橋梁兩支點(diǎn)轉(zhuǎn)體施工技術(shù)的可行性研究

郭昭贏

（中鐵十一局集團(tuán)第二工程有限公司 湖北十堰 442013）

1 工程概況

武漢市常青路主線高架橋CQ27-CQ29#墩處采用（95+105）m連續(xù)鋼箱梁橋跨越漢口火車站南咽喉岔區(qū)。為了減少高架橋施工對(duì)既有營(yíng)業(yè)線的影響，采用轉(zhuǎn)體法施工。轉(zhuǎn)體主墩CQ28#墩下部結(jié)構(gòu)為鉆孔樁基礎(chǔ)、分離式承臺(tái)，門式墩身和蓋梁，轉(zhuǎn)體球鉸安裝在蓋梁頂面中央位置［1］；上部結(jié)構(gòu)為分幅變高度直腹板鋼箱梁，球鉸支點(diǎn)處梁高6.5 m，端部梁高3 m，直腹板梁高按二次拋物線變化，鋼箱梁?jiǎn)畏好鎸?5.5 m，底寬16.5 m，雙幅橋面總寬51 m，在球鉸支點(diǎn)處沿橋長(zhǎng)方向9 m范圍左右幅鋼箱梁為整體橫梁設(shè)計(jì)，其余為分幅鋼箱梁，球鉸支點(diǎn)位于鋼橫梁中心。轉(zhuǎn)體部分全長(zhǎng)135.2 m，其中跨漢口火車站長(zhǎng)臂端梁長(zhǎng)91.4 m，三環(huán)線側(cè)短臂端梁長(zhǎng)43.8 m，轉(zhuǎn)體角度81°。

2 兩支點(diǎn)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)

因受施工場(chǎng)地限制采取不對(duì)稱轉(zhuǎn)體［2］，球鉸支點(diǎn)兩端梁體重量差3 000 t。若采取短臂端配重的常規(guī)方案使梁體平衡，一方面3 000 t重的配重塊堆載在短臂端橋面，經(jīng)計(jì)算此工況下鋼橫梁應(yīng)力將超出可承受允許應(yīng)力值，結(jié)構(gòu)將會(huì)被破壞；另一方面因堆載面積有限，配重塊堆載高度將達(dá)到4 m，并且梁體在配重塊的作用下將產(chǎn)生下?lián)?，在轉(zhuǎn)體過程中難以確保配重塊的穩(wěn)定性。經(jīng)研究并結(jié)合有限元分析計(jì)算，采用兩支點(diǎn)轉(zhuǎn)體方案：在短臂端配重2 644 t，同時(shí)在長(zhǎng)臂端距離轉(zhuǎn)體球鉸中心23.6 m處設(shè)置轉(zhuǎn)體輔助前支撐，通過前支撐與配重共同作用，使轉(zhuǎn)體球鉸支點(diǎn)兩端達(dá)到平衡狀態(tài)；同時(shí)依靠前支撐上的動(dòng)力系統(tǒng)帶動(dòng)鋼箱梁水平轉(zhuǎn)體至設(shè)計(jì)位置，最后合龍。轉(zhuǎn)體系統(tǒng)主要由墩頂中心球鉸、輔助支撐軌道梁［3］（下部結(jié)構(gòu)、軌道系統(tǒng)、滾輪小車、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)）和前支撐組成，如圖1～圖3所示。為論證該轉(zhuǎn)體方法的可行性，按橋梁實(shí)體尺寸的1／5制作鋼結(jié)構(gòu)模型，通過收集模型轉(zhuǎn)體過程中相關(guān)參數(shù)來指導(dǎo)實(shí)體橋轉(zhuǎn)體施工。本文主要介紹極不對(duì)稱兩支點(diǎn)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)模型試驗(yàn)研究技術(shù)，重點(diǎn)在于模型的設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)體數(shù)據(jù)的監(jiān)控與分析，從而論證極不對(duì)稱兩支點(diǎn)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)施工技術(shù)的可行性。

圖1 轉(zhuǎn)體模型結(jié)構(gòu)立面圖（單位：mm）

圖2 轉(zhuǎn)體模型平面圖（單位：mm）

圖3 兩點(diǎn)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)立面圖（單位：mm）

3 模型設(shè)計(jì)

3.1 尺寸的選取

本試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵缘葢?yīng)力為原則，運(yùn)用結(jié)構(gòu)模型相似理論，按照長(zhǎng)寬高比例為1∶5，即S1＝1／5，以等應(yīng)力為原則［4］，設(shè)計(jì)制作了連續(xù)箱梁橋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。該模型的相似關(guān)系如表1所示。鋼箱梁截面復(fù)雜，制作難度大，在保證模型截面面積、慣性矩滿足相似關(guān)系的前提下，對(duì)截面進(jìn)行細(xì)部了微調(diào)。

表1 模型相似關(guān)系

3.2 材料的選取

模型設(shè)計(jì)材料采用與實(shí)橋相同的材料制造，鋼箱梁主體結(jié)構(gòu)、軌道梁、前支撐和滾動(dòng)小車均采用Q235級(jí)鋼板制造，球鉸支座及擴(kuò)大基礎(chǔ)、軌道梁基礎(chǔ)均采用C40混凝土。

3.3 配重計(jì)算

3.3.1 結(jié)構(gòu)配重

表2 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段模型尺寸

3.3.2 平衡配重

輔助支墩設(shè)計(jì)時(shí)考慮最大受力為1 000 t，中心球鉸最大受力為9 000 t，現(xiàn)以64.24 t／m為原型理論配重，配重范圍為19.6 m，單幅理論實(shí)際配重64.2×19.6＝1 258.32 t。此時(shí)的輔助支承支反力只有776.7 t，球鉸承受反力為7 058.4 t。按照相似比，可以算出模型需要的理論配重值，即相應(yīng)各支撐的支反力，單幅配重大小1 258.32／25＝50.33 t［5-7］。

4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏y(cè)點(diǎn)布置

4.1 橋梁線形測(cè)量

為了控制模型鋼箱梁施工的標(biāo)高，為以后各節(jié)段高程控制提供觀察的基準(zhǔn)點(diǎn)，擬在各節(jié)段頂面橫隔板的左中右三處設(shè)置水準(zhǔn)控制點(diǎn)。同時(shí)在轉(zhuǎn)體過程中，通過自動(dòng)采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)體過程中傾角傳感器的信號(hào)變化，從而監(jiān)控轉(zhuǎn)體過程中傾斜情況［8-10］。

4.2 橋梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)

選擇結(jié)構(gòu)受力最不利位置作為測(cè)試截面：沿橋長(zhǎng)方向SF-F1、SF-S1和輔助支撐處共3個(gè)截面的應(yīng)力和剪應(yīng)力，同時(shí)在每個(gè)截面的頂?shù)装甯鞑荚O(shè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)。左右兩幅鋼箱梁在SF節(jié)段為整體設(shè)計(jì)，鋼箱梁如同一個(gè)大橫梁立在中心球鉸上將左右兩幅連接起來，防止轉(zhuǎn)體過程中橋體發(fā)生翻轉(zhuǎn)，在球鉸兩側(cè)的橫梁底、頂板各布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)［11-12］。

4.3 轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)受力監(jiān)測(cè)

4.3.1 輔助支撐受力監(jiān)測(cè)

八角楓水提液高劑量組有3只大鼠死亡，陽性組和八角楓水提液中劑量組各有1只大鼠造模失敗，其余大鼠均造模成功。造模后第7天，除空白組外的其余各組大鼠足部均出現(xiàn)綠豆大小的潰瘍，并逐漸結(jié)痂愈合；造模后第12天，除空白組外的其余各組大鼠足趾均皮膚發(fā)紅、發(fā)熱，輕度腫脹；造模后第14天，除空白組外的其余各組大鼠足底及踝關(guān)節(jié)均腫脹明顯，關(guān)節(jié)僵硬，活動(dòng)量減少，飲食減少，毛發(fā)失去光澤，體質(zhì)量增長(zhǎng)較空白組緩慢，部分大鼠見稀便；造模后第21天，除空白組外的其余各組大鼠足底及踝關(guān)節(jié)腫脹程度均較模型組明顯減輕，活動(dòng)及飲食量有所增加，體質(zhì)量逐漸增加。

輔助支撐處的支反力是監(jiān)控的重點(diǎn)，在轉(zhuǎn)體前及轉(zhuǎn)體的過程中，要時(shí)時(shí)監(jiān)控輔助支撐的支反力，防止轉(zhuǎn)體過程中的某些因素導(dǎo)致支撐力增大，將支撐軌道梁壓壞，導(dǎo)致轉(zhuǎn)體困難。故采用應(yīng)變計(jì)監(jiān)控輔助支承受力，應(yīng)變計(jì)共設(shè)4個(gè)，分別設(shè)在輔助支撐鋼管立柱外壁四周。

4.3.2 軌道梁受力監(jiān)測(cè)

支撐軌道梁應(yīng)力和位移監(jiān)測(cè)。該軌道梁共有18跨，為制作方便，原來的普通鋼箱梁截面簡(jiǎn)化為剛度相等的普通鋼板拼裝截面，測(cè)試截面選取關(guān)鍵的7個(gè)截面，每個(gè)截面有3個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)和2個(gè)位移測(cè)點(diǎn)。

5 模型試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

5.1 轉(zhuǎn)體過程橋面傾角變化

模型橋布置了4個(gè)傾角傳感器（見圖4），固定放在左右兩幅中間翼緣板處，用于監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)體過程中橋梁在順橋向和橫橋向的傾斜情況，實(shí)施監(jiān)控轉(zhuǎn)體情況。

圖4 傾角測(cè)點(diǎn)布置及編號(hào)

轉(zhuǎn)體過程橋面傾斜變化測(cè)試結(jié)果見表3。由表3可見，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中橋面傾角在50%配重時(shí)E4處最大為-0.42°，100%配重時(shí) E3處為0.3°，這種情況僅發(fā)生個(gè)別時(shí)刻突變（個(gè)別位置軌道頂面平整度不足），大多數(shù)情況橋面傾角變化范圍都在0.1°以內(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)。因此，實(shí)體橋時(shí)應(yīng)注意軌道頂面平整。

表3 模型轉(zhuǎn)體過程中傾角變化值

5.2 轉(zhuǎn)體過程撓度變化

下?lián)蠝y(cè)點(diǎn)在距離左右兩幅的長(zhǎng)臂端1 m處，平均每2 min讀1次數(shù)，無配重工況下測(cè)量了18次，最后一次為轉(zhuǎn)動(dòng)還原后的撓度變化；50%配重工況下共測(cè)量了17次，最后一次為轉(zhuǎn)動(dòng)還原后的撓度變化；100%配重工況下共測(cè)量了17次，最后一次為轉(zhuǎn)動(dòng)還原后的撓度變化。圖5～圖7為轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的長(zhǎng)臂端撓度變化測(cè)試結(jié)果。

圖5 模型結(jié)構(gòu)自重工況下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的撓度變化

模型結(jié)構(gòu)無配重情況下順轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)臂端度最大變化2.2 cm，回到位后左右兩幅撓度與順轉(zhuǎn)前相比最大變化為0.5 cm；50%配重順轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)臂端度最大變化2.5 cm，回到位后左右兩幅撓度與順轉(zhuǎn)前相比最大變化為0.9 cm；100%配重順轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)臂端度最大變化3.6 cm，回到位后左右兩幅撓度與順轉(zhuǎn)前相比最大變化為0.4 cm。從這些結(jié)果可以得出，轉(zhuǎn)體過程中長(zhǎng)臂端度變化較小，且回轉(zhuǎn)到位后變化也較小，說明轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)。

圖6 50%配重工況下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的撓度變化

圖7 100%配重工況下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的傾角變化

5.3 轉(zhuǎn)動(dòng)過程應(yīng)力變化

表4 模型轉(zhuǎn)體過程中各應(yīng)力變化

5.4 輔助支撐反力變化

本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆戳y(cè)試不采用常規(guī)的方法，采用新的測(cè)量方法——應(yīng)力測(cè)量法。整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中通過應(yīng)變片的變化來預(yù)測(cè)支反力的變化。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)整理分析如表5所示。從表5可知，模型轉(zhuǎn)動(dòng)過程中前支撐反力在50%配重和100%配重情況下最大變化量為2.7 t，相對(duì)變化率最大為9%，轉(zhuǎn)動(dòng)比較平穩(wěn)。模型結(jié)果與理論相吻合。

表5 模型轉(zhuǎn)體過程中前支撐反力變化

6 模型試驗(yàn)結(jié)論

從本次模型試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

（1）模型的撓度測(cè)試結(jié)果與理論結(jié)果比較吻合，長(zhǎng)臂端最大撓度12.50 cm，略大于理論值10.80 cm。實(shí)橋施工階段應(yīng)注意控制前支撐豎向位移對(duì)長(zhǎng)臂端撓度影響，建議適當(dāng)提高前支撐處梁底標(biāo)高。模型轉(zhuǎn)動(dòng)過程中長(zhǎng)臂端度撓度最大變化3.6 cm，回轉(zhuǎn)到位后撓度與順轉(zhuǎn)前相比最大變化為0.4 cm，說明轉(zhuǎn)體系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)。

（2）模型箱梁應(yīng)力最大為142.35 MPa，理論分析結(jié)果為162.82 MPa，平均相對(duì)誤差8%，絕大多數(shù)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力誤差在10%以下，試驗(yàn)結(jié)果和理論吻合較好。模型轉(zhuǎn)動(dòng)過程中箱梁最大應(yīng)力變化8.4 MPa，相對(duì)變化率8%；軌道梁最大應(yīng)力變化5.8 MPa，相對(duì)變化率9%。

（3）箱梁橫梁處最大應(yīng)力為194.13 MPa，理論為180.72 MPa，平均誤差為9%。

（4）軌道梁撓度最大為0.42mm，理論值0.42mm，平均偏差為8%；測(cè)量應(yīng)力最大為61.4 MPa，理論分析最大為62.0 MPa，平均偏差8%。除了少數(shù)點(diǎn)誤差較大外，絕大多數(shù)點(diǎn)誤差均在允許范圍內(nèi)，整體試驗(yàn)與理論吻合較好。

（5）轉(zhuǎn)體模型前支腿反力最大偏差為8%，與理論吻合較好。

（6）模型轉(zhuǎn)動(dòng)過程中橋面傾角變化在100%配重時(shí)為0.3°，這種情況僅發(fā)生個(gè)別位置（個(gè)別軌道梁接縫處），大多數(shù)情況橋面傾角變化范圍都在0.1°內(nèi)。因此，實(shí)體橋時(shí)應(yīng)注意軌道梁頂小車走行面平整度控制。

（7）模型轉(zhuǎn)動(dòng)過程中前支撐反力在50%配重和100%配重情況下相對(duì)變化率最大為7%，轉(zhuǎn)動(dòng)比較平穩(wěn)。

綜上所述，該轉(zhuǎn)體模型轉(zhuǎn)動(dòng)過程中各監(jiān)測(cè)參數(shù)與理論吻合較好，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，既可順轉(zhuǎn)也可回轉(zhuǎn)，驗(yàn)證了兩支點(diǎn)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的可行性。建議：適當(dāng)提高前支撐處梁底標(biāo)高，嚴(yán)格控制軌道梁軌道面的平整度，應(yīng)考慮滾動(dòng)小車滾輪曲線行走時(shí)內(nèi)外半徑變化。