基于ABAQUS的钢筋混凝土T构转体结构有限元分析

摘要：针对某在建横跨铁路特大桥与铁路左右线相交，为了减少对既有铁路线运营的影响，采用在平行既有铁路线一侧挂篮浇筑2～64 m混凝土T构，再以主墩为中心将箱梁转动到桥位的转体施工方法。通过ABAQUS有限元分析软件对T构转体结构进行了全过程数值模拟，分析了转体施工过程中结构关键部位的应力分布，并与施工现场的实时监测数据进行了对比。结果表明：T构转体结构整体处于较低的应力状态，局部存在应力集中现象，可通过加强局部构造的方法保证转体结构的力学性能满足施工要求，从而保证转体施工的安全可靠。

关键词：T构转体结构；转体施工方法；有限元数值模拟；实时监测

中图分类号：TU375 文献标志码：A

0 引 言

为了减少对既有铁路运营的影响，某在建横跨铁路特大桥采用目前广泛应用的桥梁转体施工工艺，这种施工方法是将桥梁结构在非设计轴线位置制作（浇筑或拼接）成形后，利用摩擦因数很小的滑道及合理的转盘结构，通过转体就位的一种施工方法，其中以平转法应用最多[13]。这种施工方法具有结构合理、受力明确、力学性能优越、施工所需机械设备少、工艺简单、施工速度快、造价低等优点，能较好地克服在交通运输繁忙的既有公路或铁路上新建桥梁的困难，从而获得较好的经济效益和社会效益[45]。平转法的关键设备是由上转盘和下转盘构成的转动支承，其中，上转盘支承上部转体结构，下转盘与基础底盘相连，通过上转盘相对于下转盘的转动实现转体的目的。在转动过程中，由于外界施工条件的不断变化（风荷载），可能会使转体结构不平衡最终导致结构倒塌[69]。因此，为了保证转动支承安全可靠的运行，有必要对转体施工过程中结构关键部位的应力分布进行全过程有限元数值模拟和相应的数据监测。

1 工程概况

某在建横跨铁路特大桥采用在平行既有铁路线一侧挂篮浇筑2～64 m混凝土T构，再以主墩为中心将箱梁转动到桥位的施工方法，T构主墩设置在94#墩，位置关系如图1所示。转体T梁跨度64 m，转体高度13～20 m，转体质量达11 000 t。转体结构由下转盘、球铰、撑脚、上转盘、转体牵引系统组成，如图2所示。上转盘球铰直径4 100 mm，下转盘球铰直径3 800 mm，厚度均为40 mm，下转盘是支承转体结构全部质量的基础，转体完成后，与上转盘共同形成基础，下转盘采用C50混凝土。上转盘撑脚下方（下转盘顶面）设有1.1 m宽的滑道，滑道中心线半径4.5 m；每个转盘下设有6组撑脚，每组撑脚为双圆柱形，下设30 mm厚钢走板，双圆柱为2个800×24的钢管，撑脚内灌注C50无收缩混凝土，并在撑脚走板下支垫20 mm厚钢板、四氟组合垫板（16 mm厚钢板+表层4 mm厚四氟板），转体前抽掉垫板，并在滑道面内铺装3 mm厚不锈钢板。

2 监测方案及监测结果

为确保该桥的施工质量和安全，保证施工进度，有必要在各施工阶段对转体关键部位进行应力、应变监测，根据监测的实际情况指导和配合现场施工。

2.1 监测内容

施工过程中尤其是在施工支架完全拆除后以及结构转体过程中，转动体系的重心控制、T构双侧质量平衡控制对施工安全性起着至关重要的作用。若在施工过程中能实时监测到转动体系的偏心状况，则可为过程安全和纠偏提供依据，从而采取针对性的平衡配重措施。

2.1.1 下转盘应力监测

通过在下转盘的球铰下方混凝土中布置应变传感器，可了解在转体荷载作用下下转盘内部混凝土的应力及其变化状况，从而有效反映出转动体系重心位置的偏心状况，为重心调整、转动期间重心控制提供理论依据。另外，销轴正常状态时不受力，若考虑转体结构有较大偏心时销轴接触受力，为安全起见，也可对其进行应力监测，可根据场地情况许可，在销轴内部布置一定数量的应变传感器。具体布置方法现场确定。

2.1.2 墩柱应力监测

转体墩墩柱既是桥梁永久结构中的墩柱，也是桥梁在转体前转动体系全部重量的承受结构，为保证转动体系的平衡，桥墩自身垂直精度的控制至关重要，在施工时要加强监控。

2.2 监测方法

2.2.1 下转盘应力监测

下转盘应力监测采用埋入式智能弦式数码应变计JMZX215，测点主要布置在下球铰下方的核心混凝土处，测点布置如图3（a）所示，其中，销轴正下方混凝土中布置1个测点，下球铰周边下方混凝土布置8个测点，共9个测点。施工的各个阶段（包括上转盘浇筑前后、桥墩施工段、箱梁各施工段浇筑完毕 支架脱离前后、转体施工前后、合龙段浇筑前后）

下转盘核心混凝土处应力均要监测。

2.2.2 转体墩墩柱应力监测

转体墩墩柱应力监测采用埋入式智能弦式数码应变计JMZX215，测点布置在距承台顶面约1.2 m横截面处，如图3（b）所示，共计14个测点。

2.3 监测结果

下转盘和墩柱中埋设的是混凝土应变仪，根据实际测得的应变和混凝土弹性模量（这里没有扣除非应力应变，如收缩徐变、温度等的影响），计算得到的应力如表1，2所示。各阶段施工过程中，在大小里程2个方向均没有大的差异，表明T构两端一直处于较平衡的状态，保证了施工过程的安全，也为后续称重、转体施工提供了良好的基础。3 有限元数值模拟

3.1 材性参数

本文采用大型通用有限元分析软件ABAQUS[10]对T构转体结构进行了全过程数值模拟，其中钢筋采用理想弹塑性模型，材性参数参考中国现行《钢结构设计规范》（GB 50017―2003）[11]，取值如表3所示；下转盘型钢骨架和滑道采用等边角钢，材性参数如表4所示；混凝土的材性参数参考中国现行《混凝土结构设计规范》（GB 50010―2010）[12]，取值如表5所示[1314]。对于混凝土的本构模型，各国学者提出了各种理论进行分析，如弹性理论、非线性弹性模型、塑性理论、断裂理论以及损伤理论等[1516]，本文混凝土本构模型采用ABAQUS软件自带的混凝土损伤塑性模型（Concrete Damaged Plasticity，简称CDP）进行模拟，其中膨胀角和粘性系数的取值参考文献[17]，分别取30°和0.005，偏心率、混凝土双轴极限抗压强度与单轴极限抗压强度的♡比值fb0/fc0及不变应力比K取ABAQUS用户手册默认值，分别为0.1，1.16，0.666 7，其本构关系采用《混凝土结构设计规范》中的单轴受拉和单轴受压的应力应变曲线。 3.2 单元网格划分

在有限元模型中，混凝土采用三维实体线性减缩积分单元C3D8R，这种单元位移计算结果较精确，节点应力精度低于完全积分单元，不过计算时间大℉幅短于完全积分单元，并很好地适用于网格细化。划分单元网格时，对高应力梯度的部件，如上转盘球铰、下转盘球铰、接触部分混凝土，采用局部细划网格的方法；对应力梯度相对较小的部件和不关心的部件，如外围混凝土，则采用相对较粗的网格，其计算结果与整体划分很细网格的计算结果相近，却大幅节省了计算所需的CPU时间。下转盘型钢骨架和滑道部件采用线框单元，角钢采用桁架单元T3D2，普通钢筋和预应力钢筋采用梁单元，桥墩和转体结构钢筋布置较规则，采用钢筋层建模，各部件和结构整体网格划分结果如图4，5所示。

3.3 连接相互作用

角钢之间的连接近似成铰接，在ABAQUS中，一般情况下不需要对铰接区域进行精确模拟，而只需要定义各个构件在铰接点上的约束关系即可，常用的方法有方程约束和连接单元[10]，本文采用第2种方法模拟角钢之间的铰接连接。对于受拉或受压的角钢，不考虑偏心带来的弯矩和扭转，因而角钢内力与截面形式无关，只需为其赋予梁截面属性，而不需要定义梁截面方位。

在ABAQUS中，钢筋混凝土结构的钢筋单元有3种模拟方法，分别是：①添加单独的钢筋单元；②通过嵌入方式将钢筋桁架单元嵌入混凝土体单元中 ，程序可以自行耦合相关的自由度；③在梁、壳单元中通过定义钢筋单元模拟钢筋或定义钢筋层单元模拟钢筋层，并通过嵌入技术将钢筋层埋入混凝土中，实现钢筋和混凝土之间的摩擦接触。

结合本项目钢筋布置较多、较密的特点，如果采用方法①和方法②来模拟钢筋单元，工作量太大，不现实，因此采用方法③来模拟钢筋单元，型钢骨架和型钢滑道也是通过嵌入技术来模拟角钢和混凝土之间的相互作用。转体结构中上下球铰的接触采用面面接触，定义切向的摩擦因数为0.06，法向采用“硬”接触，这种接触能够传递的接触压力大小不受限制，并且当接触面的压力变为负值或者0时，2个接触面就发生分离，因此，这种接触能够较为真实地反映上下球铰的接触关系。对主梁、主墩等混凝土转盘以上部分单独建立部件，最终合并为一个部件，减少了部件之间的接触问题，易于收敛，且对计算结果影响不大。

3.4 荷载边界条件

结构所受荷载分为两部分：一部分是转体施工前上转盘和混凝土T构的自重，根据浇筑的先后顺序全部施加在下转盘的球铰处；另一部分是转体施工过程中下转盘球铰处产生的摩擦力，本文利用面面接触来模拟转动时上下球铰的接触，摩擦因数取0.06，转动台底部则采用完全固接的边界条件。施工全过程分析采用静力、通用分析步，在模拟T构转动时，在距主梁跨中上方4 m处建立参考点，将主梁跨中与参考点耦合，并将转动位移施加在参考点上，转动速度为0.01 rad・min-1，真实地模拟混凝土T构转体施工全过程。对下转盘混凝土，依据实际情况采用固接的边界条件。

3.5 有限元分析结果

有限元分析结果如图6所示。从图6中可以看出，下转盘核心混凝土和下球铰应力值分布在5～10 MPa之间，应力分布呈现出下球铰外围和与下球铰外围接触部分的混凝土应力值较大，其他部分的应力值较小，且均处于弹性阶段，分析其原因主要是上部球铰尺寸大于下部球铰，使得上部结构呈现出类似于悬臂的效应，从而使得球铰边缘处应力增大。下球铰表面有几处应力集中点应力值达到180 MPa，主要是网格划分产生的奇异点引起的，在施工中不予考虑。值得注意的是，上转盘球铰的纵向和径向加劲肋呈现出较大的应力，接近屈服强度，而圆盘处的应力则相对较小。分析其原因主要是上转盘混凝土刚度较小，导致T构转动过程中纵向和横向加劲肋出现了较大的变形，因此有必要提高上转盘混凝土的刚度。

鉴于此，在原有模型的基础上对上转盘混凝土配置预应力筋，在纵向和横向分别配置24根和28根1275高强度低松弛预应力钢绞线，张拉控制应力为1 302 MPa，竖向预应力筋采用32冷拉IV级精扎螺纹钢筋，张拉控制应力为590 MPa。在ABAQUS中施加预应力的方法有初始应力法、初始应变法、降温法等，本文采用降温法模拟预应力筋，即给钢筋单元设置一个初始温度值，然后在施加预应力阶段给定钢筋单元一个降温数值，使钢筋产生收缩变形，钢筋单元和混凝土单元的节点位移协调使混凝土产生了预压应力。所需降温数值计算公式如下

ΔT=FEAδ

（1）

式中：ΔT为降温数值；F为张拉控制应力；E为预应力弹性模量；A为预应力筋截面面积；δ为预应力筋线膨胀系数。

配置预应力筋后，预应力筋的应力云图和上转盘球铰应力云图分别如图6（g），（h）所示。现取上转盘球铰外围10个节点，比较配置预应力筋前后的应力变化情况，对比结果见表6。从对比结果可以看出，配置预应力筋后，所取的10个节点应力降低幅度在21%～30%范围内，从理论上验证了配置预应力筋对提高上转盘混凝土刚度的有效性。

混凝土T构采用落地支架施工方法，其优点是操作简单，无需大型机械设备，更重要的是这种施工工艺可以使2个相邻主梁同时交叉作业，但是其不足之处也较为明显，在整个梁段浇筑完成，拆除落地支架后，完成受力转换时，由于悬臂端较长，会产生一个较大的挠度。为了合龙的顺利完成，控制悬臂端挠度显得尤为重要，在仅考虑结构自重的情况下，利用有限元数值模拟完成了受力转换后T构悬臂从图6可以看出，混凝土T构整体处于较低的应力状态，表明转体结构可以满足施工中的强度要求。此外，将ABAQUS有限元模拟结果与施工现场实时监测数据进行对比，结果如表1，2所示。通过对比可以看出，有限元数值模拟结果与实测结果吻合较好，从而验证了本文建立的有限元จ模型的准确性和可靠性。另一方面，也可以看到，有限元数值模拟结果与实测结果也存在一定的差异，经分析存在差异的主要原因可能有以下3点： （1）有限元模型中采用的单元具有均匀、各向同性、接触统一的特点[15]，而实际情况中，混凝土材料组成复杂，各种材料性能各不相同，存在各向异性的特点，采用统一的综合标准进行定义本身就与实际情况存在差异。

（2）有限元分析中采用嵌入技术模拟钢筋、型钢骨架和混凝土之间的摩擦作用，这种方法虽然有效地简化了模型[16]，但无法实现钢筋、型钢骨架和混凝土之间的摩擦作用随着荷载的增加而变化的特点，尤其是钢筋滑移系数的模拟难度很大，容易导致结果失真。

（3）其他一些因素如有限元单元网格划分的形式和数量、有限元模型中参数取值的准确性、有限元模型的收敛性、施工现场混凝土浇筑的质量以及加载情况等也会影响分析结果。4 结 语

（1）T构转体结构整体处于较低的应力状态，可以满足施工中的强度要求。

（2）T构转体结构球铰部分有较高压应力，应力分布呈中间小、四周大的趋势，边缘处存在应力集中现象，这种现象可以通过对上转盘施加纵向、横向和竖向预应力筋，增加上转盘的刚度，有效减小竖向应力峰值，从而改善球铰的应力分布，从理论上验证了上转盘配置预应力筋的必要性。

（3）ABAQUS有限元数值模拟结果与实测结果吻合较好，从而验证了对此类桥梁转体施工进行有限元数值分析是切实可行的。

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