桥梁转体施工临时支座的设计与抗倾覆稳定性分析

2018-12-08王常峰窦国昆

铁道建筑 2018年11期

许超，王常峰，窦国昆，李颖

(烟台大学土木工程学院，山东烟台 264005)

近年来，为了降低桥梁施工对线下交通的影响，转体施工方法得到了广泛应用。对于非转体施工连续梁桥而言，其临时支座的设计只需要考虑梁体自重不均匀(如胀模等)及风荷载产生的影响，因此大部分只设有纵向钢筋。对于转体施工的桥梁而言，不仅需要考虑支架撤除后梁体自身静力对临时支座产生的影响，还需要考虑桥梁转体启动过程中的角加速度。因此，对于转体施工桥梁，临时支座设计必须考虑其启动阶段产生的切应力的影响。

张文学等[1]做了关于转体时环境风速及转速对临时固接结构附加荷载效应的研究，但是只考虑了环境风速和转速对临时支座受力的影响，没有考虑到转体施工过程中角加速度对临时支座结构的影响。本文应用理论力学及材料力学理论对桥梁转体施工启动阶段产生的扭矩进行推导分析，将其简化为临时支座所受的切应力问题;对比计算了考虑箍筋与不考虑箍筋2种状态下临时支座的承载力;对桥梁转体施工过程中角加速度的影响进行了分析，进而为转体施工的临时支座验算提供参考[2-5]。

1 加速转动阶段临时支座受力分析

转体施工时，梁桥在牛腿底端承受反向水平牵引力作用，当牵引力矩大于上下转盘之间的摩阻力矩时，梁桥整体开始加速旋转。因此，在进行临时支座力学行为研究之前，作如下假设[6]：

1)假定转盘之间接触面光滑平整，转体过程中润滑材料的属性不发生改变，即转体过程平稳，不发生主梁颠簸。

2)不考虑转体过程中大气温度变化，认为转体过程中主梁上下缘温度不改变，同时不考虑转体过程中风的影响。

3)不考虑转体角加速度变化对临时支座受力的影响，只研究一定角加速度下临时支座受力性能。

1.1 转体施工产生的扭矩

根据理论力学刚体绕定轴z的转动，建立转角φ与时间t的运动方程

φ=f(t)

(1)

刚体的瞬时角加速度计算式为

(2)

假定不计转动过程的摩擦，约束力对z轴无力矩作用，则刚体绕定轴z的转动微分方程为

(3)

式中：Jz为转动惯量;Mz为力矩;n为质量块总数;Fi为第i个质量块所受的力。

设连续梁桥质量分布均匀，按照匀质细杆考虑，单位长度质量为ρ、长度为l的杆件对定轴z的转动惯量为

(4)

1.1.1 主梁悬臂根部(0号块)扭矩计算

主梁所受分布惯性力的计算图式见图1。

图1 主梁所受分布惯性力的计算图式

忽略悬臂根部主梁截面变化，计算横向弯矩值(扭矩)为

(5)

式中：l为梁体长度。

所以0号块在加速转动时产生的扭矩为

(6)

式中：l0为0号块长度;m0为0号块的质量。

1.1.2 现浇块(1～n号块)扭矩计算

由于转动轴不在现浇块质心处，故对转动惯量采用平行移轴定理

(7)

式中：Jzi为i号块对转动轴z的转动惯量；J0i为i号块对质心所在轴的转动惯量；mi为i号块的质量；di为i号块质心到z轴的距离。

对于现浇块段，由于其相对总体梁段来说较短，视作等截面，其自身转动惯量为

(8)

式中：li为i号块的长度。

所以1～n号块的转动惯量之和为

(9)

(10)

1.1.3 总扭矩计算

梁的总惯性矩Jz为

(11)

(12)

1.2 转体施工产生的扭矩

1.2.1 不考虑抗扭箍筋控制下的扭矩分析

按浇筑过程中主墩和主梁临时锚固布置，要求加速转动过程中临时支座切应力不超过施工应力。因控制截面均为矩形，在进行应力验算时，引入材料力学矩形截面纯剪切作用下的应力公式，临时支座切应力应满足

(13)

式中：A为单个临时支座的面积;Fs见式(14)。

将总扭矩Tz等效为作用在4个临时支座上的集中力产生的力偶，计算剪力作用下支座切应力。C50 混凝土许用切应力为1.89 MPa，由临时支座构造图中临时支座的尺寸计算得

(14)

式中：D为临时支座中心线距墩身中心线的距离。

1.2.2 考虑抗扭箍筋控制下的扭矩分析[7-8]

试验研究与理论分析表明，在裂缝充分发展且钢筋应力接近屈服强度时，构件截面核心混凝土不再起作用。因此，实心截面的钢筋混凝土受扭构件可以假想为箱形截面构件。

临时支座抗扭承载力Tu为

(15)

式中：Acor为混凝土核心面积；Asv1为箍筋单肢面积；sv为抗扭箍筋间距；fsv为抗扭箍筋抗拉强度值；ζ为受扭构件纵筋与箍筋的配筋强度比，见下式

(16)

式中：Ast,fsd分别为对称布置的全部纵筋截面面积及纵筋的抗拉强度设计值;Ucor为截面核心混凝土部分的周长，计算时可取箍筋内表面间的距离来得到。

1.2.3 对比分析[9-11]

对于本项目，由理论推导可知，在不考虑箍筋控制下切应力应满足

(17)

在考虑箍筋控制下单个临时支座的抗扭承载力应满足

Tz<4Tu

(18)

通过对比分析可以得出结论：考虑箍筋设计控制下的转动角加速度预警值要高于不考虑箍筋控制下的预警值，其转动角加速度相差约19.7%。因此对于转体施工临时支座来说，合理的箍筋设计能够有效提高支座的抗扭承载力。

2 工程概况及临时支座抗扭设计

梁体设计采用支架现浇法施工，分2次浇筑成型。梁体转体施工前，对临时支座的设计需要考虑梁体自重不均匀(如胀模等)产生的荷载以及风荷载的影响，同时还需要考虑支架撤除后梁体自重对临时支座的压力。

本桥主墩临时支座采用钢筋混凝土支座，设置于墩顶永久支座两侧。共设置4个钢筋混凝土临时支座。每个临时支座设置15束(3根1束)和9根直径32 mm的纵向钢筋，其中15束纵向钢筋分别布置在远离转动轴心的位置，可以更有效地抵抗转体施工过程中角加速度产生的扭矩。临时支座(见图2)内部还配置了6根直径16 mm箍筋和24根直径16 mm的拉筋，可以更有效地抵抗梁体自重产生的压力。