摘要：介绍某大型连续刚构桥旋转盖板优化设计方案、优化前后盖板受力影响分析及盖板最小厚度分析结果。仿真分析表明，基于规范计算得到的盖板厚度偏保守，通过有限元仿真计算，下盖板厚度可减小55.56%，上盖板厚度可减小38.89%；若采用圆弧盖板设计345钢材的设计值，下盖板厚度可减小64.71%；若采用外置钢板设计，上盖板厚度可减小66.67%。
关键词：桥梁工程；大吨位转体；转帽；优化设计；应用研究；
作者简介：彭侃(1973-)，男，本科，工程师，从事交通设计工作。；
0 前言
随着转体施工技术的发展和经验的积累，桥梁转体跨度和吨位也在不断突破，对转体桥台设计不断提出更高的要求。在工程应用中，多数桥台设计保守，桥台厚度过大，导致开挖坑深度增加，不仅增加了开挖和支护工程量，而且可能对相关线路造成较大的扰动危害。因此，优化桥台设计，获得安全适用的桥台厚度，对于保证桥梁质量安全、控制开挖工程量、减少桥台施工对既有线路的影响、节省工程造价具有现实的工程意义。
1.基础优化设计
研究以西溪某连续刚构特大桥旋盖为工程背景，下承台采用桩基础承台，平面形状为矩形，规格为22.80×16.00×5.60 m；上承台为矩形，规格为15.00×15.00×3.50 m，中间设有高1.00 m的后浇段，桩基础采用12根直径为2.80 m的钻孔灌注桩。
优化后的圆形承台截面积与厚度相等，承台下设有9根直径为2.80 m的钻孔桩，呈环状排列。为保证承台旋转过程中的整体稳定和安全，对承台外侧钢板进行了改进，在钢板内侧焊接栓钉后浇注混凝土，外侧钢板厚度为20.00 mm，材质为Q345钢材，加工成目标形状。
2. 基座应力对优化基座设计的影响
为研究优化下支座设计对支座应力的影响，按等面积原则将上支座横截面统一配置为圆形。采用整体建模分析，模型中所有节点通过四面体过渡单元完成节点搭接，其余节点采用映射网格划分。有限元模型如图1所示。
图1 优化前后下部承重平台有限元网络模型原图下载
2.1 对称荷载作用下地基应力的影响 (1) 匀速旋转阶段。
在对称荷载和旋转牵引作用下，优化前后桥台最大应力出现的位置大致相同，均位于球节点接触边缘处。最大拉应力出现在桥台上下表面的应力集中点处。最大拉应力值均低于材料强度要求，应力处于安全范围。优化前后应变模拟结果如表1 [1] 所示。
数据显示，当下承台为圆形时，其最大拉应力减小24.00%，最大压应力减小21.00%，上承台拉压应力及局部拉应力的最大值变化不大。圆形承台球接头应力更加均匀，接触应力在7.61~40.75 MPa之间，而原承台最大接触应力为44.34 MPa，增大了8.81%，承台竖向位移增大了11.00%。当在球接头正下方布置桩时，上承台无影响，下承台应力状态得到改善。
（2）加速阶段。
为了分析下部底座优化设计对底座加速运行阶段应力的影响，表 2以最大转动加速度为基础，给出了6种角加速度工况对应的牵引力，以节点载荷的形式施加在整个模型的牵引节点上，并考虑了上部结构的自重载荷。
表1 优化前后下承台自重荷载作用下的应力-应变结果对比下载原图
注：括号内百分比为优化后相对于原地基的应力变化量。
分析表明：在加速旋转阶段，在对称载荷和牵引力的共同影响下，随着加速度的增大，优化前后下盖板角加速度对拉应力均有影响，盖板受拉区域最大应力也会增大，两者呈近似抛物线关系。优化前后上盖板受拉区域最大拉应力基本相同。在加速旋转阶段，角加速度的变化对盖板最大压应力影响不大，盖板最大压应力整体呈现一致的变化趋势。
2.2 不平衡荷载对桩帽应力的影响
为了分析不平衡载荷对盖帽应力效应的影响，在当前不平衡矩的基础上，分别将不平衡载荷设置为0 Mg、1 Mg、2 Mg、3 Mg、5 Mg、10 Mg。各工况载荷值如表3所示。将各工况对应的不平衡矩施加到有限元模型中，分析不平衡载荷对盖帽的影响。本次仿真分析考虑了结构自重载荷的影响。
在不平衡荷载和旋转牵引的共同作用下，承台拉应力在优化前后呈现出基本一致的变化规律，且随着不平衡弯矩的增加而单调增加。由于桩基础位于球形接头正下方，圆形承台的最大拉应力与原承台相比减小了约18.98%。随着不平衡弯矩的增大，最大主压应力的变化较小，优化前后下部承台的最大压应力相差约25.24%。在不平衡荷载和旋转牵引的共同作用下，承台各结构件的应力与变形结果对比如表4 [2]所示。
数据对比表明，在不平衡荷载和对称荷载作用下，圆形承台及原承台外侧主要构件的应力均满足要求，且均低于所选材料强度；在不平衡荷载工况下，圆形承台及原承台的应力值均大于对称荷载工况下的应力值。由于中桩效应，圆形承台的混凝土应力及竖向应力
变形量较原地基相对较小。
3.上盖设计优化对盖帽应力的影响3.1对称载荷下盖帽应力的影响(1)匀速旋转台。
在对称荷载和旋转牵引的共同作用下，上承台底部压应力由承台中心向外侧逐渐增大，在牵引板区域混凝土与球缝区域混凝土交界处达到最大值，随后逐渐减小。原承台应力值在6.05～13.23 MPa之间。由于外钢板对混凝土的紧缩作用，外钢板承台应力较原承台更加均匀，其最大压应力约为11.34 MPa。另外，承台周边混凝土会产生拉力，最大可达0.208 MPa，低于C60混凝土的强度标准。在球缝传递的巨大压力下，承台底部将产生巨大的拉应力。两者的分布规律基本相同。 球铰正下方获得最大拉应力，外钢板帽为1.73 MPa，原帽为1.66 MPa。优化前后上帽应力-应变对比见表5。
数据显示，采用外钢板帽后，由于局部受压产生的拉应力，上帽最大压应力减小约14.00%，最大拉应力减小约26.00%345钢材的设计值，说明最大应力变化不大；由于外钢板帽整体竖向刚度大于原帽，外钢板帽竖向位移小于原帽，外钢板帽球节点接触应力分布比较均匀。
（2）加速阶段。
为分析上承台优化设计对承台加速运行阶段应力的影响，将表3中6个角加速度对应的牵引力以节点荷载的形式施加到模型的牵引节点上。计算中考虑了上部结构自重荷载的影响。角加速度对拉应力的影响如下。上承台优化前后，承台局部受拉区域最大应力随角加速度的增大而增大，呈抛物线型变化。在同样的角加速度下，外钢板承台拉应力明显低于原承台拉应力。在4×10-3rad/s2的角速度下，外钢板承台局部最大拉应力仍低于材料的许用应力，说明外钢板承台足以保证安全转动。在加速转动阶段，由于外钢板的箍筋作用，混凝土应力明显低于原承台应力。 帽盖最大压应力对角加速度的变化影响较小，变化趋势基本相同[3]。
表2 角加速度对应的牵引力值下载原图
表3 各工况不平衡载荷值下载原图
表4 下承台优化前后自重荷载作用下的应力应变结果对比下载原图
表5 优化前后下承台自重荷载作用下的应力应变对比下载原图
3.2 不平衡荷载对桩帽应力的影响
将上述表3设置的6种不平衡荷载工况对应的弯矩加入有限元模型中，模拟分析不平衡荷载对顶盖应力效应的影响，模拟分析考虑了上部结构的自重荷载。
在不平衡荷载和旋转牵引的共同作用下，随着弯矩的增加，上承台受拉区逐渐向偏心侧移动，最大拉应力出现在偏心侧。不平衡荷载与最大拉应力呈现近似抛物线关系。相同荷载条件下，优化前后上承台拉应力增长率存在较大差异，外钢板承台增长率明显低于原承台，当不平衡弯矩为10倍时，外钢板承台最大拉应力较原承台降低约29.77%，说明外钢板不仅能传递压力，还具有力的平衡作用，即适应不平衡荷载的能力更强。随着不平衡弯矩的增加，上承台最大主压应力变化不大，这是因为混凝土受到了钢板的约束。优化前后承台最大压应力相差约16.96%。 在不平衡荷载和旋转牵引作用下，帽盖部件的应力-应变模拟结果如表6所示。
对比表5、表6数据可知，外钢板帽与原帽在对称荷载和偏载作用下主要构件的应力均低于材料强度，满足工程安全要求。对称荷载作用下外钢板帽偏心侧与非偏心侧的应力差异不大，而在偏载作用下，原帽的应力增加较多，说明外钢板帽适应偏载的能力较强。
表6 优化前后上部平台自重载荷作用下的应力-应变模拟结果对比下载原图
4 帽盖最小厚度取值分析 4.1 下帽盖最小厚度取值分析
利用ANSYS对旋转帽下盖的最小厚度进行分析，使帽厚度逐渐减小直至满足承载力要求。下盖最小厚度即为斜撑达到设计抗压强度时的帽厚度。帽厚度计算结果见表7。
表7 优化设计前后下平台厚度对比下载原图
数据显示，下承台厚度的工程设计值与规范计算结果误差为30%~33%，说明下承台厚度满足抗剪规范要求且偏大；与原承台12根桩的模拟结果误差为55.56%，说明设计规范偏保守；与优化后承台9根桩的模拟结果误差为64.71%，说明在桩数减少33%的情况下，采用环形桩和圆形承台仍能获得较大的承台承载力，因此采用旋转承台将桩布置在球接头下方为佳。
4.2 上部平台最小厚度分析
外侧钢板更利于上承台，利用ANSYS对旋转上承台的最小厚度进行分析，使承台厚度逐渐减小直至满足承载力要求。上承台的最小厚度为核心区最大混凝土压应力值或受拉区最大混凝土拉应力值。承台厚度计算结果见表8。
表8 优化措施前后上部平台厚度对比下载原图
表中数据表明，应用外钢板法后，上承台厚度由1.80 m减小至1.50 m，减小量为16.67%，说明钢板能有效提高承台承载力，防止承台局部拉伸破坏。同时可发现设计厚度与模拟厚度存在38.89%~66.67%的误差，说明本工程设计厚度偏大。优化设计后，上承台厚度大大减小，工程开挖深度将一定程度减小，有利于减少施工对既有线的影响。
5 结论
介绍了机壳盖的优化设计方案、优化后盖上、下盖的应力影响及盖最小厚度取值的分析结果。研究表明：在对称载荷作用下，当转速不变时，优化前后盖及球头所承受的最大应力均低于材料的许用应力，优化设计是有效的，圆形盖最大压应力降低24%，最大拉应力降低21%。采用钢板箍设计后，相同角加速度下外盖所承受的应力明显低于其他类型盖，外置钢板盖具有更好的适应不平衡载荷的能力。根据规范计算得到的盖厚度偏保守，通过有限元仿真计算，下盖厚度可减小55.56%，上盖厚度可减小38.89%； 采用圆形盖板设计，下盖厚度可减少64.71%，采用外置钢板设计，上盖厚度可减少66.67%。
参考
[1]朱向阳.厚桩基础试验研究及有限元分析[D].武汉:武汉理工大学,2006.
[2]罗敏生.大吨位刚构桥水平旋转体系力学特性研究[D].重庆:重庆交通大学,2018.
[3]刘诗文,王曦.旋转桥梁施工桩基承台设计方法[J].世界桥梁,2020(1):110-105。
