轉(zhuǎn)速對(duì)橋梁水平轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)受力及穩(wěn)定性影響的模型試驗(yàn)研究

曾理飛

(中鐵十一局集團(tuán)第一工程有限公司 湖北襄陽(yáng) 441104)

1 引言

由于橋梁轉(zhuǎn)體施工技術(shù)可改高空、水上、跨既有線作業(yè)為陸地、岸邊、線外作業(yè)，且具有不間斷通航、不干擾交通、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，目前已逐步成為一種經(jīng)濟(jì)、高效、安全的橋梁施工方法，在世界上應(yīng)用廣泛[1]。目前，橋梁轉(zhuǎn)體主要包括水平轉(zhuǎn)體、豎向轉(zhuǎn)體以及平-豎結(jié)合轉(zhuǎn)體三大類型，其中以水平轉(zhuǎn)體橋梁居多。目前常規(guī)水平轉(zhuǎn)體系統(tǒng)為中心球鉸支承、鋼絞線牽引的結(jié)構(gòu)形式[2]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過(guò)理論計(jì)算、工程實(shí)踐等方法對(duì)此結(jié)構(gòu)形式的轉(zhuǎn)體技術(shù)開(kāi)展了深入研究，取得了豐富的研究成果，但目前尚未有學(xué)者對(duì)轉(zhuǎn)速開(kāi)展過(guò)相關(guān)研究。

隨著橋梁轉(zhuǎn)體技術(shù)的發(fā)展，馬行川[3]創(chuàng)新提出了齒輪齒軌驅(qū)動(dòng)橋梁水平轉(zhuǎn)體新技術(shù)，經(jīng)工程實(shí)踐證明，該新型轉(zhuǎn)體系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)體穩(wěn)定性好、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。目前該轉(zhuǎn)體橋新技術(shù)僅在常青路(青年路～三環(huán)線)工程主線高架跨鐵路主橋獲得成功應(yīng)用，因此，仍需對(duì)此新型轉(zhuǎn)體系統(tǒng)及轉(zhuǎn)體施工技術(shù)開(kāi)展進(jìn)一步研究。

跨襄陽(yáng)北編組站大橋設(shè)計(jì)采用齒輪齒軌轉(zhuǎn)體系統(tǒng)進(jìn)行橋梁轉(zhuǎn)體[4]，轉(zhuǎn)體重量大(轉(zhuǎn)體重量達(dá)3.2萬(wàn)t)，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)新穎(采用6個(gè)驅(qū)動(dòng)承力撐腳提供水平驅(qū)動(dòng)牽引力和豎向輔助支撐)，本文以此大橋?yàn)橐劳?，建?∶10轉(zhuǎn)體試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究轉(zhuǎn)速對(duì)橋梁轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的受力及穩(wěn)定性影響，為實(shí)橋轉(zhuǎn)體施工時(shí)轉(zhuǎn)速控制提供科學(xué)依據(jù)。

2 工程概況

跨襄陽(yáng)北編組站大橋?yàn)?200＋294)m＋(226＋200)m雙獨(dú)塔雙索面混合梁斜拉橋，跨越鐵路站場(chǎng)部分總長(zhǎng)度為520 m，站場(chǎng)東西側(cè)邊跨各長(zhǎng)200 m，總長(zhǎng)920 m，如圖1所示?？缦尻?yáng)北編組站大橋中跨跨越32個(gè)股道，其中，T3～T4段主梁跨越20個(gè)股道，T4～T5段主梁跨越12個(gè)股道，為國(guó)內(nèi)跨越股道最多的橋梁。

圖1 跨襄陽(yáng)北編組站大橋結(jié)構(gòu)布置(單位:m)

為降低橋梁施工對(duì)鐵路線的影響，主橋采用先轉(zhuǎn)體后懸拼的施工工藝跨越股道。T3＃和T5＃主塔轉(zhuǎn)體部分梁長(zhǎng)分別為122.75 m和120.75 m。先于鐵路東、西兩側(cè)平行于鐵路方向拼裝及現(xiàn)澆122.75 m(120.75 m)長(zhǎng)主梁并施工上塔柱73 m高，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)體施工，T3＃、T5＃塔轉(zhuǎn)體角度分別為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)77°和84°，T3＃主塔的轉(zhuǎn)體重量為 3.06 萬(wàn) t，T5＃主塔的轉(zhuǎn)體重量為3.2萬(wàn)t。

3 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本橋采用齒輪齒軌式新型轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)體系統(tǒng)為球鉸與多個(gè)驅(qū)動(dòng)承力撐腳組成的多點(diǎn)支承體系。轉(zhuǎn)體系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)承力撐腳通過(guò)齒輪與滑道齒軌嚙合提供牽引動(dòng)力，通過(guò)滾輪小車與滑道上滾動(dòng)接觸提供豎向支撐力[5]。其中，中心球鉸設(shè)計(jì)承載2.8萬(wàn)t，其余荷載由6個(gè)驅(qū)動(dòng)承力撐腳承擔(dān)。轉(zhuǎn)體系統(tǒng)由上下轉(zhuǎn)盤、球鉸、6個(gè)常規(guī)撐腳、齒軌式滑道、6個(gè)驅(qū)動(dòng)承力撐腳組成。

3.1 下轉(zhuǎn)盤

跨襄陽(yáng)北編組站大橋T3＃、T5＃主塔下轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)尺寸為44 m×29 m×5 m，共分兩次進(jìn)行澆筑，第一次澆筑3.3 m，第二次澆筑1.7 m。下轉(zhuǎn)盤第一次澆筑共設(shè)置縱橫雙向預(yù)應(yīng)力，設(shè)計(jì)混凝土標(biāo)號(hào)為C55，在第一次澆筑完成后安裝下球鉸定位骨架，其主要由角鋼焊接而成。下轉(zhuǎn)盤上設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的下球鉸、滑道，轉(zhuǎn)體完成后，與上轉(zhuǎn)盤共同形成橋梁基礎(chǔ)。

3.2 球鉸

球鉸裝置由上球鉸、下球鉸、銷軸組成，鋼球鉸設(shè)計(jì)荷載2.8萬(wàn)t，直徑φ5.2 m，分上下兩片，均由鋼制球面板組成；下球鉸為凹面，嵌固于下轉(zhuǎn)盤表面，上球鉸為凸面，就位于上轉(zhuǎn)盤底部。定位中心轉(zhuǎn)軸直徑為φ290 mm，長(zhǎng)度為1 140 mm，上下球鉸面板均為5 cm厚的鋼板壓制而成的球面，在球鉸背部設(shè)置肋條，防止在加工、運(yùn)輸過(guò)程中變形，并方便球鉸的定位、加強(qiáng)以及與周圍混凝土的連接。

3.3 上轉(zhuǎn)盤

上轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)尺寸為24 m×24 m×2.3 m，上轉(zhuǎn)盤沿高度方向分為兩部分:下部分高度為1 m，平面形狀為圓形，直徑為φ22.7 m，該部分與球鉸、撐腳相連接；上部分高度為1.3 m，平面形狀為矩形，其與下塔柱相連接。上轉(zhuǎn)盤下部需提前預(yù)埋鋼板，以便于后期安裝驅(qū)動(dòng)承力撐腳[6]。

3.4 常規(guī)撐腳

上轉(zhuǎn)盤底部設(shè)有6個(gè)撐腳(保險(xiǎn)腿)[7]，每個(gè)撐腳為雙圓柱形，撐腳與滑道之間留2 cm高差。撐腳由2個(gè)φ1 000×32 mm的鋼管組成，在下轉(zhuǎn)盤施工完成后即可安裝撐腳，撐腳由定制廠家制作完成后整體運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)，在上轉(zhuǎn)盤澆筑混凝土前先在撐腳鋼管內(nèi)灌注C55微膨脹混凝土。6個(gè)常規(guī)撐腳與6個(gè)驅(qū)動(dòng)承力撐腳均勻間隔布置，轉(zhuǎn)體前抽掉墊板并在滑道面內(nèi)鋪設(shè)3 mm不銹鋼板及6 mm厚的聚四氟乙烯板[8]。

3.5 驅(qū)動(dòng)承力撐腳

上轉(zhuǎn)盤底部設(shè)6個(gè)驅(qū)動(dòng)承力撐腳[9]，撐腳的結(jié)構(gòu)如圖2所示。每個(gè)撐腳按承載能力1 000 t設(shè)計(jì)。

圖2 驅(qū)動(dòng)承力撐腳結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)承力撐腳由臺(tái)車架、減速機(jī)架、加載組件、電機(jī)、減速機(jī)、滾輪小車、齒輪等部分組成[10]，如圖3所示。轉(zhuǎn)體前，通過(guò)千斤頂控制每個(gè)承力支腿的反力在1 000 t。轉(zhuǎn)體時(shí)啟動(dòng)變頻電機(jī)及減速機(jī)，帶動(dòng)齒輪沿齒條滾動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)承力撐腳及梁體沿軌道轉(zhuǎn)動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)承力支腿由統(tǒng)一的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)體過(guò)程中的同步制動(dòng)。

每個(gè)驅(qū)動(dòng)承力撐腳布置4臺(tái)滾輪小車，每臺(tái)滾輪小車由2排滾輪和支架組成，通過(guò)滾輪小車與滑道滾動(dòng)接觸傳遞豎向荷載[11]。每臺(tái)滾輪小車下方有20個(gè)輪子，輪子在制作時(shí)需提前設(shè)置弧度，保證其可以沿滑道滾動(dòng)[12]。

4 轉(zhuǎn)體模型試驗(yàn)

4.1 轉(zhuǎn)體模型概述

在橋址處按照1∶10比例建立縮尺模型。主梁設(shè)計(jì)為550 cm＋717.5 cm，采用塔梁固結(jié)體系；模型下塔柱采用混凝土澆筑；上塔柱采用等效的鋼結(jié)構(gòu)箱梁截面形式；模型塔間下橫梁采用混凝土澆筑；塔間中橫梁采用等效的鋼結(jié)構(gòu)箱梁截面形式，轉(zhuǎn)體模型現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)體模型現(xiàn)場(chǎng)

4.2 試驗(yàn)方案

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)橋梁水平轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)速尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一般規(guī)定轉(zhuǎn)體角速度不宜大于(0.01～0.02)rad/min或橋體懸臂線速度不宜大于0.5°/min。本試驗(yàn)考慮了4種轉(zhuǎn)速工況，分別是0.02 rad/min、0.03 rad/min、0.04 rad/min和0.06 rad/min四種工況。此外，轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)包含加速-勻速-減速三個(gè)過(guò)程，轉(zhuǎn)體加速度會(huì)影響整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，本次試驗(yàn)對(duì)轉(zhuǎn)體加速度進(jìn)行研究。

4.3 測(cè)點(diǎn)布置

在轉(zhuǎn)體模型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位:主梁、上下轉(zhuǎn)臺(tái)、驅(qū)動(dòng)承力支腿上分別布設(shè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試模型轉(zhuǎn)體過(guò)程中結(jié)構(gòu)的受力和變形情況，并監(jiān)測(cè)減速機(jī)扭矩值以計(jì)算驅(qū)動(dòng)牽引力。

4.3.1 主梁應(yīng)變測(cè)點(diǎn)

在主梁上共布設(shè)4個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，左右對(duì)稱布置，每個(gè)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)1個(gè)弦式應(yīng)變計(jì)用以測(cè)試主梁應(yīng)變。4個(gè)測(cè)點(diǎn)均布設(shè)在主梁高度方向中心位置。

4.3.2 上、下轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)

在上下轉(zhuǎn)臺(tái)上各均勻布置4個(gè)電阻應(yīng)變片，2個(gè)弦式應(yīng)變計(jì)，具體數(shù)量見(jiàn)表1。

表1 上、下轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)匯總表

4.3.3 支腿應(yīng)變測(cè)點(diǎn)

在每個(gè)驅(qū)動(dòng)承力支腿沿高度方向的中心位置均布置3個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。

4.3.4 主梁傾斜測(cè)點(diǎn)

主梁上布置4個(gè)傾角位移傳感器來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)體時(shí)主梁的傾角變化，測(cè)點(diǎn)對(duì)稱布置在橋梁中心線兩側(cè)。

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 主梁應(yīng)力分析

主梁應(yīng)力測(cè)量分為加速轉(zhuǎn)動(dòng)和勻速轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)階段，加速階段分別設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)小車以20 s、40 s、60 s加速至 0.02 rad/min、0.03 rad/min、0.04 rad/min、0.06 rad/min?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，加速過(guò)程中應(yīng)變變化極小，即使20 s加速到0.08 rad/min，整個(gè)加速過(guò)程主梁應(yīng)變僅為1.0 με，因此，加速度小于0.24 rad/min2條件下，加速過(guò)程對(duì)主梁影響較小。

勻速轉(zhuǎn)動(dòng)下不同轉(zhuǎn)速時(shí)主梁應(yīng)力變化率隨轉(zhuǎn)動(dòng)弧度的變化曲線，如圖4所示。

圖4 主梁應(yīng)力隨轉(zhuǎn)動(dòng)弧度的變化曲線

從圖4可知，同一轉(zhuǎn)速下主梁各處應(yīng)力變化數(shù)值和趨勢(shì)類似，說(shuō)明在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，橋塔附近主梁受力一致；主梁在轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)速為0.02 rad/min時(shí)，主梁1～4＃測(cè)點(diǎn)處應(yīng)力變化均明顯低于轉(zhuǎn)速為0.03 rad/min、0.04 rad/min 和 0.06 rad/min，且轉(zhuǎn)速越高，應(yīng)力變化越明顯。

5.2 轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力分析

不同轉(zhuǎn)速條件下上、下轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力變化極差如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力變化極差 %

由表2可知，轉(zhuǎn)速為0.02～0.06 rad/min時(shí)，應(yīng)力極差分別為20.3%、22.1%、25.3%和31.2%?？梢耘卸?，隨轉(zhuǎn)動(dòng)速度增加，轉(zhuǎn)臺(tái)處應(yīng)力變化率極差增大，轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性降低。

5.3 驅(qū)動(dòng)承力支腿應(yīng)力分析

不同轉(zhuǎn)速工況下，模型轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致支腿應(yīng)力發(fā)生變化，本節(jié)通過(guò)壓應(yīng)力變化率反映支腿應(yīng)力變化，壓應(yīng)力變化率為支腿轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中應(yīng)力變化值與加壓過(guò)程應(yīng)力值的比值，變化率為正即壓力增大，反之壓力減小。支腿壓應(yīng)力變化率極差如表3所示。

表3 支腿應(yīng)力變化率極差 %

續(xù)表3

5.4 驅(qū)動(dòng)牽引力分析

不同轉(zhuǎn)速時(shí)，橋梁在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中支腿受力、轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性會(huì)發(fā)生改變，因此轉(zhuǎn)動(dòng)所需牽引力及轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中牽引力變化波動(dòng)情況也會(huì)發(fā)生變化。在轉(zhuǎn)體試驗(yàn)過(guò)程中，每5 min監(jiān)測(cè)一次減速機(jī)扭矩值，將該扭矩值進(jìn)行公式換算得到轉(zhuǎn)動(dòng)所需牽引力，得出不同轉(zhuǎn)速工況下驅(qū)動(dòng)牽引力的變化曲線如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)牽引力隨轉(zhuǎn)動(dòng)弧度變化曲線

由圖5可知，不同轉(zhuǎn)速下，牽引力波動(dòng)幅度分別為1.21 kN(0.02 rad/min)、1.24 kN(0.03 rad/min)、1.49 kN(0.04 rad/min)、1.78 kN(0.06 rad/min)，0.02～0.04 rad/min轉(zhuǎn)速下，牽引力變化幅度相差不大，0.06 rad/min轉(zhuǎn)速下，變化幅度遠(yuǎn)大于其他轉(zhuǎn)速。0.02～0.06 rad/min平均牽引力分別為10.77 kN、11.13 kN、11.47 kN、11.68 kN。因此，牽引力隨著轉(zhuǎn)速增加而增加，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到0.06 rad/min，牽引力變化幅度最大，轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性最差。

5.5 主梁傾角變化分析

本試驗(yàn)于橋梁兩懸臂端中部布置兩個(gè)雙向傾角傳感器，在轉(zhuǎn)體試驗(yàn)過(guò)程中，傳感器平均每5 s自動(dòng)采集一次。圖6為不同轉(zhuǎn)速時(shí)主梁傾角變化曲線。

圖6 主梁傾角隨轉(zhuǎn)動(dòng)弧度變化曲線

從圖6可知，傾角變化幅度均隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，且變化趨勢(shì)保持一致。就整體而言，轉(zhuǎn)體整個(gè)過(guò)程傾角變化值均在0.1°以內(nèi)，數(shù)值較小，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，可見(jiàn)轉(zhuǎn)速的增大對(duì)橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性有一定影響，但仍然可以保證轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)。

6 結(jié)論

為分析轉(zhuǎn)速對(duì)水平轉(zhuǎn)體橋梁結(jié)構(gòu)受力及穩(wěn)定性的影響，開(kāi)展了1∶10轉(zhuǎn)體模型試驗(yàn)，分析了主梁應(yīng)力、轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)力、驅(qū)動(dòng)承力支腿應(yīng)力、驅(qū)動(dòng)牽引力及主梁傾角隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論:

(1)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)加速啟動(dòng)階段，主梁應(yīng)力隨轉(zhuǎn)動(dòng)加速度的變化很小，可忽略不計(jì)。

(2)以不同轉(zhuǎn)速進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，主梁、轉(zhuǎn)臺(tái)、支腿應(yīng)力變化率、驅(qū)動(dòng)牽引力和主梁傾角變化幅度隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，橋梁穩(wěn)定性隨轉(zhuǎn)速的增大而降低。上部結(jié)構(gòu)配重增大會(huì)降低轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定性。

(3)綜上所述，隨著轉(zhuǎn)速的增大，轉(zhuǎn)體時(shí)橋梁的整體受力趨于不利，且應(yīng)力變化幅度增大，穩(wěn)定性降低。因此，實(shí)橋轉(zhuǎn)體時(shí)建議轉(zhuǎn)速控制在0.02～0.04 rad/min。