彭侃江西省交通设计研究院有限责任公司

摘 要：文章介绍某特大连续刚构桥的转体承台优化设计方案，优化前后承台应力影响分析以及承台最小厚度分析成果。模拟分析显示，基于规范计算获得的承台厚度偏于保守，通过有限元模拟计算，下承台厚度可减少55.56%，上承台厚度可减少38.89%；采取圆形承台设计，则下承台厚度可减少64.71%；采取外包钢板设计，则上承台厚度可减少66.67%。

关键词：桥梁工程;大吨位转体;转体承台;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 引言

随着转体施工技术发展和经验积累，桥转体跨径与吨位也在不断突破，这对转体承台设计不断提出更高要求。工程应用中，多数承台设计偏于保守，承台厚度余富过大，造成开挖基坑深度加大，不但增加基坑开挖和支护工程量，而且可能对关联线路形成更大扰动隐患。所以优化承台设计，获得安全适用的承台厚度，对保证桥梁质量安全、控制基坑开挖工程量、降低承台施工对既有线路影响以及节省工程造价，均具有工程实用意义。

1 承台优化设计方案

研究以某西溪连续刚构特大桥的转体承台作为工程背景，下承台采取桩基承台，其平面形状呈矩形，规格22.80×16.00×5.60 m，上承台长方形，规格15.00×15.00×3.50 m，中间为1.00 m高度的后浇段，桩基采取12根径值为2.80 m的钻孔灌注桩。

优化设计后的圆形承台其横截面积和厚度相等，承台下有9根桩径2.80 m的钻孔灌注桩，呈环状配置。为了保证承台旋转过程的整体稳定性和安全性，对承台外包钢板进行了改进，采取在钢板的内侧焊接栓钉，然后浇注混凝土工艺，外包钢板厚20.00 mm，使用Q345钢材，通过加工制成目标形态。

2 优化下承台设计的承台应力影响

为了研究优化下承台设计对承台应力的影响，根据等面积原则，将上承台的横截面统一配置为圆形。采取整体建模分析，模型中的所有节通过四面体过渡单元完成节点重合，其余节点通过映射网格进行划分，其有限元模型具体如图1所示。

图1 优化前后下承台有限元网络模型 下载原图

2.1 对称载荷下的承台应力影响(1）匀速旋转阶段。

在对称载荷和旋转牵引力的影响下，优化前后的承台，最大应力的发生位置大体相同，均在球铰接触边缘，承台上下表面应力集中的部位发生最大拉应力，最大拉应力值均低于材料强度要求，应力安全，优化前后的应变模拟结果如表1所示[1]。

数据显示，当下承台为圆形时，其最大拉应力下降24.00%，最大压应力下降21.00%，上承台拉压应力和局域拉应力的最大值变化不大。圆形承台的球铰应力更加均匀，接触应力为7.61～40.75 MPa之间，而原承台的最大接触应力44.34 MPa，增加了8.81%，承台垂向移位增加11.00%。采取球铰正下方配桩时，上承台没有影响，下承台的应力状态得到改进。

(2）加速运转阶段。

为了分析下承台优化设计后对承台加速运转阶段的应力影响，以最大旋转加速度为基础，表2给出了6个角加速度条件所对应的牵引力，以节点载荷的形式施加到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 优化前后的下承台自重载荷下的应力应变结果比较 下载原图

注：括号内的百分比系优化后相比原承台发生的应力改变。

分析显示，在加速旋转阶段，对称载荷和牵引力的共同影响下，下承台的角加速度优化前后，对拉伸应力呈现随加速度增大的影响，承台拉伸区域的最大应力也会加大，两者之间近似呈抛物线关系，上承台受拉区域的最大拉应力，优化前后基本相同。加速旋转阶段，角加速度变化对承台最大压应力影响很小，承台最大压应力呈总体一致的变化趋势。

2.2 不平衡载荷的承台应力效应影响

为了分析不平衡载荷的承台应力效应影响，以当前不平衡力矩为基准，把不平衡载荷分别设置为0 Mg、1 Mg、2 Mg、3 Mg、5 Mg、10 Mg，各工况载荷值具体如表3所示。分别将各工况所对应的不平衡力矩施加至有限元模型，以分析不平衡载荷对承台的影响，此模拟分析考虑结构自身重量载荷影响。

在不平衡载荷和旋转牵引的共同影响下，承台拉应力优化前后呈现基本一致的变化规律，都随不平衡力矩的加大而单调增加，因为球铰正下方是桩基，圆形承台的最大拉应力较原承台减小了约18.98%。随着不平衡力矩的加大，最大主压应力的变化则较小，优化前后下承台的最大压应力存在25.24%左右的差值。在不平衡载荷和旋转牵引的共同影响下，承台各结构部件的应力和形变结果对比如表4所示[2]。

数据对比可知，在不平衡载荷和对称载荷作用下，圆形承台和原承台外主要构件的应力都满足要求，均低于所选材料强度；在不平衡载荷条件下，圆形承台和原承台的应力值都大于对称载荷条件下的应力值，因为中桩作用，圆形承台的混凝土应力和垂向

形变均相对低于原承台。

3 优化上承台设计的承台应力影响3.1 对称载荷下的承台应力影响(1）匀速旋转阶段。

在对称载荷和旋转牵引力的共同影响下，上承台的底部压应力呈现从承台中心向外逐步加大的分布规律，在牵引盘区混凝土和球铰区混凝土的结合处达到最大，然后逐步减小。原承台的应力值处于6.05～13.23 MPa之间，因为外钢板对混凝土的箍紧作用，外包钢板承台应力比原承台更均匀，其最大压应力在11.34 MPa左右。另外承台周围的混凝土会产生拉力，可达0.208 MPa最大拉应力，该值低于混凝土C60的强度标准。在球铰传导的较大压力下，承台底部会产生巨大的拉应力，两者的分布规律基本相同，都是在球铰正下方获得最大拉应力，外包钢板承台为1.73 MPa，原承台为1.66 MPa，优化前后的上承台应力应变对比具体如表5所示。

数据显示，应用外包钢板承台时，因局域承压引发的拉应力，上承台的最大压应力均降低约14.00%，最大拉应力均降低了约26.00%，显示最大应力变化不大。因为外包钢板承台的整体垂向刚度比原承台大，所以外包钢板承台的垂向移位低于原承台，外包钢板承台的球铰接触应力的分布比较均匀。

(2）加速运转阶段。

为了分析上承台优化设计后对承台加速运转阶段的应力影响，以节点载荷的形式，将表3中的6个角加速度所对应的牵引力，分别施加至模型牵引节点，此处计算考虑了上部结构的自身重量载荷影响。角加速度的拉应力影响如下，上承台优化前后，承台局域受拉区域的最大应力随角加速度加大而加大，呈现抛物线变化。在相同的角加速度下，外包钢板承台的拉应力显著低于原承台的拉应力，当4×10-3rad/s2角速度条件下，外包钢板上承台的最大局域拉应力仍低于材料的许用应力，表明外包钢板承台足以保证安全转动。在加速旋转阶段，因为外包钢板的箍效应，混凝土应力显著低于原承台的应力。承台最大压应力随角加速度增加的变化影响很小，变化趋势基本一致[3]。

表2 与角加速度对应的牵引力值 下载原图

表3 各工况的不平衡载荷值 下载原图

表4 下承台优化前后自重载荷下的应力应变结果比较 下载原图

表5 优化前后下承台自重载荷下的应力应变比较 下载原图

3.2 不平衡载荷的承台应力效应影响

将表上述表3设定的6个不平衡载荷工况的对应力矩，加至有限元模型，模拟分析不平衡载荷的承台应力效应影响。模拟分析考虑上部结构的自身重量载荷。

在不平衡载荷和旋转牵引的共同影响下，随着力矩的加大，上承台拉力区逐步向偏心侧偏移，在偏心侧发生最大拉应力，不平衡载荷与最大拉应力呈现近似抛物线关系。在相同载荷条件下，优化前后的上承台拉应力增长速度存在较大差异。外包钢板承台的增长速度显著低于原承台的增长速度。当不平衡力矩为10倍时，外包承台发生的最大拉应力要比原承台低约29.77%，表明外包钢板不但能传导压力，而且还具有力平衡作用，即具有更强的适应不平衡载荷能力。随着不平衡力矩加大，上承台最大主压应力变化较小，因为混凝土受钢板约束，承台的最大压应力优化前后上相差约16.96%，在不平衡载荷和旋转牵引力作用下，承台构件应力应变模拟结果如表6所示。

比较表5和表6数据可知，外包钢板承台和原承台主要构件，在对称载荷和不平衡载荷下的应力均低于材料强度，符合工程安全需求。外包钢板承台的偏心侧和不偏心侧，在对称载荷作用下的应力差异并不大，而在不平衡载荷作用下，原承台的应力增加较多，表明外包钢板承台具有较强的适应不平衡载荷的能力。

表6 优化前后上承台自重载荷下的应力应变模拟结果比较 下载原图

4 承台最小厚度的取值分析4.1 下承台的最小厚度取值分析

应用ANSYS分析转体承台下承台的最小厚度，使承台厚逐渐减小，直至满足承载力要求，下承台最小厚度为承台在斜压杆达到设计抗压强度时的厚度，承台厚度计算结果如表7所示。

表7 优化设计前后的下承台厚度对比 下载原图

数据表明，下承台厚度的工程设计值和规范计算结果的误差为30%～33%，表明下承台厚度符合抗冲切规范要求，并且过多富余。与12桩的原承台模拟结果存在55.56%的误差，表明设计规范偏于保守，与9桩优化承台的模拟结果存在64.71%的误差，说明在桩数减少33%情况下，采取环形布桩和圆形承台仍可获得较大的承台载承力，所以旋转承台以在球铰下方布桩的效果更好。

4.2 上承台的最小厚度取值分析

外包钢板更有利于上承台。应用ANSYS分析转体上承台的最小厚度，使承台的厚度逐渐减小，直至满足载承力承载要求。上承台最小厚度取核心区最大混凝土压应力值或承拉局域最大混凝土拉应力值，承台厚度计算结果如表8所示。

表8 采取优化措施前后上承台厚度对比 下载原图

表中的数据表明，应用外包钢板法后，上承台厚度从1.80 m减少至1.50 m，减少了16.67%，表明钢板能有效提高承台的承载能力，防止承台产生局域拉伸破坏。还可以发现，设计厚度与模拟厚度存在38.89%～66.67%范围的误差，表明工程的设计厚度偏大。优化设计后上承台厚度被大幅度降低，工程中将一定程度降低开挖深度，从而利于降低对既有线路的施工影响。

5 结语

介绍了案例承台优化设计方案、优承台设计的上下承台应力影响以及承台最小厚度的取值分析结果。研究显示，在对称荷载影响下，当转速保持恒定时，优化前和优化后的承台及球铰所承受的最大应力均低于材料容许应力，优化设计功效明显，圆形承台的最大压应力降低24%，最大拉应力降低21%。采取钢板环箍设计，外包承台在同一角加速度下所承受的应力明显低于其他类型的承台，外包钢板承台具有更好地适应不平衡荷载的能力，基于规范计算获得的承台厚度偏于保守。通过有限元模拟计算，则下承台厚度可减少55.56%，上承台厚度可减少38.89%；采取圆形承台设计则下承台厚度可减少64.71%，采取外包钢板设计则上承台厚度可减少66.67%。

参考文献

[1] 朱向阳.桩基厚承台的试验研究与有限元分析[D].武汉:武汉理工大学,2006.

[2] 罗民声.大吨位刚构桥平转转动体系力学特性研究[D].重庆:重庆交通大学,2018.

[3] 刘诗文,王希.转体施工桥梁桩基承台设计方法[J].世界桥梁,2020(1):110-105.

声明：我们尊重原创，也注重分享。有部分内容来自互联网，版权归原作者所有，仅供学习参考之用，禁止用于商业用途，如无意中侵犯了哪个媒体、公司、企业或个人等的知识产权，请联系删除（邮箱：glyhzx@126.com），另本头条号推送内容仅代表作者观点，与头条号运营方无关，内容真伪请读者自行鉴别，本头条号不承担任何责任。