何 可, 衛(wèi) 星, 巨云華, 溫宗意
(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031)
跨既有線T構(gòu)橋轉(zhuǎn)體施工控制關(guān)鍵技術(shù)研究
何 可, 衛(wèi) 星, 巨云華, 溫宗意
(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031)
文章結(jié)合跨蕪宣高速特大橋T形剛構(gòu)轉(zhuǎn)體施工控制過(guò)程,介紹轉(zhuǎn)體體系,總結(jié)稱重試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),分析球鉸應(yīng)力分布特點(diǎn)??偨Y(jié)得出:通過(guò)有效的施工控制措施,使梁體安全順利轉(zhuǎn)體,確保了轉(zhuǎn)體后線形和應(yīng)力狀態(tài)滿足預(yù)期要求;稱重試驗(yàn)可同時(shí)測(cè)球鉸水平和豎向位移來(lái)選擇更準(zhǔn)確荷載位移曲線;通過(guò)配重使一側(cè)撐腳剛好接觸四氟乙烯板,保證轉(zhuǎn)體過(guò)程平穩(wěn)而又不致增大撐腳摩阻;考慮將球鉸局部承壓鋼筋網(wǎng)加密、球鉸包裹鋼板包裹范圍增大和增厚鋼板來(lái)改善球鉸接觸部位應(yīng)力集中現(xiàn)象。
T構(gòu)橋; 轉(zhuǎn)體施工; 施工控制; 稱重試驗(yàn); 應(yīng)力分析
橋梁轉(zhuǎn)體施工是指將橋梁結(jié)構(gòu)在非設(shè)計(jì)軸線位置施工成形后,通過(guò)轉(zhuǎn)體就位的一種施工方法。轉(zhuǎn)體施工方法將橋梁施工作業(yè)空間轉(zhuǎn)移至平行于鐵路的一側(cè),可以避免橋梁施工對(duì)既有鐵路正常運(yùn)行的干擾。隨著我國(guó)公路、鐵路建設(shè),出現(xiàn)大量要跨越既有線路的新建橋梁,轉(zhuǎn)體施工法常常作為經(jīng)濟(jì)可行的方案而得到采用[1-3]。隨著轉(zhuǎn)體施工橋梁跨度的增加和墩高的增高,對(duì)橋梁施工過(guò)程的精確控制仍然十分必要,且完成轉(zhuǎn)體配重和球鉸摩阻系數(shù)的測(cè)試對(duì)球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的應(yīng)力分析和保證轉(zhuǎn)體安全可靠具有一定的工程價(jià)值[4-5]。
本文以跨蕪宣高速特大橋2×56.55 m的轉(zhuǎn)體T構(gòu)橋?yàn)槔?,?duì)跨既有線轉(zhuǎn)體T構(gòu)橋的轉(zhuǎn)體施工控制關(guān)鍵技術(shù)及轉(zhuǎn)體球鉸應(yīng)力分析作了研究總結(jié),為該橋的后期運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)提供基礎(chǔ)技術(shù)資料,為同類橋梁的轉(zhuǎn)體施工過(guò)程控制提供參考借鑒。
跨蕪宣高速特大橋位于安徽蕪湖三元鎮(zhèn)境內(nèi),全長(zhǎng)5 572.86 m。該橋轉(zhuǎn)體梁上跨既有皖贛線,轉(zhuǎn)體梁中墩為142#,邊墩為141#、143#,與皖贛線夾角為58°,跨越方式為(56.55+56.55) m的T構(gòu),三墩基礎(chǔ)均設(shè)計(jì)為鉆孔樁。梁體采用單箱單室,變高度截面,梁體全長(zhǎng)113.1 m,中支點(diǎn)處梁高6.0 m,梁端高度3.3 m,箱梁底板寬度6.7 m,頂板寬度12.2 m。T構(gòu)與既有皖贛鐵路的位置關(guān)系見(jiàn)圖1所示。
圖1 T構(gòu)與既有皖贛鐵路相對(duì)位置
轉(zhuǎn)體體系是轉(zhuǎn)體橋梁的重要組成部分,T構(gòu)橋的轉(zhuǎn)體施工屬于平面轉(zhuǎn)體,其轉(zhuǎn)體體系主要由支承系統(tǒng)和轉(zhuǎn)動(dòng)牽引系統(tǒng)組成[6]。
支承系統(tǒng)由上轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)體球鉸、下轉(zhuǎn)盤組成。支承系統(tǒng)見(jiàn)圖2所示。
圖2 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)總體布置
上轉(zhuǎn)盤撐腳為轉(zhuǎn)體時(shí)保持轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平穩(wěn)的保險(xiǎn)腿,在上轉(zhuǎn)盤周圍對(duì)稱布置6對(duì)撐腳,撐腳為兩個(gè)φ800 mm×16 mm雙圓柱形鋼管,撐腳鋼管內(nèi)灌注C50微膨脹混凝土,下設(shè)24 mm厚鋼走板。在下轉(zhuǎn)盤混凝土灌注完成后,上球鉸安裝就位時(shí)即安裝撐腳,并在撐腳走板下支墊10 mm鋼板(作為轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)與滑道的間隙),上轉(zhuǎn)盤施工完成后抽掉墊板。轉(zhuǎn)動(dòng)前在接觸下滑道的支撐腿下鋪裝厚5 mm四氟滑板,以減小轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦力。
鋼球鉸分上下兩片,球體半徑R6 000 mm,上轉(zhuǎn)盤最大球面直徑φ3 000 mm,采用廠家成套產(chǎn)品。球鉸是轉(zhuǎn)動(dòng)體系的核心,是轉(zhuǎn)體施工的關(guān)鍵結(jié)構(gòu),制作安裝精度要求高,需精心制作、安裝[7]。
下轉(zhuǎn)盤是轉(zhuǎn)體重要支撐結(jié)構(gòu),布置有轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的下球鉸、撐腳的環(huán)形滑道等。下轉(zhuǎn)盤直徑9.4 m,高0.84 m,布置有局部承壓鋼筋網(wǎng)以及連接鋼筋?;缹?.8 m,滑道中心半徑4.0 m。轉(zhuǎn)體完成后,通過(guò)封鉸混凝土連接,與上轉(zhuǎn)盤共同形成承臺(tái)。
轉(zhuǎn)體牽引系統(tǒng)主要為牽引反力座、牽引索和牽引動(dòng)力系統(tǒng)。本工程牽引反力座設(shè)計(jì)為C50鋼筋混凝土,牽引索為9束Φj15.20預(yù)應(yīng)力鋼絞線,轉(zhuǎn)體動(dòng)力系統(tǒng)由2套YCW200-200型液壓連續(xù)千斤頂、2臺(tái)ZLYZ-300E型液壓泵站和1臺(tái)LYND-016主控臺(tái)通過(guò)高壓油管和電纜線連接組成1套轉(zhuǎn)體動(dòng)力系統(tǒng)。
連續(xù)轉(zhuǎn)體千斤頂要求平行對(duì)稱布置于支承系統(tǒng)兩側(cè)處的反力座上,連續(xù)千斤頂中心線高度與上轉(zhuǎn)盤預(yù)埋鋼絞線的中心線水平且必須與上轉(zhuǎn)盤外圓相切。
預(yù)埋牽引索時(shí)要逐根清理鋼絞線表面的銹跡、油污,將鋼絞線順次沿著既定索道排列纏繞后,穿過(guò)千斤頂,并用千斤頂?shù)膴A緊裝置夾持??;逐根對(duì)鋼絞線預(yù)緊,再通過(guò)頂推千斤頂對(duì)該束鋼絞線整體預(yù)緊,使兩束牽引索各鋼絞線持力基本一致。牽引索索道與對(duì)應(yīng)千斤頂軸心線應(yīng)在同一標(biāo)高上。
在本橋的滿堂支架施工過(guò)程中,梁段立模標(biāo)高的合理確定是關(guān)系到主梁的線形是否平順、是否符合設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問(wèn)題。如果在確定立模標(biāo)高時(shí)考慮的因素比較符合實(shí)際,而且加以正確的控制,則最終成橋線形一般是較為良好的;相反,如果考慮的因素和實(shí)際情況不符合,控制不力,則最終成橋線形會(huì)與設(shè)計(jì)線形有較大的偏差??梢哉f(shuō)線性控制主要是立模標(biāo)高的確定。本工程考慮了恒載變形、支架變形、靜活載變形后,根據(jù)實(shí)際測(cè)得情況數(shù)據(jù)計(jì)算得出預(yù)拱度(圖3)。
圖3 各截面標(biāo)高預(yù)拱度
每節(jié)段施工周期的結(jié)束都必須對(duì)已完成所有節(jié)段進(jìn)行全面的測(cè)量,根據(jù)上節(jié)段變形觀測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)實(shí)測(cè)參數(shù),及時(shí)地對(duì)已出現(xiàn)地誤差進(jìn)行分析,才能對(duì)下一施工循環(huán)做出預(yù)測(cè)和調(diào)整。
單 T 構(gòu)轉(zhuǎn)體梁轉(zhuǎn)體過(guò)程中在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)體系質(zhì)量平衡、合理的轉(zhuǎn)體配重等方面的精確控制,是全橋能順利轉(zhuǎn)體的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。懸臂端沿順橋向的豎平面內(nèi)是對(duì)稱的,但如果球鉸在工廠預(yù)制和吊裝時(shí)出現(xiàn)誤差,梁體在施工后兩端重量不均以及預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)兩端受力差異,可能會(huì)引起轉(zhuǎn)動(dòng)體的剛度不同,從而導(dǎo)致不平衡力矩的出現(xiàn)[8]。而且轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸摩擦系數(shù)的大小直接影響著轉(zhuǎn)體時(shí)所需牽引力的大小。為了保證轉(zhuǎn)體施工的順利進(jìn)行,有必要在轉(zhuǎn)體前進(jìn)行稱重試驗(yàn),測(cè)試不平衡力矩的大小,得到實(shí)際球鉸摩擦系數(shù),為橋梁轉(zhuǎn)體過(guò)程設(shè)備的選擇、技術(shù)處理措施和安全性能評(píng)估提供依據(jù)。
跨蕪宣高速特大橋稱重試驗(yàn)前采用位移法對(duì)不平衡力矩方向進(jìn)行初步判定。位移法測(cè)試不平衡力矩的原理是沙箱拆除前后不平衡力矩作用將引起球鉸轉(zhuǎn)動(dòng),按照?qǐng)D4所示位置在上轉(zhuǎn)盤撐腳底部布置百分表,比較沙箱拆除前后百分表讀數(shù)變化。
圖4 位移法百分表布置
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)砂箱拆除前后撐腳處百分表讀數(shù)變化,得到小里程側(cè)位移變形差為0.7 mm,大里程側(cè)位移變形差為2.84 mm。因此判定不平衡力矩使結(jié)構(gòu)向大里程側(cè)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。
4.3.1 稱重原理
稱重試驗(yàn)過(guò)程中直接施加轉(zhuǎn)動(dòng)力矩才是最理想的,但實(shí)際情況下只能通過(guò)施加力產(chǎn)生力矩。施加的外力作用于球鉸時(shí),其作用可分為轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和力兩部分,試驗(yàn)需要的只是轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。
本工程主要采用千斤頂稱重法。千斤頂稱重試驗(yàn)的原理是假設(shè)梁體可以繞球鉸發(fā)生剛體轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)對(duì)梁體施加轉(zhuǎn)動(dòng)力矩,并測(cè)試球鉸的切向轉(zhuǎn)動(dòng)位移,得到二者的關(guān)系曲線,當(dāng)位移發(fā)生突變時(shí),所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)為球鉸在千斤頂頂力力矩、不平衡力矩及靜摩阻力矩作用下平衡的臨界狀態(tài)[9]。因此,可以直接繪制頂力-位移曲線,找出臨界點(diǎn)。千斤頂稱重測(cè)試的是球鉸剛體位移突變,受力明確,未考慮撓度變形等其它參數(shù)因素而僅考慮剛體作用,得出的結(jié)果比較準(zhǔn)確。
4.3.2 測(cè)點(diǎn)布置
根據(jù)撐腳設(shè)置情況,在1#和5#撐腳的兩側(cè)50 cm處對(duì)稱放置兩個(gè)400 t的千斤頂進(jìn)行頂升,千斤頂中心距上轉(zhuǎn)盤外邊緣約為80 cm。在1#、5#撐腳分別設(shè)置豎向和水平2個(gè)百分表,用以判斷轉(zhuǎn)動(dòng)體在稱重試驗(yàn)過(guò)程中是否發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)(圖5)。
(a) 千斤頂布置
(b) 現(xiàn)場(chǎng)百分表布置圖5 千斤頂稱重測(cè)點(diǎn)布置
目前,稱重試驗(yàn)通常測(cè)試球鉸的豎向位移,從稱重試驗(yàn)的原理來(lái)看,應(yīng)該是測(cè)試沿球鉸邊緣切線方向的位移最為合理。由于直接測(cè)球鉸邊緣的切向轉(zhuǎn)動(dòng)位移不方便布置百分表,轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程易造成百分表打滑,所以通過(guò)同時(shí)測(cè)試豎向及水平位移,也能消除黃油層豎向位移的不利影響和增加數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,起到與測(cè)試球鉸切向位移相同的效果。
4.3.3 不平衡力矩計(jì)算方法
由于沙箱拆除后6個(gè)撐腳全部懸空,可以判定懸臂結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)球鉸受到摩阻力矩(Mz)大于不平衡力矩(Mg)。在大里程側(cè)承臺(tái)實(shí)施頂力P1,當(dāng)頂力P1逐漸增加到使球鉸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬間,有:
P1·L1=Mg+Mz
(1)
式中:Mg為不平衡力矩;Mz為摩阻力矩;P1·L1為頂升力矩。
在小里程側(cè)實(shí)施頂力P2,當(dāng)頂力逐漸增加到使球鉸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬間,有:
P2·L2+Mg=Mz
(2)
根據(jù)式(1)、式(2)可計(jì)算得到:
不平衡力矩:Mg=(P1·L1-P2·L2)/2
(3)
摩阻力矩:Mz=(P1·L1+P2·L2)/2
(4)
稱重試驗(yàn)中摩擦系數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖6所示。
圖6 摩擦系數(shù)計(jì)算
轉(zhuǎn)動(dòng)體球鉸繞Z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)靜摩阻系數(shù):
μ=(Mz·3sin2α)/[2(1-cos3α)R·N]
(5)
本橋α=14.477°,由式(5)可得:
球鉸靜摩阻系數(shù):μ=Mz/(0.98R·N)
轉(zhuǎn)動(dòng)體偏心距:e=Mg/N
式中:R為球鉸中心轉(zhuǎn)盤球面半徑;N為轉(zhuǎn)體重量。
4.3.4 稱重試驗(yàn)結(jié)果
通過(guò)三次試驗(yàn),從得到的荷載-位移曲線來(lái)看,測(cè)得豎向位移變化曲線突變不明顯,不能得到臨界狀態(tài)時(shí)的臨界荷載。而同時(shí)測(cè)得的水平位移變化曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn),能夠較準(zhǔn)確的得到臨界荷載,大小里程加載時(shí)的荷載-位移曲線如圖7所示。
(a) 小里程側(cè)加載曲線
(b) 大里程側(cè)加載曲線圖7 大小里程荷載-位移曲線
從荷載-位移圖可得出大小里程加載至臨界荷載壓力均值。根據(jù)前述計(jì)算公式分別計(jì)算出稱重試驗(yàn)結(jié)果(表1)。
表1 稱重試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果
4.3.5 配重方案
在轉(zhuǎn)體過(guò)程中,若采用梁體絕對(duì)平衡配重方案,轉(zhuǎn)體橋的重心線此時(shí)是通過(guò)球鉸的豎軸線,偏心距為零。這樣一來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)體極易受外部干擾,導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)體的晃動(dòng)。跨蕪宣特大橋工程在小里程一側(cè)通過(guò)調(diào)整使撐腳剛好接觸四氟乙烯板保證轉(zhuǎn)動(dòng)安全,同時(shí)撐腳又不壓實(shí)四氟板以減小摩阻力。配重采用梁體縱向傾斜配重,配重設(shè)置在小里程一側(cè),可按下式計(jì)算:
(6)
根據(jù)圣維南原理[10],T構(gòu)轉(zhuǎn)體橋在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)處的應(yīng)力狀態(tài),對(duì)球鉸應(yīng)力分布影響很小[11]。所以首先采用Midas有限元軟件對(duì)T構(gòu)轉(zhuǎn)體橋建立全橋模型進(jìn)行靜力分析,得到恒荷載作用下橋墩墩底反力為6 1737 kN,并以此作為球鉸空間局部有限元模型的加載依據(jù)進(jìn)行球鉸局部應(yīng)力分布情況分析。
采用通用有限元計(jì)算軟件ANSYS對(duì)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)局部進(jìn)行受力分析?;炷敛糠植捎脤?shí)體單元soild65;包裹球鉸混凝土的鋼板采用殼單元shell181,同時(shí)定義接觸對(duì)模擬球鉸球面接觸情況,上球鉸采用conta174單元建立接觸面,下球鉸采用targe170單元建立目標(biāo)面,上下球鉸接觸面共享一個(gè)實(shí)常數(shù)形成接觸對(duì)。根據(jù)跨蕪宣高速特大橋球鉸真實(shí)構(gòu)造建立有限元模型,模型如圖8所示。
圖8 球鉸有限元模型
劃分網(wǎng)格的過(guò)程中為了保證計(jì)算效率和精度,對(duì)所關(guān)心的球鉸接觸部分單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格更加精細(xì),其他部分網(wǎng)格相對(duì)稀疏。求解球鉸應(yīng)力,結(jié)果如圖9所示。
(a) 球鉸總體等效應(yīng)力分布
(b) 球鉸連接部分等效應(yīng)力分布圖9 球鉸等效應(yīng)力
應(yīng)力分析結(jié)果表明在球鉸的上下轉(zhuǎn)盤處,等效應(yīng)力分布均勻,上轉(zhuǎn)盤球鉸能將上部重量通過(guò)包裹鋼板很好的均勻傳遞至下轉(zhuǎn)盤。但在球鉸接觸區(qū)域受力復(fù)雜,部分區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。
對(duì)于球鉸處應(yīng)力集中現(xiàn)象,提取球鉸接觸區(qū)域應(yīng)力,結(jié)果如圖10所示。
(a) 下球鉸接觸面
(b) 上球鉸接觸面圖10 球鉸接觸面等效應(yīng)力
可見(jiàn),應(yīng)力分布總體均勻,等效壓應(yīng)力大小在16.3 MPa以內(nèi),而在下轉(zhuǎn)盤凹槽邊緣位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,正好也是上轉(zhuǎn)盤球鉸包裹鋼板的邊緣位置,最大等效壓應(yīng)力可達(dá)到26.9 MPa??梢钥紤]將上轉(zhuǎn)盤球鉸包裹鋼板包裹范圍增大,比如全球鉸包裹,避免出現(xiàn)球鉸厚度和材料的突變帶來(lái)的應(yīng)力集中,或是增加局部承壓鋼筋密度;下轉(zhuǎn)盤凹槽可以考慮增厚鋼板起到緩沖壓應(yīng)力的作用。
跨蕪宣高速特大橋用時(shí)52 min成功轉(zhuǎn)體到位,通過(guò)對(duì)施工關(guān)鍵技術(shù)研究和各環(huán)節(jié)重點(diǎn)監(jiān)控,達(dá)到施工操作安全可靠,線形控制精度高,轉(zhuǎn)體平穩(wěn)順利的預(yù)期目的。在工程施工過(guò)程中,就關(guān)鍵技術(shù)的研究和施工實(shí)際問(wèn)題總結(jié)了幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn):(1) 稱重試驗(yàn)可通過(guò)同時(shí)測(cè)球鉸水平位移和豎向位移來(lái)選擇更準(zhǔn)確荷載位移曲線;(2) 摩阻彎矩大于不平衡彎矩情況下可通過(guò)配重使一側(cè)撐腳剛好接觸四氟乙烯板,保證轉(zhuǎn)體過(guò)程平穩(wěn)而又不致增大撐腳摩阻;(3) 可以考慮將球鉸局部承壓鋼筋網(wǎng)加密、球鉸包裹鋼板包裹范圍增大和增厚鋼板來(lái)改善球鉸接觸部位應(yīng)力集中現(xiàn)象。
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U445.465
A
[定稿日期]2017-05-08
何可(1992~),男,碩士研究生在讀,研究方向?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)行為。