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

柴輝照

山西省交通科技研發(fā)有限公司 山西太原 030032

隨著城市交通流量的持續(xù)增長，規(guī)劃建設(shè)的交通網(wǎng)也日漸密集，促使大量轉(zhuǎn)體橋梁得到了建設(shè)。運(yùn)用轉(zhuǎn)體施工技術(shù)，是橋梁結(jié)構(gòu)在非設(shè)計(jì)軸線位置澆筑或拼接成形后，依靠動(dòng)力將橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)就位，可以將高空作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)殛懙厥┕?，降低施工成本的同時(shí)，提高工程建設(shè)安全性，創(chuàng)造更多經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。而不對稱梁段的轉(zhuǎn)體施工存在配重?zé)o法平衡的情況，需要利用多支點(diǎn)齒輪傳統(tǒng)轉(zhuǎn)體技術(shù)保證結(jié)構(gòu)平穩(wěn)，需做到科學(xué)運(yùn)用相關(guān)施工技術(shù)，保證工程建設(shè)質(zhì)量和安全。

1 工程概況

某高架橋橋墩采用連續(xù)鋼箱梁施工，上部為分幅變高度箱梁結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行左右副布置。主墩根部梁高6.5m，端部高3m，直腹板連續(xù)鋼箱梁高度呈現(xiàn)出拋物線變化趨勢，單幅梁面寬25.5m，底寬16.5m，總寬51m。墩頂采用轉(zhuǎn)體法施工，但場地空間有限，需要利用不對稱轉(zhuǎn)體，將球鉸中心當(dāng)成是梁段界限，兩端分別長44m和91m，質(zhì)量差達(dá)到3600t。

2 不對稱梁段配重問題

在不對稱梁段轉(zhuǎn)體施工期間，以往需要在短臂端配置混凝土塊、砂帶等配重塊，在合理調(diào)整配重塊數(shù)量和堆放位置的情況下，能夠平衡配重，使轉(zhuǎn)體梁中心和球鉸中心重合，維持結(jié)構(gòu)平衡。但在實(shí)際施工期間，球鉸支點(diǎn)兩端梁質(zhì)量相差較大，難以使轉(zhuǎn)體保持平衡態(tài)，給結(jié)構(gòu)使用安全帶來了一定威脅。利用多支點(diǎn)齒輪傳統(tǒng)轉(zhuǎn)體施工方法，在質(zhì)量大的梁端梁底一側(cè)設(shè)置輔助支撐，并在質(zhì)量小的梁端配重，保持結(jié)構(gòu)平衡。但球鉸在牽引過程中將承受較大的力，需要依靠支撐位置齒輪轉(zhuǎn)體提供驅(qū)動(dòng)力，解決工程施工難題。而將球鉸支撐和前支撐結(jié)合起來，通過提供多點(diǎn)支撐能夠減小結(jié)構(gòu)間的摩擦系數(shù)，使轉(zhuǎn)動(dòng)牽引力大幅度減小[1]。但在實(shí)際施工過程中，需要保證達(dá)到較高施工精度，提高轉(zhuǎn)體施工質(zhì)量的同時(shí)，確保人員作業(yè)安全。

3 多指支點(diǎn)齒輪傳動(dòng)轉(zhuǎn)體施工技術(shù)應(yīng)用

3.1 施工方案

按照上述思路，需要在戶型軌道梁上布置齒輪、電機(jī)、減速機(jī)、滾輪小車等，布置的滑道和撐腳相較于常規(guī)轉(zhuǎn)體保持外展開狀態(tài)，確保撐腳始終處于受力狀態(tài)，提供多點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)。采用錨碇鋼棒，可以將球鉸支座板固定在加高臺(tái)上，然后利用焊接方式將輔助支撐可以滾輪車架連接，利用錨栓將支撐固定在箱梁底[2]。滾輪小車頂部為橡膠支座，能夠均分結(jié)構(gòu)承受的載荷。依靠軌道梁承受支撐載荷，并提供滾動(dòng)平臺(tái)和齒條，在轉(zhuǎn)體中心位置布置弧形滑動(dòng)平臺(tái)。通過分段運(yùn)輸，完成齒條分段安裝，能夠利用調(diào)平架對齒條圓順度和平整度進(jìn)行調(diào)整。在車架上安裝減速機(jī)，能夠沿著回轉(zhuǎn)中心徑向做自適應(yīng)柔性運(yùn)動(dòng)。為驗(yàn)證方案是否有效，利用有限元軟件MidasCivil建立空間模型，將主梁簡化為梁單元，利用剛性連接與橋墩進(jìn)行臨時(shí)固結(jié)。轉(zhuǎn)體主墩采用固定支座，其余為活動(dòng)支座。分工情況進(jìn)行荷載施加，對橋梁上部箱梁受力展開分析，然后利用3D實(shí)體建模對轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)力學(xué)展開分析，可以獲得轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)模型。通過有限元分析，在橋墩截面位置施加均勻分布的荷載，確定球鉸位置最大應(yīng)力可以達(dá)到平均值的三倍。而依靠前端支撐結(jié)構(gòu)游動(dòng)，可以減輕受力，保證結(jié)構(gòu)受力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 支撐系統(tǒng)施工

在轉(zhuǎn)體施工前，需要完成支撐系統(tǒng)安裝，保證轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平穩(wěn)。從系統(tǒng)組成上來看，包含滑動(dòng)平臺(tái)、球鉸、齒條灌漿等。在滑動(dòng)平臺(tái)施工期間，采用鋼板焊接小型鋼箱梁作為平臺(tái)，高2m，頂部和底部寬分別為2m和3.6m。在距離轉(zhuǎn)體中心27m位置，需要布置由平臺(tái)、鋼管立柱、鉆孔樁和承臺(tái)構(gòu)成的弧形平臺(tái)，長81m。在現(xiàn)場拼接滑道鋼板，需要使鋼板朝下，在環(huán)形角鋼上焊接骨架，確保各支腿均勻分布在鋼板上。完成支腿點(diǎn)焊后，在外側(cè)焊接斜拉角鋼，實(shí)施滿焊處理。利用調(diào)節(jié)螺栓，能夠?qū)ζ脚_(tái)吊裝變形和誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)。在軌道梁施工期間，平臺(tái)頂面相鄰節(jié)平整度不超±10mm，焊縫平整，接頭位置無錯(cuò)臺(tái)問題。為消除轉(zhuǎn)動(dòng)過程中可能發(fā)生的輔助支撐變形問題，需要按1.2倍荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)預(yù)壓，有效消除結(jié)構(gòu)的非彈性變形。在承臺(tái)澆筑時(shí)，需要在滑道位置設(shè)置澆，采用同等級微膨脹混凝土，確保鋼板和承臺(tái)緊密貼合，防止因結(jié)構(gòu)收縮引發(fā)脫空現(xiàn)象，達(dá)到有效承力的目標(biāo)。

球鉸為系統(tǒng)核心結(jié)構(gòu)，需要達(dá)到較高安裝精度。在底座板安裝階段，需要將平面誤差和高程誤差控制在1m以下。由于不對稱梁段使用大噸位轉(zhuǎn)體，容易形成不平力矩，在底座板吊裝就位后調(diào)位較為困難，因此需使用調(diào)位支架。固定底座板后，可以在板下設(shè)置調(diào)節(jié)螺栓，用于高程調(diào)節(jié)。對下承臺(tái)混凝土進(jìn)行澆筑，需要預(yù)埋槽鋼、螺紋鋼，位于定位鍵下方，避免發(fā)揮支撐作用的螺紋鋼位于振搗孔下方[3]。

在齒條灌漿階段，按照編號在滑動(dòng)平臺(tái)上逐節(jié)吊裝齒條，需要先利用調(diào)平螺母和倒鏈加強(qiáng)標(biāo)高和水平偏差調(diào)節(jié)。完成各階段齒條安裝后，可以利用高強(qiáng)無收縮灌漿料對調(diào)平架進(jìn)行填充，確認(rèn)密實(shí)度達(dá)到要求的同時(shí)，頂面水平度、標(biāo)高和半徑偏差不超2mm。完成結(jié)構(gòu)整體焊接后，滾輪小車走行范圍內(nèi)每m平整度不差1mm，總體不超2mm。

3.2.2 稱重及配重

在分塊吊裝鋼箱梁時(shí)，需要采用鋼管立柱、調(diào)節(jié)柱、擴(kuò)大基礎(chǔ)等提供支撐力，從球鉸中心開始，向兩側(cè)逐步拆除拼裝支架，然后將短臂和長臂端的球鉸支架一一拆除。通過現(xiàn)場測量，確定球鉸反力達(dá)到43000kN，未拆除支架最大荷載為1880kN，短臂撓度達(dá)到70mm，可以安全轉(zhuǎn)體。而針對不對稱梁段，需要加強(qiáng)稱重和配重分析，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在轉(zhuǎn)體落架前對不平衡重展開分析，在箱梁端進(jìn)行平衡壓重混凝土澆筑，能夠完成預(yù)配重。配重混凝土塊重3.3t，在橋?qū)?6m的條件下堆放20塊，長度方向放置10塊，采取2層堆疊方式，全橋配重能夠達(dá)到2500t，單幅約為1260t。通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)球鉸產(chǎn)生85000kN反力，支架最大荷載達(dá)到1200kN，短臂撓度達(dá)到360mm，可以達(dá)到轉(zhuǎn)體施工要求。將長臂承重支架保留，對其余支架進(jìn)行拆除，需確認(rèn)前支撐能夠提供足夠支撐力。

稱重時(shí)在長臂端布置百分表，支架位置布置千斤頂。通過逐級頂升，發(fā)現(xiàn)端頭存在位移記錄壓力值，可以確定支撐位置的支反力。利用千斤頂完成梁底標(biāo)高調(diào)整后，使楔形塊保持水平，緊密貼合支撐頂部鋼板，使結(jié)構(gòu)垂直承受箱梁重力。由于不存在水平分離，能夠保證滾輪小車平穩(wěn)運(yùn)行?，F(xiàn)場檢測確認(rèn)，球鉸反力達(dá)到73600kN，前支撐反力達(dá)到6900kN，箱梁應(yīng)力達(dá)到162MPa，短臂和長臂撓度分別可以達(dá)到246mm和530mm，能夠依靠前支撐承受不平衡重力，順利將剩余支架拆除。通過稱重和配重分析，能夠確保成橋后結(jié)構(gòu)受力合理，因此在轉(zhuǎn)體吊裝就位后可以投入施工。在轉(zhuǎn)動(dòng)前，需要開展不平衡力矩測試，即利用球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)法開展稱重試驗(yàn)，確認(rèn)不平衡力矩能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。根據(jù)測試結(jié)果優(yōu)化配重設(shè)計(jì)，可以為后續(xù)施工提供保障。通過現(xiàn)場測量，可以發(fā)現(xiàn)配重后懸臂端不平衡力矩實(shí)測值相較于理論值較小，可以滿足轉(zhuǎn)體施工要求。

3.2.3 轉(zhuǎn)體施工

完成驅(qū)動(dòng)設(shè)備、牽引索等設(shè)施安裝等一系列前期準(zhǔn)備后，將球鉸、環(huán)道等清理干凈后，可以進(jìn)行牽引索預(yù)緊，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)體施工。應(yīng)認(rèn)識(shí)到牽引索、反力座及其動(dòng)力系統(tǒng)為關(guān)鍵部分。在布置千斤頂時(shí)，應(yīng)確保與支撐系統(tǒng)返利做相互平行，維持結(jié)構(gòu)對稱性。牽引索采用鋼絞線，在上轉(zhuǎn)盤預(yù)埋，應(yīng)確認(rèn)中心線和外緣相切，與千斤頂中心線保持水平。做好表面油污、銹跡清理，將既定索道方向當(dāng)成是基礎(chǔ)排列鋼絞線，從千斤頂穿過后應(yīng)夾緊，保證持力一致。

從施工過程上來看，劃分為試轉(zhuǎn)、正式轉(zhuǎn)體兩個(gè)過程，在正式轉(zhuǎn)體期間需要做好精調(diào)對位等操作。利用連續(xù)張拉千斤頂施工，并配備液壓泵站和主控臺(tái)構(gòu)成傳動(dòng)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，每套千斤頂維持20MPa額定油壓，能夠提供4500kN牽引力。

在試轉(zhuǎn)過程中，考慮到箱梁為不對稱結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的不平衡力矩存在差異，需要加強(qiáng)系統(tǒng)狀態(tài)檢驗(yàn)，對各項(xiàng)轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行采集，為后續(xù)正式施工提供科學(xué)依據(jù)。實(shí)時(shí)監(jiān)測轉(zhuǎn)動(dòng)主橋角度和懸臂水平弧線距，每分鐘確認(rèn)是否可以達(dá)到轉(zhuǎn)體時(shí)間要求。通過點(diǎn)動(dòng)方式，能夠確定每次移動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的弧線距，在轉(zhuǎn)體初步到位后進(jìn)行精確定位。在停止?fàn)恳?，需要對梁體因慣性產(chǎn)生的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。將拉力啟動(dòng)后，需要確認(rèn)千斤頂?shù)捻斄Υ笮。⒃诔掷m(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)確定頂力值。通過5、10、20s的點(diǎn)動(dòng)測試，試轉(zhuǎn)5°和11°，最終可以確定最佳參數(shù)值。

在正式轉(zhuǎn)體期間，對千斤頂進(jìn)行同步張拉，并完成分級加載。通過將各千斤頂油腔并聯(lián)，并確認(rèn)泵站溢流閥相通，能夠利用牽引設(shè)備操縱轉(zhuǎn)體過程。期間，應(yīng)加強(qiáng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和進(jìn)尺長觀測，確保轉(zhuǎn)體速度達(dá)到要求。在箱梁距離設(shè)計(jì)位置1m時(shí)，需要進(jìn)行電動(dòng)操作，每次進(jìn)行軸線走行數(shù)據(jù)測報(bào)，直至精確就位。在轉(zhuǎn)體角剩2°時(shí)，減小轉(zhuǎn)體速度，在距離就位位置1m時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。在軸線調(diào)整到位后，對各懸臂端高程進(jìn)行測量，保證結(jié)果準(zhǔn)確。完成主梁標(biāo)高、垂直度等數(shù)據(jù)測量，對轉(zhuǎn)體姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，能夠保證兩端順利對接。通過在轉(zhuǎn)盤四個(gè)角點(diǎn)設(shè)置經(jīng)歷水準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)，可以自動(dòng)上傳數(shù)據(jù)，對結(jié)構(gòu)平穩(wěn)性進(jìn)行監(jiān)測。對稱布置微調(diào)千斤頂，可以在轉(zhuǎn)體傾斜偏差超出警戒值時(shí)用于微調(diào)，使轉(zhuǎn)體小幅度轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到高精度要求。

3.2.4 合龍施工

在合龍施工階段，依靠轉(zhuǎn)臺(tái)千斤頂提供頂力，做好中跨合龍口的標(biāo)高調(diào)整。確認(rèn)無問題后，可以使用鋼鍥塊填塞支撐腳和環(huán)道之間的縫隙，做到牢固焊接。在合龍位置，需要完成臨時(shí)墩的搭設(shè)。使用千斤頂將合龍口位置的鋼箱梁頂上，可以根據(jù)預(yù)測分析獲得的預(yù)拋值對兩側(cè)高程進(jìn)行控制，確認(rèn)達(dá)到合龍要求。在整個(gè)合龍過程中，關(guān)鍵在于控制頂梁期高程，完成梁體受力狀態(tài)校核，保證結(jié)構(gòu)施工順利完成。通過在懸臂端下方臨時(shí)設(shè)置千斤頂，可以用于合龍段的標(biāo)高調(diào)節(jié)，然后將前支撐拆除，確保梁體吊裝和焊接過程中不會(huì)產(chǎn)生過大應(yīng)力。

3.2.5 結(jié)構(gòu)拆除

完成結(jié)構(gòu)合龍后，需要將配重、球鉸等結(jié)構(gòu)拆除。具體來講，就是在主墩頂位置布置千斤頂，提供4000t頂力。先拆除短臂端配重，應(yīng)保證左右副對稱。同時(shí)在兩邊墩設(shè)置千斤頂，同時(shí)頂升主邊墩，可以使球鉸處于脫空狀態(tài)。將連接螺栓拆除，并將錨定鋼棒鋸斷，可以將球鉸完全拆除。在千斤頂下落后，可以將正式支座連接起來，實(shí)現(xiàn)橋梁體系轉(zhuǎn)換，完成整個(gè)轉(zhuǎn)體施工過程。

3.3 應(yīng)力監(jiān)測分析

在轉(zhuǎn)體施工過程中，需要加強(qiáng)支撐腳和滑道間隙控制，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測觀測基點(diǎn)位移和支座、滑道等各結(jié)構(gòu)情況。發(fā)現(xiàn)存在異常，需要立即停止施工。編制監(jiān)測方案，在中心線合龍前2m按照每轉(zhuǎn)動(dòng)10m進(jìn)行一次監(jiān)測，在距離接近0.3m時(shí)將每1cm進(jìn)行一次監(jiān)測，在距離接近0.05m時(shí)需要每1mm進(jìn)行一次監(jiān)測，保證施工精度達(dá)到要求。而不對稱梁段屬于復(fù)雜結(jié)構(gòu)體，重量大，施工時(shí)需要保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和施工安全。在轉(zhuǎn)體施工啟動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、制動(dòng)等各個(gè)階段，需要對關(guān)鍵界面應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，并加強(qiáng)橋梁線形穩(wěn)定性監(jiān)控，為現(xiàn)場作業(yè)提供科學(xué)指導(dǎo)。通過對梁段受力展開有限元分析，確定受力關(guān)鍵截面在主墩、主梁和承臺(tái)位置，分別在界面布置動(dòng)態(tài)傳感器，在試轉(zhuǎn)、正式轉(zhuǎn)體過程中開展實(shí)時(shí)監(jiān)測。從監(jiān)測結(jié)果來看，梁體控制截面處于全受壓狀態(tài)，應(yīng)力變化幅度較小，維持在－6.2~-8.4MPa范圍內(nèi)。通過全方位監(jiān)控，確認(rèn)各控制截面始終保持較低應(yīng)力水平，能夠保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。

4 結(jié)語

橋梁轉(zhuǎn)體施工技術(shù)擁有較大難度，過程相對復(fù)雜，要求達(dá)到較高精度，因此需做好前期準(zhǔn)備。對不同橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)展開分析，合理編制轉(zhuǎn)體施工方案，才能取得理想技術(shù)應(yīng)用效果。為解決不對稱梁段配重問題，采用多支點(diǎn)齒輪傳動(dòng)轉(zhuǎn)體施工方案，通過有限元分析完成方案有效性驗(yàn)證后，加強(qiáng)支撐系統(tǒng)施工、承重及配重、轉(zhuǎn)體施工等多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)把控，能夠保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性達(dá)到要求，為工程可持續(xù)發(fā)展提供保障。