橋梁轉體施工方案研究

鐘勇勇 朱洪洲 陳天培

1.重慶交通大學；2.福建省水利投資集團（平潭）水務有限公司；3.合誠工程咨詢集團股份有限公司

1 工程概況

青某機場處于核心區域，市域范圍內居中位置，根據總體方案，跨鐵路橋梁均采用轉體法進行施工。六路跨徑為62+62m，橋寬為21.8m。跨鐵路橋梁均位于直線段，均為全預應力鋼筋混凝土構件。

2 施工控制的依據、目的、原則與方法

2.1 施工控制的依據

轉體橋施工監控實施方案依據下列規范及文件編制：

（1）JTG B01—2003《公路工程技術標準》；

（2）JTG D60—2004《公路橋涵設計通用規范》；

（3）JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》；

（4）JTG D63—2007《公路橋涵地基與基礎設計規范》；

（5）JTJ 041—2000《公路橋涵施工技術規范》；

（6）JTG F80/1—2004《公路工程質量檢驗評定標準（第一冊土建工程）》。

2.2 施工控制的目的

橋梁施工階段的控制是一個系統工程，主要包括二部分：一部分是數據采集系統，即監測；另一部分是數據分析處理系統，即監控。在該系統中，設計圖只是理想目標，而在自開工到竣工整個為實現設計目標而必須經歷的過程中，將受到許許多多確定和不確定因素(誤差)的影響，包括在設計計算、材料性能、施工精度、荷載、大氣溫度等諸多方面存在理想狀態與實際狀態之間的差異，施工中如何從各種受誤差影響而失真的參數中找出相對真實之值，對施工狀態進行實時識別(監測)、調整(糾偏)、預測，對設計目標的實現是至關重要的。很多未重視有效施工控制的橋梁，在成橋后出現了內力分配不合理、主梁線形不流暢的情況，有些甚至出現了嚴重的跨中下撓，影響了橋梁的使用。

2.3 施工控制的主要內容

施工控制的主要內容，主要進行了以下幾個方面的工作。

（1）采用有限元軟件建立主梁結構仿真模型，對主梁施工過程中的線形與應力進行模擬計算，理論上得到各個施工階段的撓度與應力數據。

（2）根據墩頂轉體施工要點，采用球鉸轉動測試不平衡力矩方法，制定詳細的稱重試驗方法，得出轉動體不平衡力矩、摩阻系數、偏心距和摩阻力矩的計算方法，并得出了兩種平衡情況下的稱重方案。

2.4 施工控制的精度及原則

參照JTJ 041—2000《公路橋涵施工技術規范》和JTG F80/1－2004《公路工程質量檢驗評定標準》的規定，結合目前測試儀器的精度范圍，控制精度初定見表1。

表1

3 轉體橋施工監控有限元仿真分析

邁達斯有限元分析軟件在橋梁領域相當成熟，尤其在模擬轉體橋轉體施工階段。用梁單元模擬主梁，將主梁離散為180個梁單元，用實體單元模擬橋墩，用劃分網格法離散橋墩單元，建立施工步驟。鈍化激活支座單元來模擬轉體過程中主梁與橋墩支座連接的變化[2]。

3.1 監控計算的基本內容

監控計算主要是計算轉體的速度，轉體時間以及轉體過程中主梁的變形應力以及橋墩應力變化，如何科學合理的設置壓重。保證轉體橋施工過程主梁的穩定性以免造成不可逆的后果，計算過程要嚴格按照設計規范，并將計算結果跟設計方進行比較探討，保證施工方案安全可行。

3.2 計算模型的建立

有限元計算模型的建立對于大型工程是科學并且可行的，有限元模型將理論計算手段與計算機聯合起來，大大降低科學人員的計算量，有限元模型以矩陣論理論為理論基礎，將結構物離散為有限單元，單元之間用節點分割。

4 轉體橋轉體施工配重方案

橋梁轉體安全主要在于主梁轉體過程的穩定性，穩定性的關鍵在壓重，所以如何建立平衡壓重的計算方法尤為重要，平衡壓重是轉體橋梁成敗的關鍵。

4.1 轉體橋主梁梁平衡稱重的原理和方法

（1）稱重原理。該橋主梁與橋墩處設置球鉸，本文稱重體系運用主梁在球鉸轉動過程中產生的不平衡力矩的計算方法。轉體橋轉動過程中會有兩種情況：不平衡力矩（MG）大于轉動體摩阻力矩（MZ）或不平衡力矩（MG）小于球鉸摩阻力矩（MZ），主梁與球鉸細微的轉動將產生不平衡力矩，而球鉸轉動過程中客服自身摩擦產生的摩阻力與之相互平衡，構成了轉體橋橋梁中平衡體系。

（2）稱重方法。球鉸轉動時不平衡力矩的測試。對于轉體橋整個體系，當轉體橋不平衡力矩（MG）小于球鉸摩阻力矩（MZ），整個體系處于靜止狀態，主梁不會產生位移。假如主梁重心在西側，如圖1稱重示意圖所示，則在東側橋墩處施加力P1，隨著P1增加球鉸會發生非常小的轉動，此時關掉千斤頂并將回油卡死保持P1不變，公式如下：

圖1 稱重試驗a

假如轉體橋梁整個中心在東側，我們在主梁西側加力P2，隨著P2的增加橋墩球鉸會發生細微的轉動，這時候關掉千斤頂并且把回油卡死保證P2數值不變，所得公式如下：

圖2 稱重試驗b

根據式（1），（2）解聯立方程：

不平衡力矩

摩阻力矩

圖3 百分表和千斤頂

當轉體橋梁不平衡力矩（MG）大于球鉸摩阻力矩（Mz）時，此時解除主梁與橋墩處的臨時固結，主梁將發生轉動。如圖2，假設轉體橋主梁的重心在西側，此時在轉體橋墩頂的西側施加力P3，隨著P3不斷增加，主梁西側接觸球鉸的一端被抬起球鉸會輕微轉動，此時關掉千斤頂并關掉回油，公式如下：

然后打開千斤頂回油，千斤頂回落過程中轉體橋球鉸會發生輕微的轉動此時記錄P3有：

聯立方程（5）和（6）得

不平衡力矩：

摩阻力矩：

4.2 轉體橋梁主梁平衡稱重時球鉸摩擦系數和偏心距的計算

轉體橋梁在壓重實驗過程，轉體橋主梁與橋墩連接的球鉸會發生順時針或者逆時針的轉動，由于主梁東西測不平衡配重，轉體橋主體的重心并不在球鉸重心處，使得轉體橋主梁與橋墩接觸的上下球鉸之間產生摩阻力距。

為盡可能減小球鉸的摩阻力，球鉸處加入黃油，根據實驗以及工程經驗所得：

球摩擦系數：

偏心距為：

N——轉動體重量。

4.3 平衡轉體配重方案

假設轉體橋梁在橋墩球鉸支撐處是平衡的，在主梁兩端施加配重保證轉體橋主梁重心與球鉸中心線重合。這種方法的優點是好計算，配重方便。缺點是無法保證轉體橋在轉動過程中主梁重心與球鉸中心線也是重合的。

此方案的配重可按式（11）計算：

G1——此方案需要加的配重；

N——轉體實際總重量；

E——轉體初始偏心距；

L0——懸臂長度；

l——配重距梁端的距離。

4.4 轉動前的準備工作

橋梁轉體到位后要設置臨時支撐，目的是限制主梁的位移，以便安全合龍。

（1）轉動體橋梁主梁安全防護施工。鐵路橋梁是民生之本，在國內交通中擔當著重任，為了在轉體施工過程中保證鐵路橋的安全，需要設置安全網。

（2）拆除砂箱、清理滑道。拆除橋墩處的固定裝置，將滑道上的污物清理干凈，為了保證轉體裝置轉體過程中滑潤，需要抹上黃油或者其他潤滑劑。

（3）千斤頂安裝及其標定工作。千斤頂在安裝就位前，需要到專業部門進行標定，按照專業程序標定好的千斤頂，需要空載運送到工作地點。

（4）牽引索的預緊。千斤頂的拉力需要牽引索傳給主梁，牽引索必須保證能夠承受千斤頂的拉力，所以牽引索需要5kN～lOkN 的拉預警，重復幾次，保證牽引索的索絲在拉力作用下均勻受力。

（5）防超轉結構的設置。主梁體量很大，一旦轉動起來，由于慣性作用很容易超轉，搭建臨時支撐限制主梁位移，確保主梁轉動到位后能夠停止運動。

（6）車甫助頂推裝置準備。如何設置微調裝置也是轉體施工的關鍵，為確保主橋轉體后能到達準確位置方便合龍，需設置反頂推裝置。

（7）天氣條件。風速對轉體橋梁施工影響很大，在轉體施工開始前一周，要觀測天氣狀況，并聯系氣候觀測部門，預測未來一周的天氣狀況，轉體施工過程風速不能大于四級。