水平力在節段拼裝架橋機過孔作業中的影響分析及控制

許俊

摘 要：節段拼裝架橋機在過孔作業中，需由架橋機的支承結構提供水平外力驅使架橋機主梁結構前（后）移動。該水平力控制不當有可能導致架橋機支承結構傾覆引起架橋機的垮塌事故，也有可能導致支撐墩身發生位移及變形影響橋梁的架設精度。分析了節段拼裝架橋機在過孔作業中產生的水平力對支承結構的影響以及控制方法，供今后同類型架橋機設計及施工參考。

關鍵詞：水平力；節段拼裝架橋機；分析；控制

1 概述

隨著我國國民經濟的發展和預制節段拼裝施工法的機械設備生產及運用水平的進步，越來越多的橋梁采用節段拼裝施工技術。近年來，蘇通大橋引橋、上海長江大橋引橋、廈門集美大橋引橋、南京四橋引橋、嘉紹大橋引橋等些項目均采用節段拼裝架橋機拼裝施工。

節段拼裝架橋機（以下簡稱架橋機）通常由主梁結構、支承結構、起重天車3大部件組成。架橋機在移動過孔作業過程中，通常由前后2個主支承承受架橋機主梁以上結構的垂向載荷，并提供水平動力驅使架橋機主梁以上結構進行前（后）縱、左（右）橫移。這個水平動力由專門的動力源提供，對于整個架橋機來說屬于外力，由支承架橋機前、后主支承的墩身1、墩身2提供。

節段拼裝架橋機主要結構見圖1。

圖1 節段拼裝架橋機示意

2 水平力分析

假設架橋機需要向前移動過孔，對架橋機主支承結構進行受力分析。

圖2 主支承結構受力分析

架橋機主支承底部支承面到頂部滑移面的高度為H，主支承底部支承面支承寬度為W。架橋機主梁與主支承接觸滑移面間的摩擦系數為？滋，主梁以上需要移動的部件總質量為M，在不考慮附加載荷的工況下架橋機移動過孔需要的總水平力FS=M×？滋。總質量M產生的垂向正壓力由前、后兩個主支承承受。前主支承2承受的垂向正壓力為Nq，水平摩擦力為FSq=Nq×？滋。后主支承1承受的垂向正壓力為Nh，水平摩擦力為FSh=Nh×？滋。則有M=Nq+Nh，FS=FSq+FSh。

3 水平力對主支承的傾覆穩定性分析

架橋機過孔作業時，通常由前、后主支承間的一個來提供水平動力驅動架橋機移動。不考慮附加載荷的工況下的水平動力為總摩擦力FS，分別對提供動力的主支承及非動力主支承進行傾覆穩定性分析。當由后主支承1提供水平動力時，對于主支承1來說，所受水平力為水平總外力減去移動摩擦產生的摩擦力FS1=FS-FSh=（M-Nh）×？滋，抗傾覆穩定系數為？孜1=（Nh×W×0.5）÷（FS1×H）=（Hh×W×0.5）÷[（M-Nh）×？滋×H]。對于主支承2來說，總水平力就是移動摩擦產生的摩擦力FS2=FSq=Nq×？滋，抗傾覆穩定系數為？孜2=（Nh×W×0.5）÷（FS2×H）=（0.5×W）÷（？滋×H）。當由前主支承2提供水平動力時，對于主支承1來說，總水平力為移動摩擦產生的摩擦力FS1'=FSh=Nh×？滋，抗傾覆穩定系數為？孜1'=（Nh×W×0.5）÷（FS1'×H）=（0.5×W）÷（？滋×H）。對于主支承2來說，總水平力為FS2'=FS-FSq=（M-Nq）×？滋，抗傾覆穩定系數為？孜2'=（Nq×W×0.5）÷（FS2'×H）=（Nq×W×0.5）÷[（M-Nq）×？滋×H]。

從四個穩定系數來看，主支承的穩定性主要取決于以下幾個方面：（1）主支承底部支承面支承寬度W；（2）主支承底部支承面到頂部滑移面的高度H；（3）主支承承受的垂向正壓力Nq/Nh；（4）主梁以上需要移動的部件總質量M；（5）主梁與主支承接觸滑移面間的摩擦系數？滋。因此，從架橋機的設計角度分析，提高主支承穩定性主要有以下幾個方面：（1）在結構布置允許的情況下盡可能加大支承寬度W；（2）在功能實現允許的情況下盡可能減小支承高度H；（3）在結構設計時盡可能優化減小總質量M；（4）從機構設計及材料選型上盡可能使摩擦系數 減小。從架橋機使用的角度分析，使用承受垂向正壓力大的主支承來提供水平動力可提高主支承的傾覆穩定性。因此，在架橋機過孔過程中，需根據兩個主支承承受的正壓力的變化，及時變換主支承去提供水平動力。

4 水平力對墩身變形影響的控制

墩身結構作為架橋機的載體，在架橋機進行過孔作業中不可避免要承受架橋機作用的水平力。盡管我們從設計及使用方法上減小了水平力的大小，但是水平力對于墩身變形的影響還是顯而易見的。在最近完工的嘉紹大橋施工過程中，架橋機過孔水平力在沒有采取控制措施的情況下，墩身在過孔過程中晃動明顯，墩頂變形瞬間最大位移達到了5cm。架橋機完成過孔后，墩頂殘余變形也達到了1cm，嚴重影響了節段梁的拼裝精度。減小墩身變形最為有效的方案是增加墩身順橋向的水平剛度。然而，為了克服施工載荷而去加大墩身尺寸顯然不是個合理的方案，造成了不必要的浪費。在嘉紹大橋施工過程中，采取了一種“預張拉”的方案使得墩頂變形最大位移控制在了2cm以內，基本消除了殘余變形。

“預張拉”方案見圖3。

圖3 “預張拉”方案

當采用主支承1提供水平動力時，主支承2所受的水平力向前。主支承1所在墩已和已成橋相連，具有很大的水平剛度，水平力對于墩身的變形影響可以忽略不計。主支承2所在墩此時為孤墩，水平剛度較差，受水平力影響變形較為明顯。此時，在兩個墩身間利用水平鋼絞線進行相連，并通過張拉千斤頂對鋼絞線進行預張拉。張拉力FZL略小于墩身允許承受的最大水平力。在這個過孔過程中，張拉鋼絞線對主支承2所在墩身提供恒定的向后的拉力使得墩身預先有一個恒定的變形，這個變形是我們墩身可以承受的。在摩擦力小于張拉力時，墩身不再發生變形。當摩擦力大于張拉力時，水平鋼絞線提供的向后的拉力相應增加并完全平衡摩擦力，墩身也不再發生變形。

采用“預張拉”方法去控制架橋機過孔水平力，不僅有效地控制了墩身變形量，也是架橋機過孔過程更加安全、平穩。

5 結束語

架橋機在過孔過程中，水平力的產生是不可避免的，只能減小其對施工過程的影響。文中所介紹的水平力對架橋機主支承傾覆穩定性及墩身變形的影響及控制措施是結合了多個應用實例總結出來的，值得同類型架橋機設計、施工過程的借鑒參考。

參考文獻

[1]美國各州公路運輸工作者協會. 節段式混凝土橋梁設計和施工指導性規范[S].1989.

[2]GB/T 3811-2008.起重機設計規范[S].