CN111382476A - 一种转体桥球铰支撑状态下偏转风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种转体桥球铰支撑状态下偏转风险评估方法，包括：通过水平力V与重力、摩擦力的静力关系公式来进行风险评估:当拆除临时主梁与桥墩之间的临时固结设备，在仅有球铰支撑时，具有如下的水平力V的计算公式：V＝G tanθ+F_T secθ。本发明提供了一种不考虑外部千斤顶顶升力情况下，结构系统自平衡体系的力学分析方法，该方法适用更加广泛。

Description

一种转体桥球铰支撑状态下偏转风险评估方法

技术领域

本发明涉及建筑技术领域，尤其涉及一种转体桥球铰支撑状态下偏转风险评估方法。

背景技术

转体桥梁是考虑到跨越山地、河流及下部线路而设计与建造实施的一种桥梁形式。先通过平行于下跨障碍物或在地面上进行桥梁梁段施工，再通过牵引预先安装好的转动结构，实现悬臂梁段的水平或竖向转动，从而达到设计线形。转体桥施工过程主要包括下部桩基及承台施工、桥墩施工、球铰结构施工、墩顶设置临时固结支撑、浇筑0号块及张拉预应力筋、安装挂篮、对称浇筑其余各个梁段及张拉相应预应力筋、搭设边墩的临时支架、准备转体工作、拆除墩顶的临时固结支撑、落梁球铰受力并称重、转体、拆除转体结构相关部件、边跨合拢、中跨合拢等工序。其中最关键的是落梁后仅球铰支撑时的转体工作。此情况下，上部主梁与下部桥墩通过上、下球铰面接触，在球铰的中心位置有定位销轴作定位与限位器，同时配合上转盘的撑脚起到保护作用，防止桥梁主梁在落梁时过度倾斜。

但是，由于桥梁设计线形、施工荷载、称重误差、自然环境等因素，悬臂桥梁在拆除临时支撑落梁后可能存在主梁重心与下球铰中心不重合现象。当发生不重合时，若球铰摩阻力矩大于偏心力矩，则产生静摩擦力。若球铰摩阻力矩小于偏心力矩，则上、下球铰将发生相对滑动，增大了转体施工中桥梁结构的危险程度。

当拆除临时支撑，落梁后仅有球铰作支撑体时，上部主梁结构与下部桥墩之间在上、下球铰处存在隔离面，相对于连续梁桥(桥墩与上部主梁之间固结)形式，此时转体桥梁水平刚度降低，转体桥上球铰相对下球铰的受力、层间刚度尚未进行有效合理研究。

然而，在现有关于研究桥梁转体结构的文章中，一般是采用解析解来求摩阻力矩、转动不平衡力矩与外部施加的千斤顶力矩之间关系，来进行落梁后的不平衡称重工作，而这是需要在有千斤顶顶升力保护作用下，使落梁后球铰结构不至于产生大倾斜。但是，对于更加一般情况，譬如当有较大偏心情况时，无任何保护措施，当球铰在曲面上因为不平衡作用发生滑动-转动，与中间定位轴发生了接触作用，产生剪切力时，研究该情况下保持稳定不至于倾覆时的解析解就成为烝需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种不考虑外部千斤顶顶升力情况下，结构系统自平衡体系的力学分析方法。

一种转体桥球铰支撑状态下偏转风险评估方法，包括：通过水平力V与重力、摩擦力的静力关系公式来进行风险评估:

当拆除临时主梁与桥墩之间的临时固结设备，在仅有球铰支撑时，具有如下的水平力V的计算公式：

V＝Gtanθ+F_T secθ

其中，V为桥梁结构受到的水平力，G为上球铰及以上结构总重；F_T为上、下球铰面之间的切向摩擦力，θ为上球铰竖平面转角。

进一步地，如上所述的转体桥球铰支撑状态下偏转风险评估方法，还包括通过球铰竖平面发生扭转时的转角公式来进行风险评估：

转角θ的弧度公式：

上球铰护筒的滑动的弧长量：

l₁≈d₁

下球铰滑动曲面高度

主梁水平时竖向中心线到撑脚外轮廓线距离：

A＝a/2+b+c

主梁水平时竖平面转动中心到撑脚底面距离：

B＝R₁-(h₁+h₂)

研究平面撑脚最外侧下边点竖平面转动半径：

撑脚最外侧下边点与竖平面转动中心所成的水平面夹角为：

当θ很小时，撑脚最外侧下边点运动弧长l₂视为切向的直线：

l₂＝R₂·θ

因此撑脚最外侧下边点在水平力V作用下滑动过程中竖向下落距离为：

h₃＝l₂ cosβ

在以上公式中：

a为下球铰直径；b为撑脚直径；c为选取研究的竖向平面内撑脚内轮廓与上、下球铰外轮廓的距离,I₁为上球铰护筒的滑动的弧长量；R₁为下球铰半径；d₁为上球铰护筒的滑动水平距离；h₁为下球铰滑动曲面高度；h₂为设计图纸中撑脚距滑道距离。

进一步地，如上所述的转体桥球铰支撑状态下偏转风险评估方法，通过确定不同平面扭转产生危险转角的大小来判定风险等级，该判定方法包括以下步骤：

步骤一：假设上球铰钢护筒与定位轴优先碰撞，确定上球铰护筒的滑动的弧长量l₁；

步骤二：计算撑脚最外侧下边点在水平力V作用下滑动过程中竖向下落距离h₃大小；

步骤三：比较h₃与h₂的大小关系。若h₃＜h₂，则说明上球铰钢护筒与定位轴碰撞时，撑脚最外侧下边点滑动过程中竖向下落距离没有达到撑脚预留位移量。

进一步地，如上所述的转体桥球铰支撑状态下偏转风险评估方法，还包括通过选取不同的竖向平面，进行主梁的不同竖平面转角风险等级的划分来进行风险评估，具体包括以下步骤：

步骤一：计算钢护筒-定位销轴碰撞时偏转角为θ₁，即为最小转角；

步骤二：仍以撑脚竖平面计算，取h₃＝h₂，设撑脚最外侧下边点在滑动过程中竖向下落距离为设计预留距离，代入上述公式，并反向推导得到撑脚竖平面情况下，转盘撑脚-滑道面接触时偏转角为θ₂；

步骤三：选取纵平面，确定该平面下c_纵值，并且利用相似比例关系计算此平面内转盘撑脚-滑道面接触时

再代入以上公式反向推导主梁纵平面情况下，转盘撑脚-滑道面接触时偏转角为θ₃；

步骤四：选取横平面，确定该平面下c_横值，并且利用相似比例关系计算此平面内转盘撑脚-滑道面接触时

再代入以上公式反向推导主梁横平面情况下，转盘撑脚-滑道面接触时偏转角为θ₄；

步骤五：通过比较整理数据，进行不同空间竖平面的球铰支撑下偏转风险评估：

当转角θ＜θ₁时，风险等级为安全；

当转角θ在θ₁-θ₂之间时，风险等级为较安全，应时刻注意；

当转角θ在θ₂-θ₃之间时，风险等级为预警，进行纠偏；

当转角θ在θ₃-θ₄之间时，风险等级为预警，此时定位轴已在剪力作用下产生较大变形；

当转角θ＞θ₄时，风险等级为危险，定位销轴面临剪断，桥梁主梁有倾覆可能。

有益效果：

本发明提供的转体桥球铰支撑下受力偏转风险评估方法，以摩擦摆隔震模型的理论公式为基础，推导了球铰结构的受力模型，并针对不同情况下主梁偏转风险程度进行了评估，本发明方法适用于更加一般情况，即：当没千斤顶向上顶升外力保护，而只是结构自身情况下，有销轴反向剪力参与作用时，当有较大偏心情况，无任何保护措施，当球铰在曲面上因为不平衡作用发生滑动-转动，与中间定位轴发生了接触作用，产生剪切力时，提供了一种在该情况下保持稳定不至于倾覆时的解析解，该方法适用更加广泛。

附图说明

图1为桥梁转体受水平剪力分析图；

图2为撑脚处偏转放大图；

图3为不同竖平面的最大转角示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明为一种转体桥球铰支撑下受力偏转风险评估方法。该方法的基础理论源于桥梁结构摩擦摆隔震装置的力学机理模型。由于摩擦摆隔震结构特有的滑动曲面与上、下球铰曲面相似，故可以将摆结构曲面摩擦受力机理引申为球铰支撑时的受力分析方法，从而对主梁结构因设计外荷载或自身不平衡力产生的极限偏转角风险进行分析。

研究落梁后桥梁转体结构受力情况，其受水平剪力偏转如图1所示，基于摩擦摆隔震理论计算球铰处受力产生偏转情况，该风险评估方法需通过以下公式推导计算：

由静力平衡条件可得：

∑F_x＝0V＝F_Nsinθ+F_Tcosθ(1)

∑F_y＝0G＝F_Ncosθ-F_Tsinθ(2)

以上字母的含义为：

G为上球铰及以上结构总重；V为桥梁结构受到的水平力；F_N为上、下球铰面之间的法向支承力；F_T为上、下球铰面之间的切向摩擦力；θ为上球铰竖平面转角。

将上式(1)乘以cosθ，上式(2)乘以sinθ得到：

Vcosθ＝F_Nsinθcosθ+F_Tcos²θ(3)

Gsinθ＝F_Ncosθsinθ-F_Tsin²θ(4)

式(3)-式(4)得：

Vcosθ-Gsinθ＝F_T(cos²θ+sin²θ)＝F_T(5)

式(5)两边除以cosθ，整理后得到：

V＝Gtanθ+F_Tsecθ(6)

公式(6)为拆除临时主梁与桥墩之间的临时固结设备，仅有球铰支撑时，水平力V的计算公式。当有水平力作用时，将由重力与摩擦力的分量共同抵消。

本发明通过引入摩擦摆隔震结构力学模型，来研究转体桥球铰支撑下整体模型受力、相对运动与主梁偏转角度风险评估的方法，本发明通过推导公式(1)-公式(6)，将上球铰与下球铰隔离开，在滑动曲面上进行受力分析。推导了水平力与重力、摩擦力的静力关系公式。

以上推导中，假定因为上部梁段两边荷载不平衡(施工因素，并且很多桥梁都有纵坡，像跷跷板一样，和我国地势从东向西升高相关)，发生了球铰处竖平面转动。当没千斤顶向上顶升外力保护，而只是结构自身情况下，有销轴反向剪力参与作用时，该情况下力学模型的推导公式。

进一步地，由于考虑到转体工艺，上、下球铰一般制作为钢曲面，方便牵引预先埋设在上转盘内的预应力索完成上部结构的水平转动。但是相比与平面的隔离面，曲面的隔离面除了一般的摩擦特性，还有自复位的能力。在上、下球铰中间安装定位销轴，限制了球铰间滑动的位移量。若上球铰运动中与定位销轴发生接触碰撞，其整体的受力以及运动形式上更加复杂。由于球铰面为曲面，像不倒翁一样，具有自恢复与摩擦的特性。而不是同平面只有摩擦性能。而同时曲面不仅可以竖平面运动，水平也可以转。因此它的运动更加符合空间运动形式。

因此，本发明以撑脚部位为研究对象，其放大图如图2所示，当有水平剪力作用下，上转盘与钢护筒将会发生偏转，将主梁结构按刚体考虑，绕竖平面转动中心发生转角θ时，进行桥梁结构偏转角度的公式推导。

转角θ的弧度公式：

上球铰护筒的滑动的弧长量：

l₁≈d₁(8)

下球铰滑动曲面高度

主梁水平时竖向中心线到撑脚外轮廓线距离：

A＝a/2+b+c(10)

主梁水平时竖平面转动中心到撑脚底面距离：

B＝R₁-(h₁+h₂)(11)

研究平面撑脚最外侧下边点竖平面转动半径：

撑脚最外侧下边点与竖平面转动中心所成的水平面夹角为：

当θ很小时，撑脚最外侧下边点运动弧长l₂视为切向的直线：

l₂＝R₂·θ(14)

因此撑脚最外侧下边点在水平力V作用下滑动过程中竖向下落距离为：

h₃＝l₂cosβ(15)

在以上公式中：

a为下球铰直径；b为撑脚直径；c为选取研究的竖向平面内撑脚内轮廓与上、下球铰外轮廓的距离。

本发明考虑了上、下球铰处存在隔离面，转体桥梁水平刚度降低，且定位轴的存在限制了滑动量的情况，利用几何解析方法，给出了球铰竖平面发生扭转时的转角公式。

进一步地，本发明通过确定不同平面扭转产生危险转角的大小来判定风险等级。

在球铰结构中，存在两种碰撞：(1)上球铰钢护筒与定位轴碰撞；(2)撑脚与下方滑道发生接触碰触。

本发明通过以下方法可以进行两种碰撞的优先级判定：

步骤一：假设上球铰钢护筒与定位轴优先碰撞，确定上球铰护筒的滑动的弧长量l₁；

步骤二：通过以上公式及球铰实际参数，计算h₃大小；

步骤三：比较h₃与h₂的大小关系。若h₃＜h₂，则说明上球铰钢护筒与定位轴碰撞时，撑脚最外侧下边点滑动过程中竖向下落距离没有达到撑脚预留位移量，因此步骤一假定正确。

通过以上计算，可以初步判定两种碰撞发生的先后顺序，及上球铰钢护筒与定位轴碰撞优于撑脚与下方滑道发生接触碰触。

进一步地，假设球铰处转动倾斜为不定向，那也就是俯视看球铰结构时，假定360度都有可能产生竖向扭转。可以理解为用一根棍支撑一个水平圆盘，圆盘可能发生任一方向的倾倒。考虑到桥梁的设计，只在局部位置设置了撑脚做保护装置。以防桥梁倾斜时下部有垫块支撑保护。如同在水平圆盘下面对称放几个垫块。但只有上部结构正好在对称撑脚连接线方向上进行倾斜时，此时该处撑脚才第一时间接触倾斜的梁段，起到保护，并且该情况下转角为最小值。只要梁段倾斜方向不在上述方向，则撑脚不能再第一时间接触梁段，产生的转角将会比上述情况大。所以对于全桥中最小、最大倾角的确定及转体梁段危险倾覆等级程度的划分，目前还没有给出具体的依据及特征分析。

由于研究的竖向平面选取具有随机性，因此以上公式中的c值为变量，如图3所示。

选取不同的竖向平面，可进行主梁的不同竖平面转角风险等级的划分。其步骤为：

步骤一：转体球铰设计的水平滑动位移较小，一般为钢护筒-定位销轴会优先碰撞。选取撑脚竖平面，此时的c值最大，计算钢护筒-定位销轴碰撞时偏转角为θ₁，即为最小转角。

步骤二：仍以撑脚竖平面计算，取h₃＝h₂，设撑脚最外侧下边点在滑动过程中竖向下落距离为设计预留距离，代入上述公式(15)，计算出l₂并反向推导公式(14)得到撑脚竖平面情况下，转盘撑脚-滑道面接触时偏转角为θ₂。

步骤三：选取纵平面，确定该平面下c_纵值，并且利用相似比例关系计算此平面内转盘撑脚-滑道面接触时

先应用以上公式(10)，求解A值。再利用公式(11-13)求出R₂、β。最后利用上述公式(14、15)，反向推导主梁纵平面情况下，转盘撑脚-滑道面接触时偏转角为θ₃。

步骤四：选取横平面，确定该平面下c_横值，并且利用相似比例关系计算此平面内转盘撑脚-滑道面接触时

先应用以上公式(10)，求解A值。再利用公式(11-13)求出R₂、β。最后利用上述公式(14、15)，反向推导主梁横平面情况下，转盘撑脚-滑道面接触时偏转角为θ₄。

步骤五：整理数据θ₁-θ₄，通过比较，进行不同空间竖平面的球铰支撑下偏转风险评估。汇总如下表1：

表1转体桥竖平面转角安全度风险等级

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种转体桥球铰支撑状态下偏转风险评估方法，其特征在于，包括：通过水平力V与重力、摩擦力的静力关系公式来进行风险评估:

当拆除临时主梁与桥墩之间的临时固结设备，在仅有球铰支撑时，具有如下的水平力V的计算公式：

V＝Gtanθ+F_T secθ

其中，V为桥梁结构受到的水平力，G为上球铰及以上结构总重；F_T为上、下球铰面之间的切向摩擦力，θ为上球铰竖平面转角。

2.根据权利要求1所述的转体桥球铰支撑状态下偏转风险评估方法，其特征在于，还包括通过球铰竖平面发生扭转时的转角公式来进行风险评估：

转角θ的弧度公式：

上球铰护筒的滑动的弧长量：

l₁≈d₁

下球铰滑动曲面高度

主梁水平时竖向中心线到撑脚外轮廓线距离：

A＝a/2+b+c

主梁水平时竖平面转动中心到撑脚底面距离：

B＝R₁-(h₁+h₂)

研究平面撑脚最外侧下边点竖平面转动半径：

撑脚最外侧下边点与竖平面转动中心所成的水平面夹角为：

当θ很小时，撑脚最外侧下边点运动弧长l₂视为切向的直线：

l₂＝R₂·θ

因此撑脚最外侧下边点在水平力V作用下滑动过程中竖向下落距离为：

h₃＝l₂ cosβ

在以上公式中：

a为下球铰直径；b为撑脚直径；c为选取研究的竖向平面内撑脚内轮廓与上、下球铰外轮廓的距离,I₁为上球铰护筒的滑动的弧长量；R₁为下球铰半径；d₁为上球铰护筒的滑动水平距离；h₁为下球铰滑动曲面高度；h₂为设计图纸中撑脚距滑道距离。

3.根据权利要求2所述的转体桥球铰支撑状态下偏转风险评估方法，其特征在于，通过确定不同平面扭转产生危险转角的大小来判定风险等级，该判定方法包括以下步骤：

步骤一：假设上球铰钢护筒与定位轴优先碰撞，确定上球铰护筒的滑动的弧长量l₁；

步骤二：计算撑脚最外侧下边点在水平力V作用下滑动过程中竖向下落距离h₃大小；

步骤三：比较h₃与h₂的大小关系。若h₃＜h₂，则说明上球铰钢护筒与定位轴碰撞时，撑脚最外侧下边点滑动过程中竖向下落距离没有达到撑脚预留位移量。

4.根据权利要求2所述的转体桥球铰支撑状态下偏转风险评估方法，其特征在于，还包括通过选取不同的竖向平面，进行主梁的不同竖平面转角风险等级的划分来进行风险评估，具体包括以下步骤：

步骤一：计算钢护筒-定位销轴碰撞时偏转角为θ₁，即为最小转角；

步骤二：仍以撑脚竖平面计算，取h₃＝h₂，设撑脚最外侧下边点在滑动过程中竖向下落距离为设计预留距离，代入上述公式，并反向推导得到撑脚竖平面情况下，转盘撑脚-滑道面接触时偏转角为θ₂；

步骤三：选取纵平面，确定该平面下c_纵值，并且利用相似比例关系计算此平面内转盘撑脚-滑道面接触时

再代入以上公式反向推导主梁纵平面情况下，转盘撑脚-滑道面接触时偏转角为θ₃；

步骤四：选取横平面，确定该平面下c_横值，并且利用相似比例关系计算此平面内转盘撑脚-滑道面接触时

再代入以上公式反向推导主梁横平面情况下，转盘撑脚-滑道面接触时偏转角为θ₄；

步骤五：通过比较整理数据，进行不同空间竖平面的球铰支撑下偏转风险评估：

当转角θ＜θ₁时，风险等级为安全；

当转角θ在θ₁-θ₂之间时，风险等级为较安全，应时刻注意；

当转角θ在θ₂-θ₃之间时，风险等级为预警，进行纠偏；

当转角θ在θ₃-θ₄之间时，风险等级为预警，此时定位轴已在剪力作用下产生较大变形；

当转角θ＞θ₄时，风险等级为危险，定位销轴面临剪断，桥梁主梁有倾覆可能。

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