翟鵬程 劉 濤 鄒 汛

(1.山西交通控股集團(tuán)有限公司晉城高速分公司 晉城 048000；2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 武漢 430070； 3.武漢馬房山理工工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)有限公司 武漢 430070)

橋梁轉(zhuǎn)體施工[1]始于20世紀(jì)40年代，是由于場(chǎng)地限制或者為了跨越鐵道線路，而在其兩側(cè)通過(guò)支架搭建或利用現(xiàn)場(chǎng)地形進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)澆筑，再通過(guò)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)將梁體合龍的施工方法。我國(guó)已建的轉(zhuǎn)體施工橋梁約有100余座[2]。轉(zhuǎn)體施工中為保證橋梁轉(zhuǎn)體的安全平穩(wěn)，則需要進(jìn)行稱(chēng)重實(shí)驗(yàn)來(lái)確定橋梁的偏心情況，并加以配重保證轉(zhuǎn)體橋球鉸中心承重，同時(shí)確定球鉸的摩擦系數(shù)及啟動(dòng)牽引力。

關(guān)于稱(chēng)重實(shí)驗(yàn)的原理現(xiàn)已有很多研究成果[3-5]。顏華惠等[6]對(duì)現(xiàn)行稱(chēng)重實(shí)驗(yàn)測(cè)量球鉸靜摩阻力進(jìn)行了改進(jìn)，但未考慮初始偏心的影響。郭寧等[7]在計(jì)算啟動(dòng)牽引力的時(shí)候，考慮了滑道對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，但未考慮初始偏心距對(duì)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的影響。本文基于現(xiàn)有稱(chēng)重實(shí)驗(yàn)原理，考慮初始偏心距的影響，并用實(shí)際工程進(jìn)行計(jì)算分析，驗(yàn)證考慮初始偏心距計(jì)算方法的優(yōu)越性。

1 稱(chēng)重實(shí)驗(yàn)原理

橋梁轉(zhuǎn)體要順利、安全、平穩(wěn)，必須保證梁體在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中始終處于平穩(wěn)狀態(tài),并且牽引系統(tǒng)能提供充足、穩(wěn)定的牽引力。

通過(guò)轉(zhuǎn)體重心計(jì)算偏心距，由于各參數(shù)無(wú)法全部精確控制獲取，會(huì)存在實(shí)際偏心與理論計(jì)算不一致的情況，因此，需要在轉(zhuǎn)體前進(jìn)行稱(chēng)重試驗(yàn)，以了解結(jié)構(gòu)的實(shí)際偏心狀態(tài)，通過(guò)稱(chēng)重試驗(yàn)測(cè)試轉(zhuǎn)動(dòng)體的不平衡力矩及靜摩阻系數(shù)，從而制定相應(yīng)的配重實(shí)驗(yàn)方案，并根據(jù)實(shí)際支承情況計(jì)算啟動(dòng)牽引力，確保牽引系統(tǒng)的動(dòng)力安全系數(shù)滿(mǎn)足要求。

1.1 摩阻力矩大于轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡力矩

1) 考慮初始偏心距對(duì)結(jié)果的影響。在轉(zhuǎn)動(dòng)梁體左側(cè)用千斤頂進(jìn)行頂升，當(dāng)頂升力矩等于摩阻力矩及不平衡力矩之和，再加大頂升力時(shí)，梁體由原先的靜摩阻力變?yōu)閯?dòng)摩阻力，此時(shí)，梁體球鉸產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1所示，圖中假設(shè)偏心在左側(cè)。

圖1 左側(cè)頂升

此時(shí)平衡方程為

P1(L1-e)-Ge=MZ

(1)

式中：P1為沿縱軸線左側(cè)千斤頂頂推過(guò)程中使球鉸產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間的頂力；L1為頂推力至球鉸中心處力臂長(zhǎng)度；e為橋梁重心偏心距；G為橋梁重量；MZ為摩阻力矩。

在轉(zhuǎn)動(dòng)梁體右側(cè)用千斤頂進(jìn)行頂升，當(dāng)頂升力矩及不平衡力矩之和等于摩阻力矩，再加大頂升力時(shí)，梁體由原先的靜摩阻力變?yōu)閯?dòng)摩阻力，此時(shí)，梁體球鉸產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)，受力示意見(jiàn)圖2。

圖2 右側(cè)頂升

此時(shí)平衡方程為

P2(L2+e)+Ge=MZ

(2)

式中：P2為沿縱軸線右側(cè)千斤頂頂推過(guò)程中使球鉸產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間的頂力；L2為頂推力至球鉸中心處力臂長(zhǎng)度。

結(jié)合式(1)與式(2)，即可得到

(3)

(4)

Mg=Ge

(5)

(6)

式中：Mg為轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡力矩；μ為靜摩擦系數(shù)；R為球鉸球面半徑。

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，可得到轉(zhuǎn)體啟動(dòng)牽引力

(7)

式中：D為啟動(dòng)牽引力偶臂。

2) 不考慮初始偏心距的影響。若不考慮初始偏心距，得e與MZ為

(8)

(9)

1.2 摩阻力矩小于轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡力矩

1) 考慮初始偏心距對(duì)結(jié)果的影響。當(dāng)MZ

當(dāng)撐腳與滑道接觸時(shí)，此時(shí)只能在撐腳落地一側(cè)施加頂推力，當(dāng)頂升力矩等于摩阻力矩及不平衡力矩之和，再加大頂升力時(shí)，梁體由原先的靜摩阻力變?yōu)閯?dòng)摩阻力，此時(shí)，梁體球鉸產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3所示，圖中仍假設(shè)偏心在左。

圖3 左側(cè)頂升

此時(shí)平衡方程為

P1(L1-e)-Ge=MZ

(10)

繼續(xù)試驗(yàn)，此時(shí)左側(cè)千斤頂開(kāi)始卸載回落，當(dāng)頂升力矩與摩阻力矩之和等于不平衡力矩，再減小頂升力時(shí)，梁體由原先的靜摩阻力變?yōu)閯?dòng)摩阻力，此時(shí)，梁體球鉸產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖4所示。

圖4 右側(cè)頂升

此時(shí)平衡方程為

Ge-P(L1-e)=MZ

(11)

式中：P為千斤頂回落過(guò)程中球鉸產(chǎn)生瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的頂力。

結(jié)合(10)與(11)，即可得到

(12)

(13)

其他參數(shù)計(jì)算，均同于式(5)～(7)。

2) 不考慮初始偏心距的影響。若不考慮初始偏心距，則得出結(jié)果e與MZ為

(14)

(15)

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

本橋?yàn)闈h十高鐵65 m+100 m+65 m懸臂施工預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋，其跨越下方鐵路交通系統(tǒng)，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)橋梁布置見(jiàn)圖5，轉(zhuǎn)體部分主要參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5 主橋布置圖(單位：cm)

表1 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)主要參數(shù)

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

稱(chēng)重試驗(yàn)測(cè)試儀器布置見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 稱(chēng)重試驗(yàn)儀器布置立面圖(單位：cm)

圖7 稱(chēng)重試驗(yàn)球鉸處儀器布置平面圖(單位：cm)

在橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)體兩側(cè)對(duì)稱(chēng)于橋梁中心線布置4臺(tái)4 000 kN千斤頂，用以在稱(chēng)重試驗(yàn)時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)體進(jìn)行頂放，測(cè)試試驗(yàn)過(guò)程中臨時(shí)支點(diǎn)的反力值。

如圖8、圖9所示，在兩側(cè)撐腳處位置布置4個(gè)豎向百分表，記錄每級(jí)加載時(shí)相應(yīng)的豎向位移。在相鄰位置布置4個(gè)水平向百分表記錄每級(jí)加載時(shí)相應(yīng)的水平位移，用以綜合判斷球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)的臨界狀態(tài)，合理確定臨界力值。

圖8 百分表橫向布置大樣圖(單位：cm)

圖9 百分表豎向布置大樣圖(單位：cm)

2.3 測(cè)試結(jié)果及分析

取319號(hào)墩測(cè)試結(jié)果，如表2 、表3所示。

表2 中跨側(cè)加載位移數(shù)據(jù)

注：表中豎向位移值正號(hào)為上升，負(fù)號(hào)為下降；橫向位移以十堰方向?yàn)檎?，以武漢方向?yàn)樨?fù)。

表3 邊跨側(cè)加載位移數(shù)據(jù)

注：表中豎向位移值正號(hào)為上升，負(fù)號(hào)為下降；橫向位移以十堰方向?yàn)檎?，以武漢方向?yàn)樨?fù)。

根據(jù)表2繪制中跨力-位移曲線，見(jiàn)圖10。

圖10 中跨側(cè)頂升力-位移變化圖

由圖10可知，中跨側(cè)突變值P1=1 241.3 kN。

根據(jù)表3繪制邊跨力-位移曲線見(jiàn)圖11。

圖11 邊跨側(cè)頂升力-位移變化圖

由圖11可知，邊跨側(cè)突變值P2=2 342.6 kN。

由于頂升之前，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)沒(méi)有滑落，則可知摩阻力矩大于不平衡力矩，則通過(guò)考慮初始偏心距可計(jì)算出結(jié)果，并匯總于表4。

表4 考慮初始偏心距結(jié)果

若運(yùn)用不考慮初始偏心距的公式計(jì)算，則結(jié)果匯總于表5。

表5 不考慮初始偏心距結(jié)果

由于實(shí)際啟動(dòng)牽引力為400 kN，考慮初始偏心其結(jié)果誤差為13.1%，而規(guī)范算法為71.7%，因此，考慮初始偏心距算法在精度上有明顯提升。

3 結(jié)論

1) 靜摩擦系數(shù)計(jì)算精度提升，從而提升了啟動(dòng)牽引力的精確度，確保了橋梁轉(zhuǎn)體啟動(dòng)的安全性。

2) 現(xiàn)場(chǎng)由于啟動(dòng)操作等誤差存在，有可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確度不足，因而在算法上需要更加精確。考慮初始偏心距更加符合工程情況。