桥梁平转转体施工中球铰的数值模拟技术

【摘 要】T型刚构桥平转施工技术，是通过将上部构造浇筑完毕后，以桥梁结构本身为转动体，利用一些机具设备，转动到设计位置的施工技术。球铰是转体施工体系中最为关键的构造。本文通过有限元手段建立了一种转体转盘球铰构造的数值模拟方法，模拟分析结果为桥梁转体施工的数值模拟技术研究以及工程设计提供了参考依据。

【关键词】平转转体施工；抵的D夥椒ǎ蛔体牵引力

【Abstract】The bridge rotation construction is a kind of construction technology，which is when the superstructure is completed，using the bridge itself as the rotating body，to turn around to the design position by some equipment.The swiel hinge is the key structure of this construction.This paper presents the finite element analysis using ANSYS on the behavior of the swiel hinge in the bridge rotation construction.The solution of the simulation provides reference and practical base for the numerical simulation and the design of the bridge rotation construction.

【Key words】Bridge rotation construction；Swivel hinge；Numerical simulation

1 转体体系组成

平转转体结构由上转盘、球铰、下转盘和转动牵引系统组成：

转体下盘作为转体结构的基础，要承担上部结构下传的所有重量；转动球铰是平转施工体系的关键部位，它是转体结构向下传递荷载的直接承担者，它制作精度的高低关系到转体施工的能否成功。根据功能不同它又可细分为上球铰、下球铰和中心销轴三部分。上球铰支撑着整个转体结构，下球铰与基础相连，中心销轴控制这上下转盘的相对位置。当上球铰相对于下球铰水平转动时，带动整个转体结构完成转体。

2 数值模型模拟方法

2.1 模拟手段与分析内容

本文选用Ansys软件进行计算，只模拟球铰部分构造，采用shell单元模拟上下球铰，利用均布荷载模拟上部结构自重，上下球铰间建立接触单元模拟球铰接触。本节内容主要包括以下几个部分：1）计算球铰的受力情况，分析在不同的不平衡弯矩作用下的球铰受力，主要分析球铰间的正压力和摩擦力。2）根据正压力和摩擦力的计算结果计算球铰在有或无不平衡弯矩作用下的转动摩阻力矩，从而推算出转动牵引力。模型见图1。

2.2 接触单元罚刚度定义原则

Ansys分析中，接触单元罚刚度的取值决定了数值模拟的可靠性，本文中数值模拟分析原则是：在满足收敛的前提下，尽可能取较大的罚刚度值，且保证单元侵入度的数量级足够小，即模拟结果认为接触单元与目标单元相互间的侵入值基本可以忽略不计。本文模拟中，最终罚刚度取值为0.085。在该接触罚刚度取值下，单元侵入度量级在10-2mm以内。

2.3 数值模拟工况

工况一：单球铰支承-称重荷载

该工况为去除临时约束后，完全由球铰承担上部结构自重与不平衡力矩。根据称重结果，纵向不平衡弯矩为3552.1kNm，横向不平衡弯矩为2841.7kNm。

工况二：单球铰支承-分级荷载

该工况是为了研究在不同等级的不平衡力矩的作用下，球铰间接触受力情况。该分析结果有利于为今后的球铰受力提供理论依据。

3 结果与分析

3.1 工况一计算结果

图2显示了工况一作用下接触应力分布，可以发现应力不平衡弯矩作用使得接触压应力呈现不对称分布。球铰接触压应力整体分布趋势为中间大边缘小，接触中心处球铰接触压应力为16.2MPa，边缘位置处最小接触压应力为10.4MPa。且分布形式与加劲肋的分布形式有一定关系。

3.2 工况二计算结果

为了研究在不同的不平衡力矩作用下球铰的接触状态，应力等情况，对球铰进行分级加载计算。即在自重作用下，对结构施加不同级别的弯矩值。一共分为8个荷载等级，最大弯矩值为22000kNm。

根据以上计算分析结果，在没有偏心弯矩作用，只有竖向轴力作用时，整个球铰的接触压应力分布自轴心向两侧逐渐变小，其中，靠近轴心处最大压应力为16MPa，靠近边缘处最小压应力约为11.3MPa。同时，从压应力的分布图来看。球铰的加劲肋位置的接触压应力比无加劲肋位置的接触压应力大，而且越靠近轴心处这种应力集中趋势越明显，但是差异不会超过1MPa。

当逐级施加偏心弯矩作用后，接触压应力逐渐向一侧偏移。最后逐渐呈现一种环状型的应力梯度分布。当偏心弯矩达到临界最大摩阻弯矩值时，接触压应力最大值达到17.6MPa，分布在压应力增大侧的边缘位置。

4 结论与建议

本文提出了一种用数值模拟转体球铰的方法，通过不同等级的不平衡弯矩作用分析得到的结果，可以为不平衡力矩测试与球铰精细化分析提供参考依据。可通过测试球铰的实际应力值，结合数值模拟分析结果，反推结构的不平衡力矩，为纠偏措施提供参考依据。也可以通过数值模拟分析的结果，通过积分的方式精细化分析转动牵引力。本文仅提供了一种有效的模拟方法，而数值模拟计算结果有待与实测值进一步比较检验验证。

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