大型V構(gòu)橋梁轉(zhuǎn)體關(guān)鍵問題研究

張繩忠

(中鐵二十四局集團(tuán)有限公司 上海 200433)

1 前言

隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，交通網(wǎng)絡(luò)逐漸完善，鐵路與公路交匯的節(jié)點(diǎn)增多，橋梁轉(zhuǎn)體施工技術(shù)憑借其對所跨越線路的低干擾性而越發(fā)得到重視[1－2]。在大型繁忙的交通干線上修建跨線橋，橋梁轉(zhuǎn)體存在顯著優(yōu)勢，交通運(yùn)輸部明確規(guī)定公鐵路線中存在跨越的地方必須轉(zhuǎn)體施工[3]。轉(zhuǎn)體施工法的原理為在橋墩處修建兩個(gè)相接觸的球鉸，上、下部分通過固定插銷連接，上轉(zhuǎn)盤在千斤頂?shù)淖饔孟聽坷D(zhuǎn)，帶動(dòng)梁體跨過線路[4]。該方法在技術(shù)上存在多項(xiàng)難點(diǎn)，主要集中于設(shè)計(jì)思路、施工方法和轉(zhuǎn)體過程監(jiān)控等方面[5]。

蔡建業(yè)[6]研究了超大噸位轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體流程，包括轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)布置、設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)、檢算要求等。梁志宏[7]闡述了連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工關(guān)鍵工藝與方法，并分析了控制施工質(zhì)量的因素，給出橋梁轉(zhuǎn)體施工過程中重要步驟的現(xiàn)場處理方法。車曉軍等[8]研究了橋梁轉(zhuǎn)體時(shí)不平衡力矩的預(yù)估方法，基于構(gòu)件受偏心壓縮時(shí)的應(yīng)力流分布，推導(dǎo)了T型剛構(gòu)轉(zhuǎn)體橋梁基于球鉸下應(yīng)力差的不平衡力矩理論計(jì)算公式，并結(jié)合工程實(shí)例驗(yàn)證其理論的有效性與可行性。張黎明等[9]對大噸位曲線橋轉(zhuǎn)體實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了轉(zhuǎn)體可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)。姚保輝[10]研究了曲線橋梁轉(zhuǎn)體鋼球鉸設(shè)置橫向預(yù)偏心技術(shù)和曲線連續(xù)梁轉(zhuǎn)體關(guān)鍵控制技術(shù)。高光品等[11]以京張高鐵土木特大橋作為工程背景，研究分析了墩頂轉(zhuǎn)體技術(shù)的難點(diǎn)與解決方法，并給出球鉸處體系轉(zhuǎn)換的相關(guān)建議。

總體而言，橋梁轉(zhuǎn)體施工仍是一種新型施工工藝，其轉(zhuǎn)體過程中結(jié)構(gòu)受力、空間姿態(tài)以及牽引結(jié)束后的精準(zhǔn)調(diào)整問題還有待深入探索。本文基于312國道蘇州東段改擴(kuò)建工程昆山段V型剛構(gòu)橋轉(zhuǎn)體工程項(xiàng)目，進(jìn)一步開展橋梁轉(zhuǎn)體施工關(guān)鍵問題研究。針對轉(zhuǎn)體橋梁施工控制、臨時(shí)支撐拆除監(jiān)測、稱重試驗(yàn)、轉(zhuǎn)體過程監(jiān)控、橋梁姿態(tài)調(diào)整等轉(zhuǎn)體施工全過程關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行方法與試驗(yàn)研究。

2 工程概況

本轉(zhuǎn)體工程為V型剛構(gòu)轉(zhuǎn)體連續(xù)梁，位于312國道蘇州東段改擴(kuò)建工程昆山段主線第19聯(lián)，跨徑為2×66 m，橋面凈寬34 m，縱坡3.97%。轉(zhuǎn)體總重量約2.14萬t，為目前國內(nèi)最大噸位V型剛構(gòu)轉(zhuǎn)體橋梁，如圖1所示。

圖1 V型剛構(gòu)轉(zhuǎn)體梁現(xiàn)場

該V型剛構(gòu)連續(xù)梁采用“先掛籃懸澆、后平面轉(zhuǎn)體”的施工工藝，順時(shí)針轉(zhuǎn)體70°就位，梁橋轉(zhuǎn)體前、后位置如圖2所示。受現(xiàn)場條件、施工工序等因素影響，兩邊墩在轉(zhuǎn)體之前已澆筑完成。其中大里程側(cè)邊墩頂部標(biāo)高13.9 m，對應(yīng)梁底標(biāo)高14.2 m，凈空0.3 m；小里程側(cè)邊墩頂部標(biāo)高18.9 m，對應(yīng)梁底標(biāo)高19.4 m，凈空0.5 m。轉(zhuǎn)體過程中V型剛構(gòu)需同步跨越兩邊墩，這種“雙跨越式”轉(zhuǎn)體有精準(zhǔn)時(shí)空位置要求，橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)全過程中其縱、橫向均需保持較高平穩(wěn)性。

圖2 橋梁轉(zhuǎn)體前后位置示意

3 轉(zhuǎn)體V構(gòu)施工控制

轉(zhuǎn)體橋梁的施工控制環(huán)節(jié)，除了對橋梁線形監(jiān)控外，其重力對稱性也是監(jiān)控的重點(diǎn)。對于轉(zhuǎn)體橋梁而言，橋梁結(jié)構(gòu)澆筑完成后自身的平衡性是影響其轉(zhuǎn)體實(shí)施的重要因素，初始不平衡力矩越大則導(dǎo)致稱、配重試驗(yàn)及轉(zhuǎn)體牽引復(fù)雜性和難度增大。

該V型剛構(gòu)墩身重心相對地面位置不高，由此帶來的重力分布偏差較小，忽略橋臺(tái)、V型墩身及0＃塊整體澆筑對橋梁重力對稱性的影響。實(shí)際施工過程中掛籃施工時(shí)，各號塊的混凝土澆筑方量如表1所示。可以看出，轉(zhuǎn)體橋梁施工階段產(chǎn)生的重力分布偏差較小，V構(gòu)兩側(cè)混凝土用量僅差3 m3，結(jié)構(gòu)處于較好平衡狀態(tài)。

表1 項(xiàng)目混凝土實(shí)際用量

除此之外，在稱重試驗(yàn)和橋梁轉(zhuǎn)體之前，針對橋梁附屬部件如護(hù)欄、橋面鋪裝等的提前施工環(huán)節(jié)，嚴(yán)格控制其對稱性，確保整體結(jié)構(gòu)的平衡。

4 稱重試驗(yàn)

對梁體進(jìn)行稱配重是確保轉(zhuǎn)體過程姿態(tài)良好、結(jié)構(gòu)安全的必要環(huán)節(jié)。通過稱重試驗(yàn)得到不平衡力矩和轉(zhuǎn)體球鉸摩阻力矩，再進(jìn)行轉(zhuǎn)體姿態(tài)分析和平衡配重，確保梁體在正式轉(zhuǎn)體前處于較好平穩(wěn)狀態(tài)。

4.1 臨時(shí)支撐拆除監(jiān)測

監(jiān)測梁體臨時(shí)支撐(砂箱、撐腳楔塊等)拆除過程中姿態(tài)變化有利于初步判斷梁體平衡狀態(tài)，指導(dǎo)正式稱重。該V型墩設(shè)置有撐腳、砂箱及鋼管混凝土柱作為臨時(shí)支撐。在上承臺(tái)各邊中點(diǎn)處設(shè)置4個(gè)位移監(jiān)測點(diǎn)，正式稱重前按“鋼管混凝土柱－撐腳楔塊－砂箱”依次拆除臨時(shí)支撐，其中8個(gè)砂箱拆除順序按1、2……、8。測點(diǎn)布置及砂箱依次拆除過程中四個(gè)測點(diǎn)位移變化曲線見圖3。

圖3 測點(diǎn)布置及拆除過程位移變化

可以看出，每拆除一處砂箱，梁體會(huì)向相應(yīng)方位產(chǎn)生微小偏移，待全部拆除完成后，4個(gè)測點(diǎn)的位移變化基本相同。臨時(shí)支撐拆除完畢后整體下沉量約4～5 mm，梁體均勻平穩(wěn)下沉。

臨時(shí)支撐拆除后，V構(gòu)處于自由狀態(tài)，在環(huán)境荷載(如風(fēng)荷載、列車運(yùn)行環(huán)境振動(dòng)等)作用下，梁體存在微小振動(dòng)位移。實(shí)際監(jiān)測V型結(jié)構(gòu)承臺(tái)處縱橋向測點(diǎn)D1、D3在列車經(jīng)過時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)如圖4所示。可以看出，兩側(cè)測點(diǎn)位移變動(dòng)頻率、步調(diào)一致，其幅值在0.1 mm以內(nèi)。

圖4 列車經(jīng)過時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)

上述監(jiān)測數(shù)據(jù)表明梁體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，能自由振動(dòng)，臨時(shí)支撐拆除后不存在撐腳著地的情況，無需進(jìn)行預(yù)配重。

4.2 稱重?cái)?shù)據(jù)及結(jié)果分析

采用液壓千斤頂分別沿縱橋向和橫橋向頂推上轉(zhuǎn)盤，利用位移傳感器測試記錄承臺(tái)四邊中點(diǎn)(如圖5所示)的位置變化曲線，以此確定V型剛構(gòu)發(fā)生剛體轉(zhuǎn)動(dòng)的臨界點(diǎn)。千斤頂?shù)睫D(zhuǎn)軸平均距離為R＝6.31 m，初始頂推時(shí)的力－位移曲線如圖5所示。可以看出，由于上、下轉(zhuǎn)盤接觸面處長時(shí)間擠壓，初始頂推通常需要較大的頂力來克服靜摩擦。當(dāng)梁體滑動(dòng)的瞬間，靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦，結(jié)構(gòu)存在瞬時(shí)不平衡力，導(dǎo)致梁體加速轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致千斤頂和梁體之間出現(xiàn)短暫的脫離，呈現(xiàn)出位移數(shù)據(jù)迅速增大而頂推力減小的現(xiàn)象，直至梁體與千斤頂再次接觸。所以初始頂推的臨界荷載點(diǎn)是克服靜摩擦對應(yīng)的臨界點(diǎn)。

圖5 初始頂推力－位移曲線

初始頂推之后，開展正式稱重實(shí)驗(yàn)。沿縱向分別在大里程側(cè)和小里程側(cè)進(jìn)行頂推時(shí)的實(shí)測力－位移曲線如圖6所示。可以看出，當(dāng)頂推力逐漸增大至臨界點(diǎn)時(shí)，V型剛構(gòu)隨上轉(zhuǎn)盤出現(xiàn)剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)突變點(diǎn)需要的頂力相較圖5較小，而且過渡較為平緩，梁體時(shí)刻處于平衡狀態(tài)。

圖6 大、小里程側(cè)頂推力－位移曲線

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得到V型剛構(gòu)縱、橫橋向不平衡力矩、摩阻系數(shù)等特征參數(shù)。其中:摩阻力矩為28 650 kN·m，縱向不平衡力矩為4 850 kN·m(偏向小里程側(cè))，橫向不平衡力矩為2 150 kN·m(偏向北側(cè))，實(shí)測球鉸摩阻系數(shù)μ＝0.015 5。縱向?qū)崪y偏心距為0.023 m，采用配重塊配重的方式，于大里程側(cè)距橋墩中心35 m縱軸線處布置14 t配重塊；橫向?qū)崪y偏心距為0.011 m，不作配重。

5 轉(zhuǎn)體過程監(jiān)控

轉(zhuǎn)體過程監(jiān)測目的在于確定橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)位置是否處在合理范圍內(nèi)，以及與周圍環(huán)境是否存在接觸的可能，包括轉(zhuǎn)動(dòng)角度監(jiān)測和空間位置監(jiān)測。轉(zhuǎn)角量測多采用預(yù)設(shè)刻度光標(biāo)方式進(jìn)行初略監(jiān)測，臨近轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)束時(shí)通過預(yù)設(shè)限位裝置防止過轉(zhuǎn)。空間位置監(jiān)測側(cè)重于對轉(zhuǎn)體過程的實(shí)時(shí)評估，尤其針對跨越障礙物的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)體問題，是保障轉(zhuǎn)體順利實(shí)施及總體結(jié)構(gòu)安全的重要措施。

陽澄湖蘇州工業(yè)園區(qū)V型剛構(gòu)橋轉(zhuǎn)體過程中兩懸臂端均跨越邊墩，因此要求轉(zhuǎn)體全過程梁底標(biāo)高均高于墩頂標(biāo)高。在V型剛構(gòu)兩懸臂端設(shè)置高程監(jiān)測點(diǎn)P1～P4，每轉(zhuǎn)動(dòng)5°測試記錄4個(gè)高程監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)，由此計(jì)算各時(shí)刻梁底高程與對應(yīng)墩頂標(biāo)高的距離，如圖7所示。

圖7 測點(diǎn)布置及梁端－墩頂豎向凈空監(jiān)測

可以看出，轉(zhuǎn)體全過程兩懸臂端底部相對墩頂均存在足夠凈空，小里程側(cè)墩、梁凈空維持在45～58 cm之間，大里程側(cè)墩、梁凈空介于22～35 cm之間。轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，梁端高程雖有微小波動(dòng)，但整體呈現(xiàn)較好平穩(wěn)性，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)體。

6 橋體姿態(tài)調(diào)整

橋梁轉(zhuǎn)體牽引過程主要使結(jié)構(gòu)沿設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)軸(通常為豎軸)轉(zhuǎn)動(dòng)至目標(biāo)角度，但梁體轉(zhuǎn)動(dòng)過程中由于結(jié)構(gòu)的微小偏心或其他不確定因素影響，通常還會(huì)存在繞水平軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得梁體轉(zhuǎn)過設(shè)定角度后整體姿態(tài)與設(shè)計(jì)的預(yù)期姿態(tài)之間不可避免地存在偏移。因此，轉(zhuǎn)體后結(jié)構(gòu)的姿態(tài)調(diào)整是保證成橋線形及受力合理的必要環(huán)節(jié)。

橋梁轉(zhuǎn)體牽引完成后，實(shí)測橋梁結(jié)構(gòu)三個(gè)以上固定點(diǎn)的坐標(biāo)，作為姿態(tài)調(diào)整的參考控制點(diǎn)。例如選取懸臂端上邊界點(diǎn)作為姿態(tài)調(diào)整參考控制點(diǎn)，其坐標(biāo)記為Bi＝[xi，yi，zi]T，i＝1 ～3。 結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)和監(jiān)測資料確定上述參考點(diǎn)成橋后的目標(biāo)坐標(biāo)值，假定記為B′i＝ [x′i，y′i，z′i]T，i＝ 1 ～ 3。 姿態(tài)調(diào)整參考點(diǎn)的選取應(yīng)充分考慮實(shí)際坐標(biāo)測試和設(shè)計(jì)坐標(biāo)目標(biāo)值獲取的便捷性。考慮橋梁發(fā)生剛體運(yùn)動(dòng)，對點(diǎn)Bi到B′i的剛體變換可由變換矩陣H表示，該矩陣可描述橋上每個(gè)點(diǎn)位的坐標(biāo)變化。

變換矩陣H可記為:

式中:R為旋轉(zhuǎn)變換子塊；t為平移向量；v為透視變換向量；S為整體比例因子。

對于轉(zhuǎn)體橋梁牽引就位后的姿態(tài)調(diào)整問題，其變換矩陣H中平移向量t一般可忽略，主要考慮其旋轉(zhuǎn)變換子塊R。假定牽引結(jié)束后橋梁姿態(tài)調(diào)整順序?yàn)閆、X、Y，即依次繞三軸轉(zhuǎn)動(dòng)適當(dāng)角度αZ、αX、αY。 根據(jù)文獻(xiàn)[12]可計(jì)算αZ、αX、αY具體角度，轉(zhuǎn)體牽引到位后，調(diào)整角αZ一般較小而忽略不計(jì)，如需調(diào)整則以點(diǎn)動(dòng)式轉(zhuǎn)動(dòng)牽引作調(diào)整手段。角度αX、αY的調(diào)整則通過頂推上轉(zhuǎn)盤來實(shí)現(xiàn)，如圖8所示。

圖8 姿態(tài)調(diào)整頂推布置

頂推時(shí)位移監(jiān)測點(diǎn)仍如圖3所示，縱、橫橋姿態(tài)微調(diào)時(shí)使整體結(jié)構(gòu)依次繞X軸、Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度αX和αY。姿態(tài)調(diào)整千斤頂?shù)捻斖屏糠謩e為:

式中:rX、rY為頂推點(diǎn)到球鉸軸線距離。

直至各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位置變化達(dá)到預(yù)期值ΔhX和ΔhY，即完成對梁體姿態(tài)的調(diào)整。

7 結(jié)束語

本文工程背景轉(zhuǎn)體橋梁為國內(nèi)最大噸位V型轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)體時(shí)需同時(shí)跨越兩側(cè)既有邊墩，其施工難度大，具有重要研究意義。論文采用理論分析和現(xiàn)場測試結(jié)合的方式對轉(zhuǎn)體工程稱重試驗(yàn)、轉(zhuǎn)體過程監(jiān)測及姿態(tài)調(diào)整等關(guān)鍵問題開展研究。結(jié)果表明施工階段的準(zhǔn)確控制以及合理稱配重是結(jié)構(gòu)維持基本平衡、是保證橋梁精準(zhǔn)轉(zhuǎn)體關(guān)鍵因素。本文在指導(dǎo)本大型V型剛構(gòu)橋順利轉(zhuǎn)體實(shí)施的同時(shí)，還為今后轉(zhuǎn)體橋梁建設(shè)提供參考。