随着异形复杂桥梁越来越多，其应用前景将十分广阔。

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Analysis of the Rotary Structure of the Extra-long Bridge Crossing-over Zhengzhou-Xian Railway Line on Zhengzhou-Wanzhou Dedicated Passenger Tie-Line

JIA Bao-hong

(Zhengzhou-Wanzhou Railway Dedicated Passenger Line Henan Co., Ltd., Zhengzhou 450003, China)

Abstract：The bridge on Zhengzhou-Wanzhou dedicated passenger tie-line crossing-over Zhengzhou-Xian line is a single pylon cable-stayed bridge with a main span of 138m and is the longest railway curved cable-stayed swing bridge. The bridge located on a 1400m curve line is equipped with the largest lateral eccentricity spherical hinge (SH) in China, and its reliability and stability are of great importance to ensure the construction safety. The paper analyzes the stress distribution of the SH during the rotation construction based on the Midas FEA program. The effect of prestressed tendons on the mechanical property of the SH is also analyzed. Results indicate that: (1) the entire rotation structure is subject to a low stress with only some local stress concentration, which can be solved by some structural measures; (2) the tensile stress in some local areas can be greatly reduced by prestressed tendons so that safety rotation construction can be ensured; (3) the setting of eccentric displacement enables the application of rotation construction on the long-span small-curved cable-stayed bridge, thus, the additional weight on the deck and the swivel weight is greatly reduced. The above results may provide references for the construction of similar bridges.

Key words：Railway bridge; Single pylon cable-stayed bridge; Rotation construction; Lateral eccentricity spherical hinge; Finite element

收稿日期：2017-01-10；

修回日期：2017-02-10

作者简介：贾宝红(1966—)，男，高级工程师，1988年毕业于西南交通大学铁道工程专业，工学学士，E-mail：[e-mail]。

文章编号：1004-2954(2017)05-0065-05

中图分类号：U445

文献标识码：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.05.015