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黄永辉
（中铁第五勘察设计院集团有限公司郑州分院，河南 郑州 450000）
转体施工法主要利用牵引设备使得转体系统以上结构绕球铰中心整体旋转。转体施工能够在最低影响既有交通通行的情况下快速成桥。随着转体施工技术的成熟及不断更新发展，其适用性也越来越广。转体结构在跨越公路、铁路以及河流等地形复杂地段具有很大的优势，既安全又经济。为确保结构能够顺利转体，首先必须保证结构的整体稳定性，以寻求理想状态下能够平衡转体为先决条件。针对施工误差、曲线因素以及不平衡风荷载等偏心影响，应尽量采取措施，减少转体中心位置的不平衡弯矩，必要时可采取配重的方式平衡内在因素的影响；
对外在因素如风荷载应选择相对有利的天气进行转体。
作为特殊设计的转体系统，其上转盘内局部构件错综复杂，内部多采用纵横竖三相预应力交错布置，不可避免地大范围出现应力集中现象；
考虑其受力的复杂性，该位置必须作为设计控制的重点部位加以研究，相应内部所需零构件应由具有相应资质的单位提供并委托其进行现场指导实施，以确保转体过程顺利进行。根据相关文献的总结经验，球铰局部分析应结合弹性力学和接触力学共同解决其构件在转体过程中的空间受力模式。通过分析球铰局部的应力状态，以作为现实工程能够得以实施的理论基础。
以（2×60 m）T构下部结构主墩转体过程局部应力为研究对象。采用力学分析软件Midas FEA建立三维网格实体单元模型，通过应力结果分析研究局部构件在转体过程中的力学性能，以便为类似结构提供一定的参考价值。
研究项目为周口至南阳高速公路工程上跨漯阜铁路立交桥，项目在周口市商水县张庄乡南与漯阜铁路交叉，交叉处公路里程K2+391.400，铁路下行线里程K41+364.6，交角77.1°。拟建桥梁跨越铁路部分全宽28.4 m，其他部分与路基同宽，平面线形位于R=2 100 m圆曲线上，跨铁路主桥采用（2×60 m）T型刚构预应力混凝土整体式箱梁，邻近铁路联采用（30+30）m预应力混凝土装配式预应力混凝土箱梁，为减少桥梁施工对铁路运营的影响，跨铁路主桥采用转体法施工。（2×60 m）T构桥下部结构采用柱式墩、矩形空心墩。施工采用墩底平面转体法，转体长度为（55+55）m，转体重量为19 000 t。
主墩采用单箱双室单柱矩形空心墩，墩高9.0 m，壁厚1.5 m，横桥向宽度10.0 m，纵桥向宽度6.0 m。主墩承台厚5 m，其中转体施工阶段厚4 m，余下1 m在转体施工完成后现浇。承台平面尺寸为纵×横为16.8 m×19.0 m矩形截面，承台下设置20根Φ1.6 m钻孔灌注桩，桩长65 m，由于计算分析对象为转体过程中承台及球铰的受力情况，因此考虑较长构件对局部结果影响较小，取5 m的桩长进行分析。
桩基础顺桥向间距4.6 m，横桥向间距4.0 m。计算中采用的横断面图如图1所示。其中，墩柱、上转盘、承台均采用C40混凝土，桩基础采用C30混凝土［1］；
上、下转盘球铰钢板均采用Q345钢材［2-3］。
图1 转体系统横断面图（单位：cm）
计算设计荷载考虑转体重量、桥梁施工误差产生的偏心距以及风荷载［4］。
①转体重量：上部梁+墩身+上转盘+撑脚计=132 MN。
②施工误差产生的纵桥向偏心弯矩：考虑混凝土纵向不对称浇筑误差，偏心距离按0.20 m计。施工误差产生的偏心弯矩为：132 000×0.2=264 00 kN·m。
③转体施工时风荷载：风荷载如表1所示。由于纵向风力对结果的影响相对较小，本次设计未做考虑［5］。
表1 风荷载合计
运用Midas FEA建立主墩三维网格实体单元模型，其中混凝土构件采用实体（solid）单元模拟，球铰下钢板采用板单元（shell）进行模拟，上转盘钢束采用预应力钢筋梁单元模拟，单元参数根据各构件材料实际参数输入。另外，球铰上、下钢板的接触行为采用接触对进行模拟，贯穿类型为对称一般接触，刚度比例因子取4，摩擦系数取0.1；
撑脚与滑道间采用间隙单元进行模拟。桩底固结，承台下底面增加平面弹簧以模拟土弹簧约束［6］。模型如图2所示。
图2 转体系统Midas FEA三维网格实体单元模型图
4.1 上转盘主应力结果
图3为上转盘最不利组合工况下三维网格单元的主应力结果。由图3可知，上转盘混凝土主应力均为压应力，且转盘外缘大于转盘中心；
同时在偏心Y轴正方向的混凝土外缘压应力最大值达19.1 MPa，有明显增大。
图3 上转盘主应力图
4.2 球铰下钢板主应力结果
图4为球铰下钢板最不利组合工况下三维网格单元的主应力结果。由图4可知，球铰下钢板主应力均为压应力，且钢板外缘较大于钢板中心；
同时在偏心Y轴正方向的混凝土外缘压应力较正常荷载工况同样增大，负方向减小，最大值达63.0 MPa。
图4 球铰下钢板主应力图
4.3 主墩与转盘连接部位主应力结果
图5为主墩与转盘连接部位最不利组合工况下三维网格单元的主应力结果。由图5可知，最不利荷载工况下主墩与转盘连接处的主应力相差很小，其中，最大主拉应力为1.7 MPa，最大主压应力约为14.4 MPa。这主要是由于球铰通过摩擦水平位移实现转动，相当于铰接约束，能很大程度削弱偏心荷载在桥墩与上转盘连接处的弯扭效应。
图5 主墩与转盘连接部位主应力图
4.4 下承台主应力结果
图6为下承台混凝土最不利组合工况下三维网格单元的主应力结果。由图6可知，最不利荷载工况下下承台的最大主拉应力相差不大，其主要位于承台顶面球铰下钢板边缘位置，其中主拉应力最大值约为1.7 MPa。对于最大主压应力，均发生在承台顶面球铰下钢板位置，最不利工况主压应力最大值为19.5 MPa。
图6 下承台主应力图
通过对周口至南阳高速公路工程上跨漯阜铁路立交桥（2×60 m）T构下部结构主墩转体过程局部应力分析结果，分析总结如下。
①理想转体情况下上转盘混凝土基本能保证混凝土处于受压状态，然而综合考虑桥梁曲线影响、施工因素以及外部环境等影响，大多数情况下很难保证结构理想转体。在偏心荷载作用下，容易出现受力中心相较于外侧边缘有利的情况；
设计配筋上应同时加强外边缘钢筋布置。
②同上转盘混凝土受力情况相同，球铰下钢板的主应力亦基本处于受压状态；
同时偏心荷载同样会增大钢板的主压应力，由于同等情况下钢材相较于混凝土有良好的刚性，故线弹性理论满足基本受力即可。
③相对于上转盘和球铰下钢板，偏载效应对墩与转盘连接处的主应力影响则很小。
④下承台位置底面与中心桩连接处的主拉应力较大，偏心荷载基本由偏压侧桩身承担，结构设计时需要考虑偏载的影响，以确保结构安全，此外，同时考虑基础底部土的约束作用，在结构设计上更符合实际，建议设计上予以考虑。
转体施工作为一种常见的桥梁施工方式，在城市立交路段以及上跨铁路路段等情况下，考虑维持现有道路及铁路的正常运营，多采用转体法施工。因此，转体过程中的安全施工是整个桥梁结构能否达到设计目标的重中之重。本研究结合实际工程应用，通过一（2×60 m）T构下部结构主墩转体过程局部应力分析，研究其受力的安全性和合理性。通过结果分析，转体过程球铰部位应同时加强外边缘配筋布置，同时设计上应同时考虑偏心荷载作用的影响。为了更好地模拟转体过程中的受力情况，切合实际，建议考虑承台部位土层对构件的影响。此外，着重研究了转体结构在静力状态下的应力情况，未做转体过程中的动态分析效应。在今后的设计过程中若能够综合考虑动力作用，相信对实际工程的应用能够起到更有优势、更直观以及更高效的响应。最后，望本设计结果分析能对类似构件提供一定的参考价值。
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