斜拉橋多點(diǎn)支撐轉(zhuǎn)體系統(tǒng)輔助支撐結(jié)構(gòu)形式研究

梅慧浩

(中鐵十一局集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430061)

1 引言

隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，新建橋梁跨越既有鐵路(或市政道路)日益增多，水平轉(zhuǎn)體施工法由于不中斷既有交通，安全高效而獲得普遍應(yīng)用。關(guān)于轉(zhuǎn)體施工技術(shù)的研究一直是學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)，研究轉(zhuǎn)體施工中轉(zhuǎn)體系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要的意義[1-4]。

按照轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)形式的不同，水平轉(zhuǎn)體技術(shù)可分為單點(diǎn)支撐轉(zhuǎn)體技術(shù)和多點(diǎn)支撐轉(zhuǎn)體技術(shù)。單點(diǎn)支撐轉(zhuǎn)體技術(shù)由于原理簡(jiǎn)單，對(duì)轉(zhuǎn)體設(shè)備要求不高，方便操作，在水平轉(zhuǎn)體施工中應(yīng)用最為普遍，但單點(diǎn)支撐轉(zhuǎn)體法對(duì)中心球鉸承載能力要求高，且要求轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)需配重達(dá)到平衡。隨著建設(shè)環(huán)境的日益復(fù)雜，多點(diǎn)支撐轉(zhuǎn)體技術(shù)在大噸位、高重心、結(jié)構(gòu)不平衡等特復(fù)雜工況橋梁轉(zhuǎn)體施工中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。近年來(lái)，已有相關(guān)學(xué)者對(duì)多點(diǎn)支撐轉(zhuǎn)體技術(shù)進(jìn)行了研究，取得了一定科研成果[5-7]。趙凱兵等人[8-9]為實(shí)現(xiàn)極不平衡轉(zhuǎn)體施工，通過(guò)前支撐和短臂端配重共同作用，使轉(zhuǎn)體兩端達(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，最后大橋順利合龍。郭昭贏[10]為了解決因轉(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)的轉(zhuǎn)體施工難題，提出了在輔助前支撐處設(shè)置齒輪齒條電機(jī)的新型轉(zhuǎn)體驅(qū)動(dòng)方式。曾理飛[11]通過(guò)分析轉(zhuǎn)速對(duì)橋梁多點(diǎn)支撐轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的受力及穩(wěn)定性影響，結(jié)果表明支腿應(yīng)力和主梁傾角變化幅度隨轉(zhuǎn)速增大而增大，橋梁穩(wěn)定性隨轉(zhuǎn)速增大而降低。然而，對(duì)于多點(diǎn)支撐轉(zhuǎn)體橋梁，目前尚未有學(xué)者針對(duì)輔助支撐結(jié)構(gòu)形式開(kāi)展轉(zhuǎn)體穩(wěn)定性的相關(guān)研究。

本文以跨襄陽(yáng)北編組站大橋?yàn)檠芯勘尘?，建立縮尺比為1∶10的轉(zhuǎn)體試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析了不同輔助支撐結(jié)構(gòu)形式對(duì)轉(zhuǎn)體過(guò)程中輔助支撐應(yīng)力、球鉸應(yīng)力以及牽引力變化的影響，論述了輔助支撐結(jié)構(gòu)形式對(duì)轉(zhuǎn)體穩(wěn)定性的影響，研究結(jié)果可為多點(diǎn)支撐轉(zhuǎn)體橋梁施工控制提供依據(jù)。

2 工程概況

跨襄陽(yáng)北編組站大橋(簡(jiǎn)稱(chēng)襄北大橋)是襄陽(yáng)市內(nèi)環(huán)快速化改造工程的重要節(jié)點(diǎn)，位于襄陽(yáng)北編組站Ⅱ場(chǎng)與Ⅲ場(chǎng)、Ⅳ場(chǎng)與Ⅴ場(chǎng)之間的南側(cè)咽喉，該處共有正線5股道(分布于站場(chǎng)東西兩側(cè))，站線27股道，共32股道，站場(chǎng)寬度490 m。襄北大橋總長(zhǎng)920 m，為雙獨(dú)塔雙索面混合梁斜拉橋，跨徑布置為(102＋98＋294)m＋(226＋74＋66.25＋40.45＋19.3)m。

為降低橋梁施工對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的影響，襄北大橋采用部分轉(zhuǎn)體＋部分懸拼的方式施工，其中跨漢丹、焦柳正線部分采用轉(zhuǎn)體施工，剩余跨越線路部分采用懸拼施工。T3＃、T5＃兩個(gè)主塔施工至梁面以上73 m后分別轉(zhuǎn)體，T3＃主塔側(cè)轉(zhuǎn)體部分梁長(zhǎng)為122.75 m，轉(zhuǎn)體角度為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)77°，重量30 600 t；T5＃墩側(cè)轉(zhuǎn)體部分梁長(zhǎng)為120.75 m，轉(zhuǎn)體角度為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)84°，轉(zhuǎn)體重量為32 000 t。轉(zhuǎn)體完成后，澆筑邊跨合龍段，同步施工上塔柱剩余部分，同時(shí)利用橋面吊機(jī)懸拼主跨鋼-混組合梁。

由于轉(zhuǎn)體斜拉橋重心高，轉(zhuǎn)體重量大，為提高轉(zhuǎn)體過(guò)程中橋梁的抗傾覆穩(wěn)定性，本橋轉(zhuǎn)體系統(tǒng)創(chuàng)新采用齒輪齒軌式多點(diǎn)支撐轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)主要由中心球鉸、6個(gè)驅(qū)動(dòng)輔助支撐、6個(gè)常規(guī)撐腳、齒軌式滑道和控制系統(tǒng)組成，中心球鉸設(shè)計(jì)承載2.8萬(wàn)t，每個(gè)輔助支撐按承載力1 000 t進(jìn)行設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)輔助支撐和常規(guī)撐腳沿齒軌式滑道均勻間隔布置(見(jiàn)圖1)。轉(zhuǎn)體前，通過(guò)千斤頂控制每個(gè)輔助支撐的反力在1 000 t，轉(zhuǎn)體時(shí)利用控制柜同步啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)輔助支撐的變頻電機(jī)及減速機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪與齒條嚙合帶動(dòng)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，并由滾輪小車(chē)沿滑道滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)豎向荷載傳遞至滑道[12]。

圖1 輔助支撐布置

3 模型試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ途C合考慮模型制作、加載能力、場(chǎng)地條件等因素，依據(jù)相似理論確定轉(zhuǎn)體模型的縮尺比為1∶10。模型的主梁長(zhǎng)度為5.50 m(混凝土梁)＋7.17 m(鋼-混組合梁)，模型下塔柱依據(jù)縮尺比，遵循結(jié)構(gòu)截面受力鋼筋配筋率不變、配箍率不變的原則，各截面均滿足剛度相似關(guān)系，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)橋的相似關(guān)系如表1所示。

圖2 橋梁轉(zhuǎn)體模型

表1 模型橋與實(shí)橋主要參數(shù)相似比

3.2 試驗(yàn)工況

輔助支撐是多點(diǎn)支撐轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的關(guān)鍵組成結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造對(duì)于如何確保輔助支撐承載穩(wěn)定及轉(zhuǎn)體施工安全有重要影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了三種輔助支撐結(jié)構(gòu)形式:

(1)第一種結(jié)構(gòu)形式:橡膠墊形式

采用千斤頂預(yù)壓橡膠墊至所需力值后支設(shè)臨時(shí)支撐塊，隨后拆卸千斤頂實(shí)現(xiàn)力值的加載。該結(jié)構(gòu)由上部的橡膠墊、中部的鋼墊板、下部的臨時(shí)支撐塊等組成(見(jiàn)圖3)。橡膠墊結(jié)構(gòu)的加載過(guò)程:千斤頂頂升至所需力值，臨時(shí)支撐塊上部加塞相應(yīng)厚度的鋼片(注:鋼片厚度即為橡膠墊承受所需力值時(shí)的壓縮量)，千斤頂卸載。

圖3 橡膠墊形式結(jié)構(gòu)構(gòu)造

(2)第二種結(jié)構(gòu)形式:千斤頂形式

千斤頂加載并在轉(zhuǎn)體過(guò)程中承載的結(jié)構(gòu)形式(見(jiàn)圖4)，上部的橡膠墊替換為鋼板，臨時(shí)支撐塊替換為千斤頂。

圖4 千斤頂形式結(jié)構(gòu)構(gòu)造

(3)第三種結(jié)構(gòu)形式:橡膠墊＋千斤頂形式

該結(jié)構(gòu)形式與第二種結(jié)構(gòu)形式的區(qū)別為僅將鋼墊板換成橡膠墊形式，其結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

圖5 橡膠墊＋千斤頂形式結(jié)構(gòu)構(gòu)造

3.3 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)

對(duì)每種結(jié)構(gòu)形式的輔助支撐開(kāi)展轉(zhuǎn)體試驗(yàn)，每次試驗(yàn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為1.6 rad，轉(zhuǎn)速控制為0.02 rad/min，在轉(zhuǎn)體模型的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位(輔助支撐、上下轉(zhuǎn)臺(tái))布設(shè)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)體過(guò)程中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形情況。在各輔助支撐表面(高度方向中點(diǎn))布設(shè)3個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)測(cè)量輔助支撐的應(yīng)力變化。在上球鉸、下球鉸與轉(zhuǎn)盤(pán)接觸面的外輪廓圓上分別均勻布置4個(gè)應(yīng)變片，并取相對(duì)的2個(gè)應(yīng)變片數(shù)據(jù)的平均值分別作為上、下球鉸1、2號(hào)的應(yīng)力數(shù)據(jù)。

4 輔助支撐結(jié)構(gòu)形式對(duì)轉(zhuǎn)體穩(wěn)定性影響分析

從支腿應(yīng)力、球鉸應(yīng)力以及牽引力三個(gè)方面綜合分析輔助支撐結(jié)構(gòu)形式對(duì)主梁轉(zhuǎn)體穩(wěn)定性的影響。采用應(yīng)力變化率來(lái)表征轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中輔助支撐和球鉸應(yīng)力的變化，應(yīng)力變化率定義為:轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)應(yīng)力變化值與初始應(yīng)力的比值，變化率為正表示壓應(yīng)力增大，為負(fù)表示壓應(yīng)力減小。

轉(zhuǎn)體過(guò)程中對(duì)減速機(jī)扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄，平均每5 min記錄一次，最后一次為減速機(jī)停止時(shí)各小車(chē)扭矩?cái)?shù)據(jù)，扭矩與轉(zhuǎn)動(dòng)牽引力的換算公式如式(1)所示:

式中，F(xiàn)為轉(zhuǎn)動(dòng)牽引力；N1～N6為6個(gè)輔助支撐的扭矩?cái)?shù)值，即轉(zhuǎn)動(dòng)功率占額定功率比例。

4.1 支腿應(yīng)力

圖6為三種輔助支撐結(jié)構(gòu)形式下輔助支撐應(yīng)力變化曲線。從圖中可知，采用千斤頂接觸形式時(shí)支腿應(yīng)力波動(dòng)幅度最大，第1至6號(hào)支腿應(yīng)力變化幅值分別為9.2%、23.1%、13.4%、37.5%、31.2%、13.6%；采用千斤頂 ＋橡膠墊和單獨(dú)橡膠墊的接觸形式時(shí)，輔助支撐應(yīng)力變化幅值顯著降低且波動(dòng)情況較為接近，說(shuō)明兩種結(jié)構(gòu)形式對(duì)輔助支撐的受力均勻性起到了較好的控制效果。

圖6 支腿應(yīng)力變化

支腿應(yīng)力變化主要由兩個(gè)原因造成:滑道的不平順以及轉(zhuǎn)體重量的不平衡。采用千斤頂時(shí)，千斤頂和鋼板與主梁為剛性接觸，兩者之間沒(méi)有緩沖，因此造成了較大的應(yīng)力波動(dòng)。當(dāng)采用千斤頂＋橡膠墊和橡膠墊時(shí)，鋼板替換為橡膠墊，橡膠墊具有彈性，在一定程度會(huì)減小滑道不平順、偏載等原因引起的應(yīng)力變化，從而使輔助支撐受力更均勻。對(duì)比千斤頂＋橡膠墊和橡膠墊兩種支腿接觸形式，帶千斤頂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需要油管跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，有一定危險(xiǎn)性，綜合考慮采用單獨(dú)橡膠墊的結(jié)構(gòu)形式更為合理。

4.2 球鉸應(yīng)力

支腿結(jié)構(gòu)形式對(duì)球鉸應(yīng)力變化的影響如圖7所示。從圖7中可以看出:不同工況的球鉸應(yīng)力變化趨勢(shì)基本保持一致，說(shuō)明支腿結(jié)構(gòu)形式基本不改變轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中球鉸的應(yīng)力變化規(guī)律。進(jìn)一步對(duì)上、下球鉸應(yīng)力變化進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，采用千斤頂支腿形式的球鉸應(yīng)力波動(dòng)最為明顯，而采用千斤頂＋橡膠墊或者單獨(dú)橡膠墊時(shí)，應(yīng)力波動(dòng)幅值明顯降低；以上球鉸2號(hào)應(yīng)力變化為例，采用千斤頂支腿形式時(shí)應(yīng)力變化幅度最大，最大為28.6%，橡膠墊應(yīng)力變化率變化幅度最小，僅為15.8%。

圖7 球鉸應(yīng)力變化

球鉸是主梁轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中主要承力構(gòu)件，其應(yīng)力的變化可以反映橋梁轉(zhuǎn)體的穩(wěn)定性。采用千斤頂＋橡膠墊和單獨(dú)橡膠墊時(shí)，輔助支撐受滑道不平順和偏載的影響降低，其受力更為均勻，承力支撐和球鉸豎向受力分配模式更為穩(wěn)定，因此球鉸應(yīng)力變化幅值降低，轉(zhuǎn)體穩(wěn)定性得到提高。

4.3 轉(zhuǎn)體牽引力

橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不同工況下驅(qū)動(dòng)牽引力變化如圖8所示。由圖8可知:隨著橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化，牽引力基本圍繞一定數(shù)值上下波動(dòng)。三種工況中，千斤頂＋橡膠墊工況和單獨(dú)千斤頂工況的初始牽引力基本一致，而單獨(dú)橡膠墊的牽引力比其他兩種工況約小600 N，這主要是由于采用帶千斤頂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，千斤頂對(duì)輔助支撐施加了附加的壓力，導(dǎo)致輔助支撐的摩擦力增大，進(jìn)而增大所需的牽引力；采用單獨(dú)橡膠墊的形式時(shí)，在頂升到位安裝橡膠墊后，千斤頂將拆除，此時(shí)橡膠墊會(huì)發(fā)生一定壓縮，千斤頂附加的壓力消失，因此牽引力更小。此外，采用單獨(dú)橡膠墊的形式時(shí)，牽引力的波動(dòng)幅度低，牽引力的變化結(jié)果與輔助支撐應(yīng)力變化和球鉸應(yīng)力變化的結(jié)果相吻合，結(jié)果表明采用橡膠墊支腿形式有一定優(yōu)勢(shì)，輔助支撐受力更為均勻，且橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)更加穩(wěn)定。

圖8 牽引力變化

5 結(jié)論

以跨襄陽(yáng)北編組站大橋?yàn)檠芯勘尘?，通過(guò)大比例轉(zhuǎn)體模型試驗(yàn)，研究了輔助支撐結(jié)構(gòu)形式對(duì)斜拉橋多點(diǎn)支撐轉(zhuǎn)體系統(tǒng)支腿應(yīng)力、球鉸應(yīng)力和轉(zhuǎn)體牽引力的影響，對(duì)比分析了輔助支撐結(jié)構(gòu)形式對(duì)橋梁轉(zhuǎn)體穩(wěn)定性的影響，主要結(jié)論如下:

(1)輔助支撐采用單獨(dú)千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式時(shí)，支腿應(yīng)力波動(dòng)幅度最大，而采用千斤頂＋橡膠墊和單獨(dú)橡膠墊的接觸形式時(shí)，輔助支撐的受力均勻性較好，其應(yīng)力變化幅值顯著降低。

(2)支腿結(jié)構(gòu)形式基本不改變轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中球鉸的應(yīng)力變化規(guī)律，采用千斤頂支腿形式時(shí)，球鉸應(yīng)力波動(dòng)明顯；而采用千斤頂＋橡膠墊和單獨(dú)橡膠墊時(shí)，輔助支撐受滑道不平順和偏載的影響降低，其受力更為均勻，承力支撐和球鉸豎向受力分配模式更為穩(wěn)定，球鉸應(yīng)力波動(dòng)幅值明顯降低，轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定性得到提高。

(3)隨著橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化，牽引力基本圍繞一定數(shù)值上下波動(dòng)；采用帶千斤頂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，千斤頂對(duì)輔助支撐施加了附加的壓力，導(dǎo)致輔助支撐的摩擦力增大，進(jìn)而增大所需的牽引力；采用單獨(dú)橡膠墊的形式時(shí)，橡膠墊發(fā)生一定壓縮，千斤頂附加的壓力消失，因此牽引力平均值和波動(dòng)幅度降低。