转体桥梁上下转盘预应力设计

Design of Prestressed Bearing Platform for Swivel Bridges

摘要: 随着经济的发展越来越多的地方建设项目需要上跨铁路，根据中国国家铁路集团有限公司工电部《关于加强穿(跨)越铁路营业线和邻近营业线工程方案等审查和施工安全管理的通知》(工电桥房函48号)和《中国铁路成都集团有限公司涉铁工程管理办法》(成铁办[2021] 201号)等相关规定中均要求公路、城市轨道交通和道路上跨铁路桥梁施工应优先采用转体施工方案，上跨桥设计中除了需要关注转体系统的设计外还应特别注意的就是上下转盘的配筋设计，本文通过有限元软件对上下转盘的计算分析，得到了上下转盘预应力钢束的配置提升了结构抗裂性能和承载能力的相关结论。

Abstract: With the development of the economy, more and more local construction projects need to cross railways. According to the Notice of the Ministry of Industry and Electricity of China National Railway Group Co., Ltd. on Strengthening the Review and Construction Safety Management of Engineering Plans for Crossing (Crossing) Railway Business Lines and Adjacent Business Lines and Management Measures for Railway Related Projects of China Railway Chengdu Group Co., Ltd., it is required that the construction of bridges crossing railways on highways, urban rail transit, and roads should prioritize the use of swivel construction schemes. In addition to the design of the swivel system, special attention should also be paid to the reinforcement design of the bearing platform in the design of the overpass bridge. This article uses finite element software to calculate and analyze the pile cap, and concludes that the configuration of prestressed steel tendons in the pile cap improves the structural crack resistance and bearing capacity.

1. 某项目概况

某城市次干路，设计时速50 km/h，根据道路的走向及线型布设要求需要跨越铁路。跨越处采用2~40 mT型刚构，施工方法为：铁路保护区外现浇T构后转体就位 [1] 。上部结构及桥墩系统转体重量为4000吨，桥墩设计为实体桥墩，采用钢制球铰系统，上转盘设计为直径7.7 m圆形结构，厚度2.0 m，下转盘设计为边长10 m正方形结构，厚度3.0 m。上下转盘均配置纵横向预应力钢束。目前国内多数设计单位在上、下转盘设计的时候，均采用上转盘设计为预应力混凝土结构，下转盘设计为普通钢筋混凝土结构的设计方法，在规范的计算中对上、下转盘按照承台进行计算时，仅需进行承载力和抗剪验算，不需要进行抗裂及裂缝计算 [2] 。本项目在设计时经过对上、下转盘受力的比较，决定采用上、下转盘结构均设计为预应力混凝土结构的方式，提高了转盘结构的抗裂性能。

2. 上转盘预应力有限元分析

项目上部结构及桥墩系统转体重量为4000吨，因为该桥位于平曲线上，曲线半径400 m，考虑后期平衡配重及混凝土浇筑等施工误差因素，采用转体荷载50,000 kN进行计算，转体荷载采用均布荷载施加于桥墩结构上。根据圣维南原理，上转盘建立模型的时候考虑了一定高度的桥墩结构。分析采用midas FEA NX软件进行，建立的模型如图1、图2。

Figure 1. Finite element model of the upper turntable

图1. 上转盘有限元模型

Figure 2. Schematic diagram of steel bundle arrangement for the upper turntable

图2. 上转盘钢束布置示意图

通过对上转盘在配置预应力钢束及不配置预应力钢束两种情况下进行应力对比，分析上转盘配置在两种不同工况下主拉应力、主压应力的改变，得出配置预应力钢束的必要性。上转盘纵横向均配置40束7f^s15.2预应力钢筋，张拉控制应力为0.72 f_pk。

2.1. 未配置预应力钢束时上转盘有限元分析结果

1) 主拉应力

Figure 3. Main tensile stress nephogram of the upper turntable

图3. 上转盘主拉应力云图 (N/mm²)

由图3可以看出，在未考虑撑脚接触滑道的情况下，上转盘在球铰支撑以外部分形成了悬臂受力情况，在上部转体荷载的作用下，主拉应力出现在上转盘靠上部分。模型中上转盘在未配置预应力时主拉应力数值较大处主要出现在转盘上部与桥墩衔接的位置，与悬臂结构受力分析一致，数值为2.25 Mpa。

2) 主压应力

Figure 4. Main compressive stress nephogram of the upper turntable

图4. 上转盘主压应力云图(N/mm²)

由图4可以看出，受到转体荷载和上转盘自重荷载的累加作用下，球铰部分为轴力最大部位。模型中上转盘在未配置预应力时主压应力数值较大处主要出现在球铰中心凸出区域内，在上转盘球铰底面与下转盘接触处出现较大主压应力。除转角局部突变及球铰底部边界约束处外，球铰其余部分主压应力数值大小约为0.69 Mpa~2.98 Mpa，随着距离球铰中心的距离越远，压应力逐渐变小。

2.2. 设置预应力时上转盘有限元分析结果

1) 主拉应力

由图5可以看出，配置预应力钢束后，在预应力荷载产生的压应力作用下，除预应力张拉区域出现局部拉应力超限外，结构内部拉应力分布较为均匀，最大主拉应力主要出现在上转盘靠近桥墩侧，约为1.43 Mpa (不含预应力张拉锚固区及桥墩荷载加载区)。

2) 主压应力

由图6可以看出，在配置预应力钢束后受预应力荷载产生的压应力作用下上转盘整体受压，结构中心位及球铰受力区域内出现较大的压应力。预应力荷载产生的压应力大于转体荷载和预应力不平衡弯矩产生的拉应力，转盘上部原受拉区域变化为受压区域，压应力约为0.15 MPa~0.72 MPa。球铰处最大主压应力约为5.83 Mpa，随着距离球铰中心的距离越远，压应力逐渐变小。

Figure 5. Main tensile stress nephogram of the upper turntable after setting prestress

图5. 设置预应力后上转盘主拉应力云图(N/mm²)

Figure 6. Main compressive stress nephogram of the upper turntable after setting prestress

图6. 设置预应力后上转盘主压应力云图(N/mm²)

2.3. 结果分析

由上述计算结果可知，在上转盘中设置预应力钢束，可有效改善上转盘受拉应力状态。

Table 1. Comparative analysis of stress results on upper bearing platform

表1. 上转盘应力结果对比分析

从表1可以看出设置预应力钢束，能有效的减少上转盘的主拉应力，虽然结构主压应力有所增加，但混凝土结构抗压性能良好，对于混凝土结构来讲减少拉应力对结构更为有利。

3. 下转盘预应力有限元分析

下转盘球铰荷载施加荷载为52422 kN (包含转体重量及上转盘自重及配重荷载)。球铰与下转盘相切表面积为9.85 m²。建立模型如图7、图8。

Figure 7. Finite element model of the lower turntable

图7. 下转盘有限元模拟

Figure 8. Schematic diagram of steel bundle arrangement for the lower turntable

图8. 下转盘钢束布置示意图

对下转盘在设置预应力及不设置预应力两种情况下进行对比，分析下转盘预应力钢束设置的必要性，以及其对下转盘受力情况的改善效果。下转盘纵横向共配置68束7f^s15.2预应力钢筋，张拉控制应力为0.72 f_pk。

3.1. 未设置预应力时下转盘有限元分析结果

1) 主拉应力

Figure 9. Main tensile stress nephogram of the lower turntable

图9. 下转盘主拉应力云图(N/mm²)

由图9可以看出，在上部球铰荷载的作用下，形成向下冲切锥体，在未设置预应力时主拉应力主要出现在中桩周边区域内，其中最大主拉应力出现在中桩外围，约为3.98 Mpa，随着距离中桩的距离越远，拉应力逐渐变小。

2) 主压应力

由图10可以看出，受上部球铰荷载的作用，球铰与下转盘接触部位表现为局部受压状态，在未设置预应力时主压应力主要出现在球铰与下转盘接触区域内，最大主压应力约为4.26 Mpa，随着距离球铰中心的距离越远，压应力逐渐变小。

3.2. 设置预应力时下转盘有限元分析结果

1) 主拉应力

由图11可以看出，设置预应力后，在预应力荷载产生的压应力作用下，除预应力张拉区域出现局部拉应力超限外，其余部分拉应力分布较为均匀，最大拉应力约为0.63 Mpa (不含预应力张拉锚固区)。

Figure 10. Main compressive stress nephogram of the lower turntable

图10. 下转盘主压应力(N/mm²)

Figure 11. Main tensile stress nephogram of the lower turntable after setting prestress

图11. 设置预应力后下转盘主拉应力云图(N/mm²)

2) 主压应力

Figure 12. Main compressive stress nephogram of the lower turntable after setting prestress

图12. 设置预应力后下转盘主压应力云图(N/mm²)

由图12可以看出，在设置预应力后预应力荷载产生的压应力使下转盘整体受压，最大压应力主要出现在球铰与下转盘接触区域内，转盘下部在预应力作用下原拉应力区域应力改善明显。球铰处最大主压应力约为5.8 Mpa，随着距离球铰中心的距离越远，压应力逐渐变小 [3] 。

3.3. 结果分析

由上述计算结果可知，在转体下转盘中设置预应力，可有效改善下转盘受拉应力状态。

Table 2. Comparative analysis of stress results of lower bearing platform

表2. 下转盘应力结果对比分析

由表2可以看出下转盘设置预应力钢束，主拉应力减少的幅度值更加优于上转盘，压应力增加幅度较小，压应力安全系数较大。

4. 结论及建议

根据上述结果可知：

1) 上转盘在未设置预应力时上部受拉下部受压，设置预应力后上部拉应力明显降低。但本项目实例预应力设置在上转盘中部位置，对整体拉应力改善效果仍未达到最佳理想状态，建议上转盘在设置预应力时位置更靠近转盘受拉区域处，拉应力改善效果可更加显著。

2) 在上转盘结构在考虑撑脚接触滑道的情况下，结构内力与本项目上转盘分析的内力情况不一致，需要根据实际的受力将预应力钢束配置在受拉区域处。

3) 下转盘在未设置预应力时上部受压，下部受拉，设置预应力后下部拉应力明显降低，整体结构基本处于受压状态，且压应力分布较为均匀。下转盘预应力设置位置位于下转盘底部，位于下转盘受拉区域，拉应力降低效果显著。

4) 实际分析中如需要更加精确的分析上下承台的受力，可以在模型中耦合普通钢筋，本项目中未考虑普通钢筋的作用对结构安全更加有利。

综上所述，上、下转盘在进行转体设计时，预应力钢束配置是十分有必要的，特别对于大吨位转体桥梁尤为重要，可明显改善上、下转盘受力状态。在配置预应力钢束时，上、下转盘预应力钢束均应该设置于结构受拉区域处。