橋梁轉(zhuǎn)體施工方案研究

鐘勇勇 朱洪洲 陳天培

1.重慶交通大學(xué)；2.福建省水利投資集團(tuán)（平潭）水務(wù)有限公司；3.合誠工程咨詢集團(tuán)股份有限公司

1 工程概況

青某機(jī)場處于核心區(qū)域，市域范圍內(nèi)居中位置，根據(jù)總體方案，跨鐵路橋梁均采用轉(zhuǎn)體法進(jìn)行施工。六路跨徑為62+62m，橋?qū)挒?1.8m?？玷F路橋梁均位于直線段，均為全預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件。

2 施工控制的依據(jù)、目的、原則與方法

2.1 施工控制的依據(jù)

轉(zhuǎn)體橋施工監(jiān)控實(shí)施方案依據(jù)下列規(guī)范及文件編制：

（1）JTG B01—2003《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》；

（2）JTG D60—2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》；

（3）JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》；

（4）JTG D63—2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》；

（5）JTJ 041—2000《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》；

（6）JTG F80/1—2004《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)（第一冊土建工程）》。

2.2 施工控制的目的

橋梁施工階段的控制是一個系統(tǒng)工程，主要包括二部分：一部分是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即監(jiān)測；另一部分是數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，即監(jiān)控。在該系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)圖只是理想目標(biāo)，而在自開工到竣工整個為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)而必須經(jīng)歷的過程中，將受到許許多多確定和不確定因素(誤差)的影響，包括在設(shè)計(jì)計(jì)算、材料性能、施工精度、荷載、大氣溫度等諸多方面存在理想狀態(tài)與實(shí)際狀態(tài)之間的差異，施工中如何從各種受誤差影響而失真的參數(shù)中找出相對真實(shí)之值，對施工狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時識別(監(jiān)測)、調(diào)整(糾偏)、預(yù)測，對設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是至關(guān)重要的。很多未重視有效施工控制的橋梁，在成橋后出現(xiàn)了內(nèi)力分配不合理、主梁線形不流暢的情況，有些甚至出現(xiàn)了嚴(yán)重的跨中下?lián)?，影響了橋梁的使用?/p>

2.3 施工控制的主要內(nèi)容

施工控制的主要內(nèi)容，主要進(jìn)行了以下幾個方面的工作。

（1）采用有限元軟件建立主梁結(jié)構(gòu)仿真模型，對主梁施工過程中的線形與應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，理論上得到各個施工階段的撓度與應(yīng)力數(shù)據(jù)。

（2）根據(jù)墩頂轉(zhuǎn)體施工要點(diǎn)，采用球鉸轉(zhuǎn)動測試不平衡力矩方法，制定詳細(xì)的稱重試驗(yàn)方法，得出轉(zhuǎn)動體不平衡力矩、摩阻系數(shù)、偏心距和摩阻力矩的計(jì)算方法，并得出了兩種平衡情況下的稱重方案。

2.4 施工控制的精度及原則

參照J(rèn)TJ 041—2000《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》和JTG F80/1－2004《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，結(jié)合目前測試儀器的精度范圍，控制精度初定見表1。

表1

3 轉(zhuǎn)體橋施工監(jiān)控有限元仿真分析

邁達(dá)斯有限元分析軟件在橋梁領(lǐng)域相當(dāng)成熟，尤其在模擬轉(zhuǎn)體橋轉(zhuǎn)體施工階段。用梁單元模擬主梁，將主梁離散為180個梁單元，用實(shí)體單元模擬橋墩，用劃分網(wǎng)格法離散橋墩單元，建立施工步驟。鈍化激活支座單元來模擬轉(zhuǎn)體過程中主梁與橋墩支座連接的變化[2]。

3.1 監(jiān)控計(jì)算的基本內(nèi)容

監(jiān)控計(jì)算主要是計(jì)算轉(zhuǎn)體的速度，轉(zhuǎn)體時間以及轉(zhuǎn)體過程中主梁的變形應(yīng)力以及橋墩應(yīng)力變化，如何科學(xué)合理的設(shè)置壓重。保證轉(zhuǎn)體橋施工過程主梁的穩(wěn)定性以免造成不可逆的后果，計(jì)算過程要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范，并將計(jì)算結(jié)果跟設(shè)計(jì)方進(jìn)行比較探討，保證施工方案安全可行。

3.2 計(jì)算模型的建立

有限元計(jì)算模型的建立對于大型工程是科學(xué)并且可行的，有限元模型將理論計(jì)算手段與計(jì)算機(jī)聯(lián)合起來，大大降低科學(xué)人員的計(jì)算量，有限元模型以矩陣論理論為理論基礎(chǔ)，將結(jié)構(gòu)物離散為有限單元，單元之間用節(jié)點(diǎn)分割。

4 轉(zhuǎn)體橋轉(zhuǎn)體施工配重方案

橋梁轉(zhuǎn)體安全主要在于主梁轉(zhuǎn)體過程的穩(wěn)定性，穩(wěn)定性的關(guān)鍵在壓重，所以如何建立平衡壓重的計(jì)算方法尤為重要，平衡壓重是轉(zhuǎn)體橋梁成敗的關(guān)鍵。

4.1 轉(zhuǎn)體橋主梁梁平衡稱重的原理和方法

（1）稱重原理。該橋主梁與橋墩處設(shè)置球鉸，本文稱重體系運(yùn)用主梁在球鉸轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的不平衡力矩的計(jì)算方法。轉(zhuǎn)體橋轉(zhuǎn)動過程中會有兩種情況：不平衡力矩（MG）大于轉(zhuǎn)動體摩阻力矩（MZ）或不平衡力矩（MG）小于球鉸摩阻力矩（MZ），主梁與球鉸細(xì)微的轉(zhuǎn)動將產(chǎn)生不平衡力矩，而球鉸轉(zhuǎn)動過程中客服自身摩擦產(chǎn)生的摩阻力與之相互平衡，構(gòu)成了轉(zhuǎn)體橋橋梁中平衡體系。

（2）稱重方法。球鉸轉(zhuǎn)動時不平衡力矩的測試。對于轉(zhuǎn)體橋整個體系，當(dāng)轉(zhuǎn)體橋不平衡力矩（MG）小于球鉸摩阻力矩（MZ），整個體系處于靜止?fàn)顟B(tài)，主梁不會產(chǎn)生位移。假如主梁重心在西側(cè)，如圖1稱重示意圖所示，則在東側(cè)橋墩處施加力P1，隨著P1增加球鉸會發(fā)生非常小的轉(zhuǎn)動，此時關(guān)掉千斤頂并將回油卡死保持P1不變，公式如下：

圖1 稱重試驗(yàn)a

假如轉(zhuǎn)體橋梁整個中心在東側(cè)，我們在主梁西側(cè)加力P2，隨著P2的增加橋墩球鉸會發(fā)生細(xì)微的轉(zhuǎn)動，這時候關(guān)掉千斤頂并且把回油卡死保證P2數(shù)值不變，所得公式如下：

圖2 稱重試驗(yàn)b

根據(jù)式（1），（2）解聯(lián)立方程：

不平衡力矩

摩阻力矩

圖3 百分表和千斤頂

當(dāng)轉(zhuǎn)體橋梁不平衡力矩（MG）大于球鉸摩阻力矩（Mz）時，此時解除主梁與橋墩處的臨時固結(jié)，主梁將發(fā)生轉(zhuǎn)動。如圖2，假設(shè)轉(zhuǎn)體橋主梁的重心在西側(cè)，此時在轉(zhuǎn)體橋墩頂?shù)奈鱾?cè)施加力P3，隨著P3不斷增加，主梁西側(cè)接觸球鉸的一端被抬起球鉸會輕微轉(zhuǎn)動，此時關(guān)掉千斤頂并關(guān)掉回油，公式如下：

然后打開千斤頂回油，千斤頂回落過程中轉(zhuǎn)體橋球鉸會發(fā)生輕微的轉(zhuǎn)動此時記錄P3有：

聯(lián)立方程（5）和（6）得

不平衡力矩：

摩阻力矩：

4.2 轉(zhuǎn)體橋梁主梁平衡稱重時球鉸摩擦系數(shù)和偏心距的計(jì)算

轉(zhuǎn)體橋梁在壓重實(shí)驗(yàn)過程，轉(zhuǎn)體橋主梁與橋墩連接的球鉸會發(fā)生順時針或者逆時針的轉(zhuǎn)動，由于主梁東西測不平衡配重，轉(zhuǎn)體橋主體的重心并不在球鉸重心處，使得轉(zhuǎn)體橋主梁與橋墩接觸的上下球鉸之間產(chǎn)生摩阻力距。

為盡可能減小球鉸的摩阻力，球鉸處加入黃油，根據(jù)實(shí)驗(yàn)以及工程經(jīng)驗(yàn)所得：

球摩擦系數(shù)：

偏心距為：

N——轉(zhuǎn)動體重量。

4.3 平衡轉(zhuǎn)體配重方案

假設(shè)轉(zhuǎn)體橋梁在橋墩球鉸支撐處是平衡的，在主梁兩端施加配重保證轉(zhuǎn)體橋主梁重心與球鉸中心線重合。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是好計(jì)算，配重方便。缺點(diǎn)是無法保證轉(zhuǎn)體橋在轉(zhuǎn)動過程中主梁重心與球鉸中心線也是重合的。

此方案的配重可按式（11）計(jì)算：

G1——此方案需要加的配重；

N——轉(zhuǎn)體實(shí)際總重量；

E——轉(zhuǎn)體初始偏心距；

L0——懸臂長度；

l——配重距梁端的距離。

4.4 轉(zhuǎn)動前的準(zhǔn)備工作

橋梁轉(zhuǎn)體到位后要設(shè)置臨時支撐，目的是限制主梁的位移，以便安全合龍。

（1）轉(zhuǎn)動體橋梁主梁安全防護(hù)施工。鐵路橋梁是民生之本，在國內(nèi)交通中擔(dān)當(dāng)著重任，為了在轉(zhuǎn)體施工過程中保證鐵路橋的安全，需要設(shè)置安全網(wǎng)。

（2）拆除砂箱、清理滑道。拆除橋墩處的固定裝置，將滑道上的污物清理干凈，為了保證轉(zhuǎn)體裝置轉(zhuǎn)體過程中滑潤，需要抹上黃油或者其他潤滑劑。

（3）千斤頂安裝及其標(biāo)定工作。千斤頂在安裝就位前，需要到專業(yè)部門進(jìn)行標(biāo)定，按照專業(yè)程序標(biāo)定好的千斤頂，需要空載運(yùn)送到工作地點(diǎn)。

（4）牽引索的預(yù)緊。千斤頂?shù)睦π枰獱恳鱾鹘o主梁，牽引索必須保證能夠承受千斤頂?shù)睦?，所以牽引索需?kN～lOkN 的拉預(yù)警，重復(fù)幾次，保證牽引索的索絲在拉力作用下均勻受力。

（5）防超轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)置。主梁體量很大，一旦轉(zhuǎn)動起來，由于慣性作用很容易超轉(zhuǎn)，搭建臨時支撐限制主梁位移，確保主梁轉(zhuǎn)動到位后能夠停止運(yùn)動。

（6）車甫助頂推裝置準(zhǔn)備。如何設(shè)置微調(diào)裝置也是轉(zhuǎn)體施工的關(guān)鍵，為確保主橋轉(zhuǎn)體后能到達(dá)準(zhǔn)確位置方便合龍，需設(shè)置反頂推裝置。

（7）天氣條件。風(fēng)速對轉(zhuǎn)體橋梁施工影響很大，在轉(zhuǎn)體施工開始前一周，要觀測天氣狀況，并聯(lián)系氣候觀測部門，預(yù)測未來一周的天氣狀況，轉(zhuǎn)體施工過程風(fēng)速不能大于四級。