不對(duì)稱梁段多支點(diǎn)齒輪傳動(dòng)轉(zhuǎn)體施工技術(shù)

郭昭贏

(中鐵十一局集團(tuán)第二工程有限公司，湖北 十堰 442013)

0 引 言

目前，不對(duì)稱梁段轉(zhuǎn)體施工一般采用在短臂端進(jìn)行平衡配重的方案?？梢圆捎没炷翂K、水袋、砂袋及鋼卷等材料充當(dāng)配重塊，稱重后，通過(guò)調(diào)整配重塊的數(shù)量及堆放位置等方式，讓轉(zhuǎn)體梁的重心與轉(zhuǎn)體球鉸的中心盡量重合，使轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定與平衡。例如：蒙華鐵路煤運(yùn)專線李家灣跨焦柳線轉(zhuǎn)體橋工程[1]；興延高速公路上跨京包鐵路轉(zhuǎn)體橋工程[2]；西咸北環(huán)線高速公路上跨隴海鐵路轉(zhuǎn)體橋工程[3]；太原市北中環(huán)線工程跨石太客專及石太線立交橋工程[4]。

在轉(zhuǎn)體球鉸支點(diǎn)兩端梁體質(zhì)量偏差極大，采用完全配重仍不能使轉(zhuǎn)體達(dá)到平衡狀態(tài)，或者配重后梁體應(yīng)力大、轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)不安全的工況下，需要采取其他辦法使轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平衡、穩(wěn)定。本文論述的不對(duì)稱梁段多支點(diǎn)齒輪傳動(dòng)轉(zhuǎn)體施工技術(shù)可以解決以上難題[5]，在質(zhì)量大的一側(cè)梁底設(shè)置輔助前支撐[6]，同時(shí)在質(zhì)量小的梁端進(jìn)行配重，靠配重及輔助前支撐的共同作用使轉(zhuǎn)體達(dá)到平衡狀態(tài)。在輔助前支撐處設(shè)置轉(zhuǎn)體驅(qū)動(dòng)力，解決中心球鉸牽引力過(guò)大的問(wèn)題，創(chuàng)新性地提出了齒輪齒條電機(jī)新型轉(zhuǎn)體驅(qū)動(dòng)方式，在弧形軌道梁上設(shè)置齒輪、齒條、滾輪小車、電機(jī)和減速機(jī)，由電機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)減速機(jī)和齒條的傳動(dòng)，帶動(dòng)滾輪小車和梁體。本轉(zhuǎn)體方案具有轉(zhuǎn)體驅(qū)動(dòng)力較小、自動(dòng)化程度高、可一鍵操作、既可正轉(zhuǎn)又可反轉(zhuǎn)等特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)。本文重點(diǎn)介紹該轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的組成[7]、轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)安裝及轉(zhuǎn)體前后各階段的施工方法，為以后類似施工提供借鑒。

1 工程概況

武漢市常青路主線高架橋在27#～29#墩處采用(95+105)m連續(xù)鋼箱梁橋跨越漢口火車站南咽喉9股道及道岔，橋梁上部結(jié)構(gòu)為分幅變高度直腹板連續(xù)鋼箱梁，分左右幅布置[8]，如圖1所示；主墩處根部梁高6.5 m，端部梁高3.0 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，雙幅橋面總寬度為51.0 m。

圖1 轉(zhuǎn)體橋橋型布置

本橋梁采用墩頂轉(zhuǎn)體法施工[9]。但是，由于施工場(chǎng)地狹窄，且現(xiàn)場(chǎng)拆遷困難，采用不對(duì)稱轉(zhuǎn)體，轉(zhuǎn)體梁段以轉(zhuǎn)體球鉸中心為界，兩端長(zhǎng)度分別為43.8、91.4 m，質(zhì)量相差3 630 t。若采用常規(guī)轉(zhuǎn)體施工技術(shù)，會(huì)因?yàn)榕渲貕K過(guò)多、堆載過(guò)高而引發(fā)梁體局部應(yīng)力超過(guò)允許值和不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)。

2 多支點(diǎn)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的組成

本轉(zhuǎn)體方案參考了常規(guī)轉(zhuǎn)體的滑道和撐腳的思路，將滑道和撐腳半徑往外擴(kuò)展，讓原來(lái)不平衡時(shí)才受力的撐腳轉(zhuǎn)化為始終受力，形成多點(diǎn)支撐體系。轉(zhuǎn)體系統(tǒng)由中心球鉸、輔助前支撐、滾輪小車、弧形軌道梁、齒輪、齒條、電機(jī)減速機(jī)及機(jī)架組成，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)及其斷面如圖2、3所示。

圖2 多支點(diǎn)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)

圖3 多支點(diǎn)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)斷面

中心球鉸主要由上支座板、轉(zhuǎn)軸、耐磨板、下支座板、螺栓、錨碇鋼棒等部分組成[10]。頂部尺寸為長(zhǎng)3.50 m、寬3.50 m、厚0.42 m，底部用4根直徑為215 mm、長(zhǎng)732 mm的錨碇鋼棒固定在球鉸加高臺(tái)上。

輔助前支撐為Φ1 200 mm×16 mm鋼管，內(nèi)灌C50膨脹混凝土，采用焊接及栓接的方式連接滾輪小車車架與鋼箱梁底。

滾輪小車由車架、滾輪、鏈板、鏈板軸等零部件組成，在工廠加工制造。滾輪小車采用雙排短滾子結(jié)構(gòu)，滾子直徑為100 mm，長(zhǎng)度為150 mm，材料為GCr15。為了適應(yīng)弧形運(yùn)動(dòng)，使用錐形滾子。滾輪車架主要采用Q345板材焊接加工而成，其中支承板采用35CrMo的材料加工而成。滾輪小車頂部裝著硫化橡膠支座，用來(lái)均載。

弧形軌道梁的作用是承受前支撐的豎向荷載、提供滾輪小車滾動(dòng)平臺(tái)和安裝固定軌道系統(tǒng)齒條，主要由滑動(dòng)平臺(tái)、鋼管立柱、承臺(tái)和鉆孔樁基礎(chǔ)組成，平面布置在距離轉(zhuǎn)體中心27.1 m處，弧形平臺(tái)全長(zhǎng)81.5 m。滑動(dòng)平臺(tái)采用鋼板焊接而成的小型鋼箱梁，頂部寬2.0 m，底部寬3.6 m，高2.0 m。

為便于調(diào)整齒條平整度及圓順度，采用分段運(yùn)輸及安裝，設(shè)置空心調(diào)平架，安裝完成后采用灌漿填充調(diào)平架[11]。安裝減速機(jī)的機(jī)架鉸接在臺(tái)車架上，減速機(jī)可以沿回轉(zhuǎn)中心徑向游動(dòng)，游動(dòng)距離±10 mm，保證了轉(zhuǎn)體系統(tǒng)具有自適應(yīng)的柔性運(yùn)動(dòng)功能。

3 多支點(diǎn)轉(zhuǎn)體施工

3.1 施工工藝流程

為了驗(yàn)證本轉(zhuǎn)體方案的可行性，在實(shí)橋轉(zhuǎn)體前，按實(shí)橋1∶5的尺寸制作了大比尺鋼箱梁轉(zhuǎn)體模型，并進(jìn)行了試驗(yàn)[12]。利用有限元軟件建立本轉(zhuǎn)體橋施工模型[13]，對(duì)實(shí)橋施工過(guò)程進(jìn)行模擬分析和施工監(jiān)控，對(duì)施工步驟進(jìn)行優(yōu)化，為實(shí)橋轉(zhuǎn)體各階段施工提供理論指導(dǎo)。施工工藝流程見(jiàn)圖4，以下重點(diǎn)介紹與常規(guī)轉(zhuǎn)體不一樣的工序。

圖4 多支點(diǎn)齒輪傳動(dòng)轉(zhuǎn)體施工工藝流程

3.2 軌道梁施工

鋼管立柱及滑動(dòng)平臺(tái)均由廠內(nèi)加工制造，再運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)吊裝、焊接[14]。滑動(dòng)平臺(tái)頂面平整度要求為相鄰節(jié)段不超過(guò)±10 mm，接頭不能錯(cuò)臺(tái)，焊縫需打磨平整。為了消除轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的輔助支撐變形，正式轉(zhuǎn)體前需對(duì)軌道梁按1.2倍荷載進(jìn)行預(yù)壓，消除非彈性變形。

3.3 齒條安裝與灌漿

按照齒條編號(hào)順序，將第1節(jié)齒條吊裝在軌道梁滑動(dòng)平臺(tái)上，通過(guò)調(diào)平架上的調(diào)平螺母調(diào)整齒條標(biāo)高與水平，使用倒鏈調(diào)整齒條的平面位置；采用相同的辦法依次完成所有節(jié)段的齒條安裝。采用高強(qiáng)無(wú)收縮灌漿料填充調(diào)平架，完成后需要檢查密實(shí)度。齒條安裝精度要求如下。

(1)頂面水平度、標(biāo)高均不大于2 mm。

(2)半徑偏差不大于2 mm。

(3)整體焊接完成后，小車走行平整度為每米范圍不大于1 mm，總平整度不大于2 mm。

3.4 拆除部分鋼箱梁拼裝支架

本工程的鋼箱梁采用支架法分塊吊裝、焊接成整體，支架由擴(kuò)大基礎(chǔ)、鋼管立柱、分配梁及調(diào)節(jié)柱組成。從球鉸中心往兩側(cè)開始對(duì)稱拆除轉(zhuǎn)體段鋼箱梁拼裝支架，拆除短臂端全部支架和長(zhǎng)臂端球鉸43.8 m范圍內(nèi)的支架。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)，此時(shí)球鉸反力為42 940 kN，剩余支架最大荷載為1 879 kN，短臂端撓度為69.6 mm，滿足安全轉(zhuǎn)體要求。

3.5 拆除短臂端配重及支架

采用混凝土塊配重，單塊總約3.3 t，用汽車吊吊裝、堆放?？鄢龢蛄簯冶郯?，單幅橋?qū)?6.5 m，沿寬度方向堆20塊、長(zhǎng)度方向堆10塊，共堆2層。單幅配重1 260.6 t，全橋配重2 521.2 t[15]。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)，此時(shí)球鉸反力為84 968 kN，剩余支架最大荷載為1 220 kN，短臂端撓度為359.0 mm，滿足安全轉(zhuǎn)體要求。

保留長(zhǎng)臂端梁端及稱重支架，拆除其余支架。

3.6 拆除稱重及支架

本項(xiàng)目稱重只要測(cè)出前支撐實(shí)際承受的荷載在允許范圍內(nèi)即可，比常規(guī)轉(zhuǎn)體稱重更簡(jiǎn)單、更方便[16]。稱重方法如圖5所示。

(1)在長(zhǎng)臂端頭部放置一個(gè)百分表，稱重支架處放置千斤頂，逐級(jí)開始頂升。

(2)當(dāng)長(zhǎng)臂端頭部開始出現(xiàn)位移時(shí)，記下此時(shí)的千斤頂壓力，根據(jù)標(biāo)定得出的線性回歸方程算出頂升力F。

(3)根據(jù)相關(guān)距離計(jì)算出前支撐處的支反力R為53.4F/23.6。

3.7 安裝前支撐及轉(zhuǎn)體

在稱重支架上安裝千斤頂，調(diào)整梁底標(biāo)高，使梁底楔形塊保持水平，與前支撐頂部鋼板密貼，確保前支撐垂直承受梁的重力，不會(huì)產(chǎn)生水平方向的分力，從而使?jié)L輪小車行走更穩(wěn)定。

完成前支撐安裝后，可以拆除長(zhǎng)臂端剩余的支架，轉(zhuǎn)體梁的不平衡重力全部由前支撐承擔(dān)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)，此時(shí)球鉸反力為73 620 kN，前支撐反力為6 890 kN，箱梁應(yīng)力為162 MPa，長(zhǎng)臂端下?lián)蠟?30.0 mm，短臂端撓度為246.0 mm。

轉(zhuǎn)體前需要核實(shí)轉(zhuǎn)體范圍內(nèi)的障礙物是否被清除，做好梁體臨邊防護(hù)；啟動(dòng)電機(jī)電源，可實(shí)現(xiàn)一鍵完成轉(zhuǎn)體。

3.8 合龍段施工及拆除前支撐

鋼箱梁轉(zhuǎn)體正位后，通過(guò)懸臂端下方支架臨時(shí)千斤頂調(diào)整合龍段梁體標(biāo)高，拆除轉(zhuǎn)體輔助前支撐，無(wú)應(yīng)力吊裝及焊接合龍段梁體[17]。

3.9 拆除配重、球鉸及落梁體系轉(zhuǎn)換

鋼箱梁合龍后，在主墩頂安裝千斤頂，總起頂力為4 000 t，左右幅對(duì)稱拆除短臂端配重塊；在兩邊墩頂安裝千斤頂，主邊墩頂同時(shí)頂起，直至球鉸脫空，此時(shí)拆除球鉸與鋼箱梁的連接螺栓，用繩鋸鋸斷錨碇鋼棒，拆除轉(zhuǎn)體球鉸；然后主邊墩千斤頂同時(shí)下落，連接正式支座，完成橋梁體系轉(zhuǎn)換[18]，至此橋梁施工完成。

4 結(jié) 語(yǔ)

武漢市常青路轉(zhuǎn)體橋施工技術(shù)突破了傳統(tǒng)的單支點(diǎn)轉(zhuǎn)體技術(shù)，創(chuàng)新性地采用了設(shè)置輔助前支撐的弧形軌道行走的多支點(diǎn)支撐形式和新型齒輪齒條驅(qū)動(dòng)方式，解決了不對(duì)稱轉(zhuǎn)體橋施工不平衡問(wèn)題。

(1)本工程借鑒傳統(tǒng)轉(zhuǎn)體施工的撐腳和滑道的思路，將其向外延伸，提出了不對(duì)稱轉(zhuǎn)體輔助前支撐轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，解決了不對(duì)稱轉(zhuǎn)體不平衡的難題，最終使轉(zhuǎn)體達(dá)到平衡、安全、穩(wěn)定的狀態(tài)。

(2)輔助前支撐采用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦移動(dòng)形式。滾輪小車滑動(dòng)形式設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、制作方便、摩擦力小，以滾動(dòng)摩擦代替常規(guī)的轉(zhuǎn)體滑動(dòng)摩擦可以減小轉(zhuǎn)體牽引力，使轉(zhuǎn)體更方便、安全。

(3)創(chuàng)新了轉(zhuǎn)體梁轉(zhuǎn)體牽引技術(shù)。研制了新型齒輪齒條驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)體動(dòng)力裝置，可一鍵操控，自動(dòng)性更強(qiáng)，可以隨時(shí)控制轉(zhuǎn)體的速度和方向，既可正轉(zhuǎn)也可反轉(zhuǎn)，保證了轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的可控性和安全性。

通過(guò)對(duì)武漢常青路跨鐵路立交橋轉(zhuǎn)體工程的研究，提出了極不對(duì)稱轉(zhuǎn)體輔助前支撐轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的施工步驟和施工監(jiān)控方案，首例工程成功轉(zhuǎn)體進(jìn)一步證明該轉(zhuǎn)體技術(shù)和研究成果的可行性和先進(jìn)性，為今后類似條件下的極不對(duì)稱轉(zhuǎn)體橋提供了借鑒。對(duì)今后的一些類似跨越鐵路、重要道路、建筑物、河流、深谷等必須應(yīng)用轉(zhuǎn)體施工的橋梁具有重要的指導(dǎo)意義，可以減少不必要的拆遷，降低施工總成本和縮短工期，應(yīng)用前景廣泛。