石 巖，杜興平，楊偉民，徐耀耀，辛 宇

(1.中鐵四局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院,安徽 合肥 230023; 2.合肥工業(yè)大學(xué),安徽 合肥 230009)

0 引言

近年來(lái)中國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,橋梁工程取得了跨越式的進(jìn)步,隨著橋梁工程的復(fù)雜化、大型化,橋梁轉(zhuǎn)體施工技術(shù)也在不斷地革新、發(fā)展。在不影響公路及鐵路運(yùn)行條件下確保工程建設(shè)安全、可靠地進(jìn)行,成為了此類(lèi)橋梁工程重點(diǎn)研究的對(duì)象[1-3]。因此,對(duì)跨越既有線路橋梁的設(shè)計(jì)及施工關(guān)鍵技術(shù)研究是當(dāng)前橋梁施工技術(shù)研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。在跨越既有線路橋梁的施工方法中,轉(zhuǎn)體施工法以:1)施工所需的機(jī)具設(shè)備少、工藝簡(jiǎn)單、操作安全;2)結(jié)構(gòu)合理,受力明確,力學(xué)性能好;3)轉(zhuǎn)體法能較好地克服在高山峽谷、水深急流或大跨度河道架設(shè)構(gòu)造物的困難,尤其是對(duì)修建處于交通運(yùn)輸繁忙的城市立交橋和鐵路跨線橋來(lái)說(shuō),其優(yōu)勢(shì)更加明顯;4)施工速度快、造價(jià)低、節(jié)約投資等優(yōu)點(diǎn)在橋梁施工中得到廣泛應(yīng)用[4-6]。

轉(zhuǎn)體施工法作為一種特殊的施工方法,其核心是轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備與設(shè)備所能提供的轉(zhuǎn)動(dòng)能力,在轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)體系的順利轉(zhuǎn)換是此類(lèi)施工技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)難題[7-8]。為了確保橋梁體系順利、平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動(dòng),除了在構(gòu)造上要選擇剛度大、重量小的輕型橋型外,轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的設(shè)計(jì)以及橋梁轉(zhuǎn)體的施工工藝也是十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

為解決橋梁轉(zhuǎn)體施工中的精確化控制問(wèn)題,本文以合肥市文忠路上跨合肥東站立交橋?yàn)檩d體,研發(fā)了一種基于輪軌系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的新型橋梁轉(zhuǎn)體施工裝置,并詳細(xì)介紹了裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理,并進(jìn)一步結(jié)合精細(xì)化有限元模擬,驗(yàn)證該轉(zhuǎn)體裝置的可行性、可靠性。

1 基于輪軌系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的橋梁精確化轉(zhuǎn)體裝置

1.1 裝置基本構(gòu)造

在現(xiàn)有的橋梁轉(zhuǎn)體裝置中,一般由發(fā)動(dòng)機(jī)提供牽引力,并通過(guò)牽引索作用于轉(zhuǎn)盤(pán),從而實(shí)現(xiàn)橋梁轉(zhuǎn)體施工[9-11]。然而,目前的橋梁轉(zhuǎn)體施工裝置受限于發(fā)動(dòng)機(jī)以及牽引索的布置方式,僅能實(shí)現(xiàn)單向牽引,如若轉(zhuǎn)動(dòng)角度超限,則無(wú)法通過(guò)裝置對(duì)超限角度進(jìn)行修正;同時(shí),在轉(zhuǎn)體過(guò)程中,仍以人工控制為主,給轉(zhuǎn)體施工的精確化控制帶來(lái)一定困難。

為克服現(xiàn)有轉(zhuǎn)體施工方法的不足,本文提出了一種基于輪軌系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的橋梁轉(zhuǎn)體裝置,該裝置首先在轉(zhuǎn)盤(pán)外邊緣設(shè)置牽引索道,然后利用若干個(gè)小齒輪系統(tǒng)代替牽引索,通過(guò)齒輪與牽引索道的咬合作用為轉(zhuǎn)盤(pán)提供牽引力,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)橋梁的轉(zhuǎn)體施工,新型轉(zhuǎn)體裝置構(gòu)造如圖1所示。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)體施工裝置通常采用牽引索帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng),在此基礎(chǔ)上,將轉(zhuǎn)盤(pán)外邊緣設(shè)置一道齒輪軌道,并由若干個(gè)構(gòu)造相同的小齒輪系統(tǒng)為轉(zhuǎn)盤(pán)提供牽引力。根據(jù)轉(zhuǎn)體橋梁上部結(jié)構(gòu)重量,推導(dǎo)出轉(zhuǎn)體牽引力,等式如式(1)所示:

F=2μRG/3D

(1)

其中,μ為球鉸摩阻系數(shù);R為球鉸球面半徑;G為轉(zhuǎn)體總重量;D為啟動(dòng)牽引力偶臂,繼而根據(jù)小齒輪發(fā)動(dòng)機(jī)所能提供的牽引力大小確定小齒輪的布置數(shù)量以及布置位置。

1.2 輪軌系統(tǒng)的同步控制

在傳統(tǒng)橋梁轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中,由于無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)力大小,使得上部結(jié)構(gòu)很難勻速轉(zhuǎn)動(dòng),從而影響施工安全性和可控性;此外,由于現(xiàn)有橋梁轉(zhuǎn)體裝置受制于單向牽引,當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)出現(xiàn)超轉(zhuǎn)后,則需要人工手動(dòng)調(diào)整設(shè)備,并且調(diào)整精度低,甚至需要多次調(diào)節(jié)才能完成體系轉(zhuǎn)動(dòng),因此降低了施工效率。

為了解決轉(zhuǎn)體施工中的精確化控制問(wèn)題,本文提出了一種基于反饋機(jī)制與輪軌系統(tǒng)協(xié)同工作的橋梁自動(dòng)化轉(zhuǎn)體控制系統(tǒng),該系統(tǒng)由測(cè)角儀、無(wú)線傳輸裝置、計(jì)算機(jī)等組成。測(cè)角儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù),并通過(guò)無(wú)線傳輸裝置將實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)系統(tǒng),計(jì)算機(jī)通過(guò)計(jì)算預(yù)設(shè)目標(biāo)角度與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)的差值,實(shí)時(shí)調(diào)整齒輪的轉(zhuǎn)速與方向,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)橋梁的精確化轉(zhuǎn)體施工。

1.3 新型轉(zhuǎn)體裝置的工作原理

在橋梁轉(zhuǎn)體施工前,完成轉(zhuǎn)體施工裝置的安裝。在轉(zhuǎn)體下承臺(tái)施工完畢后,將上下鋼球鉸分離并分別安裝,撐腳施工以保持轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,在轉(zhuǎn)盤(pán)邊緣安裝齒輪軌道并固定牢靠,同時(shí),正確安裝小齒輪結(jié)構(gòu),將小齒輪結(jié)構(gòu)與齒輪軌道緊密接觸以增強(qiáng)咬合力,確保兩者能夠?qū)崿F(xiàn)完美咬合。在轉(zhuǎn)盤(pán)邊緣處均勻布置測(cè)角儀,用于監(jiān)測(cè)上承臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù),將測(cè)角儀通過(guò)無(wú)線傳輸裝置與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接,借助無(wú)線傳輸裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收轉(zhuǎn)角信號(hào),根據(jù)預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)角進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,并根據(jù)分析結(jié)果傳達(dá)對(duì)應(yīng)指令,實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)動(dòng)方向,繼而帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)到達(dá)預(yù)定目標(biāo)角度,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的精細(xì)化控制,完成橋梁轉(zhuǎn)體施工。

本文所提出的轉(zhuǎn)體裝置的優(yōu)越性主要表現(xiàn)為:1)通過(guò)一體化主動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度來(lái)精確控制橋梁的轉(zhuǎn)體角度以及速度,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)體施工過(guò)程的精細(xì)化控制。2)克服了橋梁轉(zhuǎn)體施工中單向牽引的短板,若在施工過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)角度超限,僅需使齒輪系統(tǒng)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)即可,提高了施工機(jī)動(dòng)性以及裝置的適用性。3)多個(gè)小齒輪結(jié)構(gòu)分布于牽引索道外圍,實(shí)現(xiàn)均勻傳力、分散受力,避免了裝置局部由于應(yīng)力過(guò)大而出現(xiàn)塑性變形,提高了施工安全性同時(shí)也增強(qiáng)了裝置的耐久性。

2 新型轉(zhuǎn)體裝置的精細(xì)化有限元分析

2.1 工程概況

本研究以合肥市文忠路上跨合肥東站立交橋轉(zhuǎn)體項(xiàng)目為載體,驗(yàn)證新型轉(zhuǎn)體裝置在力學(xué)性能方面的可行性和有效性。該橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋,跨徑布置為(55+122+80) m,主橋全長(zhǎng)257 m,結(jié)構(gòu)總體布置如圖2所示。上部結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)需要采用橫向變寬設(shè)計(jì),跨度由29.5 m線性變化至34.1 m。為了不影響既有線路的正常通行,橋梁采用先掛籃懸澆后墩頂轉(zhuǎn)體的方式進(jìn)行施工,其中,46號(hào)墩轉(zhuǎn)體質(zhì)量為17 443 t,轉(zhuǎn)動(dòng)角度為逆時(shí)針70°。

2.2 有限元模型建立

本文采用Abaqus有限元軟件對(duì)46號(hào)墩轉(zhuǎn)體裝置進(jìn)行精細(xì)化模擬,該轉(zhuǎn)體裝置包括上承臺(tái)、下承臺(tái)、轉(zhuǎn)盤(pán)、上球鉸、下球鉸、牽引索道以及小齒輪系統(tǒng)等七個(gè)部分。其中,采用C3D8R六面體單元模擬承臺(tái)、轉(zhuǎn)盤(pán)及球鉸結(jié)構(gòu),另外,由于本文需要重點(diǎn)研究輪軌系統(tǒng)咬合處的應(yīng)力分布情況,對(duì)于齒輪結(jié)構(gòu),尤其是齒輪邊緣處的網(wǎng)格劃分需進(jìn)一步加密,因此采用C3D10四面體實(shí)體單元模擬牽引索道以及小齒輪結(jié)構(gòu),以提高模型計(jì)算效率。

依據(jù)橋梁設(shè)計(jì)資料,有限元模型的上承臺(tái)直徑為17.8 m,轉(zhuǎn)盤(pán)直徑16.8 m,總高度3 m;下承臺(tái)為邊長(zhǎng)10.31 m 的正六邊體;上下鋼球鉸直徑均為5 m。牽引索道以及小齒輪結(jié)構(gòu)的齒輪模數(shù)均設(shè)為0.25,壓力角設(shè)置為20°;同時(shí),根據(jù)等式(1),該裝置共設(shè)置五個(gè)小齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供牽引力,且等角度均勻分布于牽引索道外側(cè),整體有限元模型如圖3所示。在有限元模型材料設(shè)置中,球鉸及齒輪系統(tǒng)采用Q345鋼材,材料參數(shù)設(shè)置為:彈性模量Es=2.06×1011Pa,泊松比為0.3;同理,裝置混凝土部分均設(shè)置為C55型號(hào)混凝土,材料參數(shù)分別為Ec=3.55×1010Pa,泊松比為0.2。

2.3 模型荷載及邊界條件

在模型邊界條件設(shè)置中,由于下承臺(tái)與基礎(chǔ)澆筑為同一整體,因此將下承臺(tái)底部設(shè)置為完全固結(jié),此外,為準(zhǔn)確模擬上下鋼球鉸之間的相互作用,球鉸間的法向接觸采用硬接觸,切向接觸設(shè)置“罰”摩擦因數(shù)。由于本文所述轉(zhuǎn)體裝置中的上下球鉸之間采用了聚四氟乙烯滑塊,經(jīng)先前研究可知[12],摩擦因數(shù)一般介于0.03～0.1之間。對(duì)于齒輪咬合處的接觸,定義接觸面間的接觸屬性為法向接觸。

考慮到轉(zhuǎn)體T構(gòu)的質(zhì)量為17 443 t,為簡(jiǎn)化模型計(jì)算,將轉(zhuǎn)體質(zhì)量等效為687.3 kN/m2的均布荷載施加于上承臺(tái)表面,此外,在上承臺(tái)表面中心位置耦合一個(gè)加載點(diǎn),并在加載點(diǎn)上根據(jù)計(jì)算結(jié)果施加不平衡力矩,經(jīng)計(jì)算,縱橋向力矩設(shè)置為481.5 kN·m,橫橋向力矩設(shè)置為1.8 kN·m。根據(jù)橋梁實(shí)際轉(zhuǎn)體角度,本文擬采用有限元模擬方法,從力學(xué)性能方面研究新型轉(zhuǎn)體裝置的可行性和有效性。

3 基于有限元模擬的轉(zhuǎn)體裝置受力性能分析

3.1 考慮齒輪摩擦因數(shù)的有限元分析結(jié)果

考慮到不同的齒輪材料及制造工藝往往會(huì)導(dǎo)致齒輪間的摩擦因數(shù)具有不確定性,因此,為研究齒輪間摩擦因數(shù)對(duì)齒輪咬合處應(yīng)力分布的影響,本章對(duì)不同摩擦因數(shù)下的輪軌系統(tǒng)受力性能開(kāi)展研究?；诮⒌霓D(zhuǎn)體裝置有限元模型,假定球鉸的靜摩擦因數(shù)為0.055,齒輪寬度為20 cm,分別對(duì)五種齒輪摩擦因數(shù)下的轉(zhuǎn)體裝置受力性能進(jìn)行分析,五種工況下的摩擦因數(shù)分別為0.1,0.15,0.2,0.25,0.3?；谟邢拊治?得到齒輪峰值應(yīng)力與摩擦因數(shù)的關(guān)系,如圖4所示。由圖4可知,隨著摩擦因數(shù)的增加,輪軌系統(tǒng)的峰值應(yīng)力近似呈現(xiàn)線性增長(zhǎng),但增長(zhǎng)趨勢(shì)較為平緩;其中,牽引索道峰值應(yīng)力單次增長(zhǎng)最大為0.66%,小齒輪結(jié)構(gòu)單次最大增長(zhǎng)1.3%,由此可見(jiàn),在轉(zhuǎn)體過(guò)程中,齒輪間切向摩擦因數(shù)對(duì)齒輪的整體受力情況影響不大,齒輪的峰值應(yīng)力主要由齒輪間接觸部位的法向應(yīng)力所決定。

當(dāng)摩擦因數(shù)為0.3時(shí),輪軌系統(tǒng)的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分別如圖5所示,其中,牽引索道與小齒輪系統(tǒng)的峰值應(yīng)力分別為195.2 MPa,152.0 MPa,表明在橋梁轉(zhuǎn)體過(guò)程中,輪軌系統(tǒng)的受力性能滿(mǎn)足要求,且具有足夠的安全儲(chǔ)備。此外,由圖5(a)可知,牽引索道的峰值應(yīng)力位置處于其與小齒輪結(jié)構(gòu)咬合處的齒頂折角位置,發(fā)生這種現(xiàn)象的原因是由于齒輪齒頂?shù)恼劢俏恢脼橹苯墙Y(jié)構(gòu),容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,并且,隨著與齒頂接觸位置距離的增加,齒輪應(yīng)力逐漸減小直至齒輪齒根位置,齒根下側(cè)區(qū)域已基本表現(xiàn)為無(wú)應(yīng)力狀態(tài);另外,由圖5(b)可知,對(duì)于小齒輪系統(tǒng),其與牽引索道的接觸部位亦出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象,原因在于兩者為同齒寬,且小齒輪結(jié)構(gòu)與牽引索道的接觸部位同為直角結(jié)構(gòu),兩者的接觸面積較小。因此,在工程應(yīng)用中,為減少齒輪結(jié)構(gòu)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象,通常需要增加小齒輪的齒寬,從而保證齒輪間具有足夠的接觸面積。

3.2 考慮球鉸靜摩擦系數(shù)的有限元分析結(jié)果

球鉸靜摩擦系數(shù)是橋梁轉(zhuǎn)體施工需要考慮的關(guān)鍵因素之一,它直接影響到橋梁的轉(zhuǎn)體效率,以及需要提供的牽引力水平。依據(jù)先前的研究文獻(xiàn)[12],球鉸靜摩擦系數(shù)的取值一般介于0.03～0.1。與3.1節(jié)類(lèi)似,為了研究球鉸靜摩擦系數(shù)對(duì)輪軌系統(tǒng)受力性能的影響,首先假定齒輪摩擦因數(shù)為0.2,齒寬為20 cm,然后分別對(duì)不同球鉸靜摩擦系數(shù)條件下的轉(zhuǎn)體裝置受力性能開(kāi)展研究,選取的球鉸靜摩擦系數(shù)分別為0.03,0.05,0.06,0.08,0.1?；谟邢拊治?得到咬合處齒輪峰值應(yīng)力與球鉸靜摩擦系數(shù)的關(guān)系如圖6所示。由圖6可知,隨著球鉸靜摩擦系數(shù)的增加,輪軌系統(tǒng)的峰值應(yīng)力呈線性增長(zhǎng),其中軌道及小齒輪的峰值應(yīng)力增長(zhǎng)率分別為36.3%,36.2%;然而,球鉸峰值應(yīng)力未發(fā)生明顯變化,主要原因是由于隨著靜摩擦系數(shù)的增加,導(dǎo)致裝置對(duì)牽引力水平的需求顯著增加,因此導(dǎo)致輪軌系統(tǒng)應(yīng)力變化較為顯著,然而,球鉸的應(yīng)力水平主要由上部結(jié)構(gòu)自重引起,因而無(wú)明顯變化。

當(dāng)靜摩擦系數(shù)為0.1時(shí),對(duì)應(yīng)的輪軌系統(tǒng)和球鉸應(yīng)力分布結(jié)果分別見(jiàn)圖7(a)—圖7(d)。如圖7所示,輪軌系統(tǒng)除局部位置出現(xiàn)峰值應(yīng)力外,其余部位均具有較高的安全余度;另外,由圖7(c)—圖7(d)可知,上球鉸峰值應(yīng)力分布區(qū)域主要集中在球鉸邊緣下部的折角位置,除折角位置外,上球鉸總體應(yīng)力小于45.8 MPa,并且隨著與中心距離的增加,球鉸應(yīng)力變化趨勢(shì)表現(xiàn)為逐漸增大;下球鉸的峰值應(yīng)力出現(xiàn)在其與上球鉸邊緣下部的接觸部位,峰值應(yīng)力為31.1 MPa,隨著與下球鉸中心距離的增加,球鉸應(yīng)力呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。

3.3 考慮齒寬參數(shù)的有限元分析結(jié)果

為探究齒寬對(duì)咬合處齒輪應(yīng)力的影響,保持上下鋼球鉸摩擦因數(shù)為0.03,齒輪摩擦因數(shù)為0.2,假設(shè)齒輪寬度分別為10 cm,15 cm,20 cm,25 cm,30 cm。咬合處齒輪峰值應(yīng)力與齒輪寬度的關(guān)系如圖8所示,其中,齒輪寬度W為10 cm時(shí)的峰值應(yīng)力如圖9所示。如圖8所示,隨著齒寬的不斷增加,輪軌系統(tǒng)的峰值應(yīng)力顯著降低,且下降趨勢(shì)先快后慢。當(dāng)齒寬由25 cm增加至30 cm時(shí),輪軌系統(tǒng)的峰值應(yīng)力降低趨勢(shì)逐漸平緩,分別下降了12.4%,3.8%。由上述結(jié)果可知,齒寬的增加對(duì)于齒輪峰值應(yīng)力降低的貢獻(xiàn)率,隨著齒輪寬度基數(shù)的增長(zhǎng)而逐漸降低。因此,在工程實(shí)際中,需要綜合考慮模擬計(jì)算結(jié)果及項(xiàng)目成本等多重因素,選取兼顧安全性、穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性的齒寬參數(shù)。由圖9可知,齒輪寬度為10 cm時(shí)牽引索道及小齒輪結(jié)構(gòu)除了齒頂及齒根的折角位置處出現(xiàn)峰值應(yīng)力外,其余部位應(yīng)力小于104.3 MPa,結(jié)構(gòu)整體處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

1)經(jīng)過(guò)有限元分析結(jié)果可知,本文所提出的新轉(zhuǎn)體裝置從受力性能方面分析具有較好的適用性和安全性。同時(shí),通過(guò)采用同步控制裝置,能夠可靠實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的精確化轉(zhuǎn)體施工。2)齒輪摩擦因數(shù)對(duì)齒輪應(yīng)力的影響非常有限,牽引索道與小齒輪結(jié)構(gòu)的峰值應(yīng)力在齒輪摩擦因數(shù)增長(zhǎng)過(guò)程中僅發(fā)生微小的改變,其變化最大值為3%。3)球鉸靜摩擦系數(shù)對(duì)輪軌系統(tǒng)受力性能的影響較為顯著,裝置的峰值應(yīng)力與球鉸靜摩擦系數(shù)近似呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)關(guān)系,主要原因是由于球鉸靜摩擦系數(shù)的增加直接決定了轉(zhuǎn)體裝置對(duì)牽引力的需求。4)輪軌系統(tǒng)受力性能受齒輪寬度的影響較大,隨著寬度增加,齒輪的峰值應(yīng)力呈現(xiàn)折線式降低且趨勢(shì)不斷變緩,齒輪寬度的增加對(duì)于輪軌系統(tǒng)峰值應(yīng)力降低的貢獻(xiàn)率不斷減弱。