基于北斗的橋梁轉體施工傾覆安全預警閾值研究(一)

馬福民， 陳 釩， 陳正林， 孫軍柱， 舒萬華， 高 偉， 程廣杰， 羅 琦

(中電建路橋集團有限公司, 北京 100048)

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基于北斗的橋梁轉體施工傾覆安全預警閾值研究(一)

馬福民， 陳 釩， 陳正林， 孫軍柱， 舒萬華， 高 偉， 程廣杰， 羅 琦

(中電建路橋集團有限公司, 北京 100048)

為了保證橋梁轉體施工過程中不發生傾覆，基于北斗衛星導航系統對轉體結構的四個控制角點位置進行實時監測，根據轉動體系的構造，以重力合力不超出墩底截面核心為臨界條件，確定最大允許偏角，繼而確定轉體發生傾覆的安全預警閾值，通過準確設置該值達到保障轉體施工安全的目的。未來該方法可望廣泛用于高效轉體施工控制和橋梁健康監控。

橋梁工程； 轉體； 北斗； 抗傾覆

在交通事業高速發展的今天，我國交通網絡越來越趨于密集化和立體交叉化，跨越既有線修建橋梁將越來越多，轉體施工由于其獨特的優勢被廣泛應用。大型橋梁轉體施工基本是圍繞一個球鉸轉動，傾覆力矩通過球鉸周邊的滾動支撐平衡。轉體過程中結構是不允許發生無組織運動的，甚至連微小側向轉動也需要受到嚴格控制。特別是對于高墩橋，即使一個很小的偏角，也可能使自重合力超出墩底截面核心，危及大橋安全。因此，控制偏角是保障橋梁安全不傾覆的有效方法[1-2]。

以往的研究，大多采用解析法或者結合有限元建模，比如馬朝旭[3]采用彈性力學解析法和規范近似法計算了跨鐵路連續梁平轉施工時的球鉸節點受力，并進行了Ansys有限元建模；車曉軍等[4-5]研究了T型剛構橋轉體過程抗傾覆性能，基于接觸面豎向壓力分布形態和球鉸應力差提出了球鉸失穩臨界力矩近似公式和不平衡力矩理論計算公式；宋剛[6]在稱重試驗中提出了新的測試水平位移的方法，相比豎向位移可以消除黃油層豎向變形的影響，使臨界力判斷更準確。學者們對轉體法施工的橋梁力學性能進行了理論和試驗研究，但是并沒有將其與現場施工監控相結合，提出傾覆發生的預警閾值。

北斗衛星導航系統作為橋梁監測的手段，可以得到監測點的空間三維坐標，目前主要運用于橋梁健康監測中水平變形量和垂直變形量的監測[7-10]。本文以實際工程項目為依托，在待轉體梁段四個控制角點放置北斗信號接收器，根據其豎向坐標變化換算出橋墩偏角。在此基礎上建立預警系統，實時發出安全預警，從而保證轉體過程安全，也為同類橋梁的施工監控提供參考。

1 利用北斗信息換算偏角的原理

轉體系統如圖1所示分上下兩部分，上轉盤包括上部球鉸和撐腳，下轉盤包括下部球鉸、環形滑道、千斤頂反力座和牽引反力座、承臺等，通過鋼銷軸的連接定位兩部分結合成一個完整的轉體系統。實際轉體過程中，由于球鉸的制作誤差、轉體質量剛度不均勻、預應力偏差等不利的情況，結構重心會偏離球鉸中心，傾斜一側的撐腳與滑道接觸發揮支撐作用，此時轉體結構發生剛體位移，撐腳為傾覆支點。

圖1 轉體系統立面示意

通過在轉體上部結構的四個控制角點布置GPS設備(圖2中G1～G4所示)實現對橋梁轉體空間狀態實時監控，根據控制角點的空間三維坐標計算出橋體所在的真實位置和水平高度，由此反算出上部結構在轉體過程中的傾角。然后通過設置相應的閾值，判斷轉體T構是否發生傾覆并實時預警。

圖2 GPS設備布置示意

1.1 縱向傾覆

轉體T構處于最大雙懸臂狀態，在轉動過程中，由于兩個臂展重量不均勻、兩邊牽引力不協調，或者其他原因造成的沿臂展方向受力不均衡，不均衡力將導致處于轉動狀態中的T構重心沿著懸臂伸長方向(縱向)漂移，一旦超出限值，將導致轉體T構沿縱向發生傾覆(圖3)。四個控制角點的坐標分別設為G1(X1，Y1，Z1)、G2(X2，Y2，Z2)、G3(X3，Y3，Z3)、G4(X4，Y4，Z4)，由圖3可知：

圖3 縱向傾覆示意

(1)

式中：L1為縱橋向的臂展長度。由幾何關系可知，傾覆角α′=α，即

(2)

式(2)表征了縱向傾覆時傾覆角與四個控制角點坐標值之間的換算關系。

1.2 側向傾覆

在轉動過程中，由于橫向風作用，或者其他原因導致的橫向受力不均衡，不均衡力將實時反饋給轉體T構，直接影響是致使轉體T構重心沿著橫向漂移，一旦超出限值，將導致轉體T構沿橫向傾覆，由圖4可知：

圖4 橫向傾覆示意

(3)

式中：L2為橫橋向寬度。由幾何關系可知，傾覆角α′=α，即

(4)

式(4)表征了橫向傾覆時傾覆角與四個控制角點坐標值之間的換算關系。

2 預警閾值的確定

2.1 安全系數的確定

在實際施工過程中，考慮各種因素的不利影響后，為了保證安全，可適當設置一定的安全系數K，它是抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值。為了簡化計算，可假設重力合力作用點超出(球鉸處)橋墩截面(準確地講是橋墩與球鉸接觸面在水平面上的投影)核心即發生傾覆，因為此時截面內的力將重新分布，急劇向傾覆方向發展。傾覆發生時，橋墩緊貼著球面滑動，瞬心即球心，因此傾覆力矩即橋重G與偏心距e的乘積(圖5)。

圖5 轉體結構受力示意

傾覆力矩：Me=G·e

抗傾覆力矩：MF=F·r

安全系數：

(5)

2.2 圓形接觸面

轉體結構上下球鉸接觸面一般選為圓形(圖6)。

圖6 圓形接觸面示意

由于截面對于圓心是極對稱的，因而截面核心邊界對于圓心也應該是極對稱的，所以圓形截面核心邊界是一個半徑為d/8的圓，即：

(6)

式中：d為上下球鉸接觸面的直徑。

(7)

預警閾值即兩邊北斗垂直坐標讀數差允許值，即：

(8)

式中：H是橋總重作用點高度，可近似取梁體重心到球鉸頂點的高度，亦可近似取橋墩高度。

2.3 矩形控制面

在一些場合，比如截面較小的矩形墩身，需考慮墩身與上轉盤交界面可能發生的破壞，并由此導致傾覆(圖7)。

圖7 矩形控制截面示意

(1)發生縱向(繞y軸)傾覆時，截面幾何特性：

(9)

(10)

式中H含義同前。

(2)發生橫向(繞x軸)傾覆時，可類似得出：

(11)

(12)

(3)預警閾值即兩邊北斗坐標讀數差允許值，即：

(13)

式中：L為北斗信號接收器之間的距離，可近似取橋長L1或者橋寬L2。

3 工程實例分析

G108國道青白江段改擴建工程上跨北環達成鐵路轉體橋，與北環達成鐵路線交角73.85°。其孔跨布置為2×45 m T構單幅橋，橋面縱坡2.55 %，橋面橫坡為雙向坡，最大坡度2 %，橋梁全長90 m。梁體采用變截面預應力混凝土箱梁，單箱四室截面，梁體根部梁高5.2 m，邊支點處梁高為2.5 m，梁頂寬23 m，梁底寬18.5 m。轉體重量為8 513 t，轉體角度為76°，轉體時間為50 min，轉體角速度為0.025 rad/min。轉體牽引設備采用2臺200 t連續牽拉油缸，梁體連續千斤頂分別按水平、平行、對稱的要求布置于轉盤兩側，其中測試轉體鉸摩擦系數μs=0.007 73，動摩擦系數μd=0.005 69，每端的牽引力大小為71.65 kN。

表1 傾覆力矩驗算

表2 最大允許偏角和Z坐標讀數差允許值

通過表1和表2說明，在實際工程中，按式(5)、式(8)計算的安全系數，尚有很大的富余。本文假設重力合力作用點超出橋墩截面核心即發生傾覆也是偏于安全考慮，而對應的預警閾值也較大，實際測量精度很容易滿足要求，可操作空間很大，可在此基礎上以保證轉體就位精度為嚴格限制條件，減小預警閾值的設定。

實際上，北斗民用信號豎向分辨率將是厘米級，由此可以算出表1中的安全系數分別是251和70，安全系數提高十倍乃至幾十倍。對于大型工程，這一點尤為重要。

4 結論

(1)北斗民用信號開放是可以預期的，其精度將達到厘米乃至毫米級。考慮到大型T構橋梁的長度一般都較大，幾十米到上百米，因此，可分辨的橋墩縱向傾角可達分(北斗精度厘米級)及秒(北斗精度毫米級)。這一點對高墩尤其重要，因為橋墩越高，重力作用點越容易超出截面核心。

假設橋長50 m，北斗精度1 cm，那么可分辨的偏角是：

(0.01/50)×(180/3.14)=0.011°=0.69′

假設橋長100 m，北斗精度1 mm，那么可分辨的偏角是：

(0.001/100)×(180/3.14)=0.00057°=2.06″

(2)在橫向，可根據橋寬適當選擇伸臂，增加接收器之間的距離，提高分辨率。

(3)北斗在橋梁監測中的應用相對于其他位移監測方法來說有自己的優勢，首先是數字化傳輸，能夠對超出橋梁允許的變形值進行報警，保障橋梁的安全運行。其次監測終端沒有量程限制，可以長時間永久連續監測，不受各種天氣影響。還有就是各個監測點之間不需要通視，這是一些常規監測手段譬如全站儀做不到的。

[1] 姚德新. 曲線橋梁測設中橋梁偏角計算方法的研究[J]. 蘭州交通大學學報, 1997(1):16-19.

[2] 彭華. 幾種控制薄壁空心墩偏位的方法[J]. 科技傳播, 2013(14).

[3] 馬朝旭. 客運專線跨鐵路連續梁平轉法施工力學特性分析研究[D]. 蘭州交通大學, 2014.

[4] 車曉軍, 張謝東. 大噸位T形剛構橋轉體過程抗傾覆性能[J]. 中國公路學報, 2014, 27(8):66-72.

[5] 車曉軍, 張謝東, 朱海清. 基于球鉸應力差法的T構轉體橋不平衡力矩預估[J]. 橋梁建設, 2014, 44(4):57-61.

[6] 宋剛. T形剛構橋水平轉體施工控制及施工風險評估研究[D]. 長安大學, 2011.

[7] 席恩偉. 基于北斗/GPS與GIS的橋梁變形監測系統研究[D]. 云南大學, 2015.

[8] 程朋根, 李大軍, 史文中,等. 基于GPS、GIS技術的橋梁結構健康監測與管理信息系統[J]. 公路交通科技, 2004, 21(2):48-52.

[9] 李宇航. 基于GIS的橋梁實時動態監測與分析系統[D]. 山東科技大學, 2014.

[10] 朱明非, 翁信文, 汪維,等. 基于GIS/GPS集成的變形監測預警系統設計[J]. 科技創新與生產力, 2016(4):109-110.

[11] 韓林海, 楊有福. 現代鋼管混凝土結構技術[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2007.

馬福民(1966～)，男，本科，高級工程師。

U445.465

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[定稿日期]2017-02-19