跨越超近障礙物極不平衡斜拉橋轉體監測分析

王百春

（中鐵二十二局集團第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 前言

橋梁轉體法施工相較支架法、懸臂法、拼裝法、頂推法等，具有不可比擬的優勢，在跨越既有線時，能夠將對既有線運營的影響降到最低，只需轉體時要點即可，有利于保證工期，確保運營線路安全。同時，斜拉橋跨越能力強、造型美觀，對城市景觀提升起重要作用。轉體斜拉橋成為城市跨線橋結構形式的不二選擇。

國外在轉體施工研究方面起步較早，21世紀以來國內橋梁建設正處于創新和超越發展階段。唐山二環路上跨津山鐵路屬繁忙干線，縱斷面條件苛刻，采用轉體斜拉橋較好的適應施工條件。保定樂凱大街南延工程跨京廣鐵路動脈21條鐵路，每天160多趟高鐵、貨運列車，采用轉體斜拉橋很好地解決了環境制約。武漢楊泗港快速通道青菱段跨鐵路工程施工場地緊鄰鐵路、學校、民居，三面受限，施工空間小，采用轉體斜拉橋克服場地限制，保證工期。武漢常青路高架橋由于場地限制，轉體段為43.8m+91.4m，不平衡重達3630t，采用短臂端配重、長臂端設置輔助前支撐弧形軌道進行轉體施工。

然而，轉體斜拉橋在極不平衡情況下跨越超近障礙物的相關研究尚不成熟。本文將結合哈西大橋進行跨越超近障礙物極不平衡斜拉橋轉體施工控制研究。

2 工程概況及特點

哈西大橋跨鐵路主橋方案為雙塔雙索面斜拉橋，跨徑布置為118m+198m+118m，邊主跨比0.6:1，共需跨越48條既有線。由于場站鐵路線路布置的限制，邊跨較常規斜拉橋要大（一般為0.45～0.5:1）。主橋采用半飄浮結構支承體系，塔和過渡墩處均設置縱向活動支座。

受場地施工環境限制，施工期間臨時遷移后鐵路線路與橋墩最小凈距6.99m，主橋采用轉體施工，轉體最大重量約29500t。9#塔主梁轉體段長度為97m+101m，10#塔主梁轉體段長度為90m+107m，其中10#墩主梁中跨配重區域長43m，每延米31.4t，理論不平衡重達1350t。另一方面，10#墩邊跨側，因其接觸網遷改等原因，導致設計橋位轉體范圍內下方接觸網門架橫聯與斜拉橋主梁底面距離過近，與設計位置梁底面距離約151mm，若轉體過程中對橋梁姿態不能采取穩定有效的控制措施，極易發生干涉碰撞，影響線路運營。

針對10#墩邊跨主梁旋轉區域梁底距離接觸網過近情況，10#墩采用不平衡轉體方案，通過配重使10#墩中跨側2個撐腳主動著地，邊跨側主梁翹起，以增大梁體底面與接觸網橫梁空間。同時，球鉸與兩著地撐腳形成穩定的3點支撐，轉體過程中橋梁姿態除水平旋轉外始終保持穩定狀態，平轉到位后合攏。

3 轉體監測情況分析

監控誤差分析、參數識別與調整主要是對施工狀態與設計狀態的偏差分析、轉體過程中各階段橋梁狀態的把握和模型計算中的假定符合程度的評價，參數變化的敏感性分析等。

橋梁轉體施工過程影響參數復雜，橋梁各參數變量對重心影響的敏感性較強。在施工控制初期進行理論計算時，都取這些參數值為理想設計值。為了消除因設計參數取值的不定性引起的轉體過程中設計與實際的偏差，我們在轉體過程中通過監測這些參數實際值，并與計算值比較，對參數進行識別和正確估計。對重要的設計參數有較大的偏差時，提請設計方進行理論設計值的修改，對于常規的參數誤差，通過優化進行調整。本項目采用現代控制理論中的自適應控制方法進行監控。

經測量接觸網與設計位置梁底面最近處高差約151mm，平面位置距塔中90.63m。通過確認，球鉸及附屬設施安裝時，撐腳下方與滑道板間預留了30mm間隙。可通過稱配重將橋梁重心偏向無橫聯影響側，使該側撐腳落于滑道上，與滑道間墊10mm四氟板，這樣小里程側撐腳位置下降20mm，初步估算有影響接觸網橫聯對應梁長90m位置抬高約252mm，梁底面距接觸網橫聯頂面距離403mm。以上理論數據未計拆除上轉盤支架及砂箱后上轉盤下沉量。撐腳與滑道間隙及梁底與接觸網橫梁凈距應以轉體前實際測量數據為準。上轉盤下沉量對球鉸豎向轉動角度的影響可采取選用更薄規格的聚四氟乙烯墊板的方式消除。

4 轉體前靜置監測

轉體前需要對轉動體進行靜置監測，統計溫度及日照變化對結構的影響。轉體日期近5天溫度及日照情況如表1所示，梁底面距接觸網橫聯頂距離如表2所示。試轉體時間為11月11日，12日正式轉體，記錄分析轉體日期近5天的氣溫和日照發現：轉體日期氣溫升高，晝夜溫差變化較大；多云轉陰，日照影響減小。

表1 轉體日期近五天溫度日照情況

表2 梁底面距接觸網橫聯頂距離（mm）

由于去除砂箱及轉盤支架等，梁底面距接觸網橫聯頂面距離較解除臨時固結前403mm減小約120mm。轉動體距離障礙物的絕對安全距離為200mm，監測特殊時段梁底面距接觸網橫聯頂面距離，綜合考慮轉體時刻對超近障礙物轉體至關重要。

監測結果顯示：15時溫度最高，梁底面距接觸網橫聯頂面距離達到最小值，接近220mm；早晨6時左右溫度最低且穩定，梁底面距接觸網橫聯頂面距離最大，超過280mm。13#拉索索長約106m，最大溫差取15℃，則13#拉索的熱伸長約20mm，因熱伸長導致的拉索預應力損失約300kN，再加上混凝土主梁受溫度影響，梁底面距接觸網橫聯頂距離變化最大近60mm。綜合考慮溫度影響及哈南編組站運營影響，試轉體及轉體時間定在上午完成。

5 試轉體監測

試轉體監測，檢查轉動體轉動狀況、牽引設備運行情況，同時記錄點動1″、2″、5″、10″、20″轉動角度及梁端測點轉動距離，為最終轉體段精確對中調平就位，防止超轉提供數據支撐。試轉體點動姿態監測數據，如表3所示。

表3 試轉體點動姿態監測表

6 正式轉體監測

轉體監測采用自動化監測輔助人工監測同時進行。在主梁兩端懸臂分別放置4個徠卡360°大棱鏡，使用2臺全站儀成90°不同方位觀測梁端高程變化及轉動角度，相互輔助校核。

在轉盤上預先做好刻度盤，專人監測轉動角度、轉動距離，控制轉動速度。轉體過程中，對塔、梁、球鉸等關鍵部位及關鍵截面進行應力監測。

自動化監測采用現場總線、無線傳輸系統，通過監測云平臺實現遠程實時數據傳輸，電腦端及APP客戶端實時查看。包括表面測斜探頭自動化監測主塔偏位；壓電加速度計自動化監測梁端振動；風速風向儀自動化監測環境風力；塔梁關鍵位置及球鉸處應力計、錨索計自動化監測塔梁及球鉸內力狀態和拉索索力。

（1）主塔垂直度監測。在各主塔塔肢內安裝表面測斜探頭，采用雙軸傾角傳感器作為敏感元件，靈敏度達到0.001°。當橋梁發生變形時，測斜儀可以測量出塔的兩個相互垂直方向相對于重力軸線的傾角，使用安裝位置的幾何尺寸，就可以計算出塔X、Y方向的變形，從而達到監測橋塔的目的。其中X軸為縱橋向，Y軸為橫橋向，轉體過程中實時監測主塔傾斜變化，監測結果如圖1所示。

由圖1可知，由于球鉸摩擦系數很小，在啟動及轉體過程中，主塔傾斜變化很小，轉動體基本處于穩定轉動狀態。在主梁接近超近障礙物區域，人為控制轉速減慢時，轉動體由于慣性導致兩塔肢出現方向相反的傾斜，有離心運動趨勢，最大角度變化值為0.065°。測斜探頭安裝位置距離塔頂50m，則塔頂最大位移變化為0.057m?？缭秸系K物后轉速恒定，主塔傾角恢復。

（2）主梁梁端振動監測。分別在邊中跨梁端安裝壓電加速度傳感器，轉體過程中，實時監測主梁梁端振動幅度，監測結果如圖2所示。

由圖2可知，在轉體過程中，主梁梁端會由于風力變化、轉動體速度變化、轉體結構不均勻摩擦力等出現振動，邊跨和中跨振動變化情況一致。在連續千斤頂定速工作狀態下，振動頻率基本在0.05Hz上下0.025Hz范圍內變化。

當主梁接近超近障礙物，千斤頂轉為人工干預狀態前后，轉速出現變化時，梁端振動頻率出現較大變化，頻率變化范圍達到0.08Hz左右?？缭秸系K物后，轉體速度穩定，梁端振動頻率基本穩定在0.05Hz。

（3）著地撐腳應力監測。兩著地撐腳為3#和4#撐腳，分別安裝表貼式智能弦式應變計，與綜合讀數儀直連，實時監測兩著地撐腳應力狀態，其應力變化隨轉體角度變化情況如圖3所示。

由圖3可知，兩著地撐腳應力變化情況一致，說明兩撐腳能夠與球鉸形成穩定的三點支撐，受力均衡。轉體過程中，撐腳始終處于受壓狀態，應力小范圍波動，變化幅度在2.5MPa左右，可能與滑道不絕對水平，轉體過程中人為涂抹黃油、加墊四氟乙烯板有關。撐腳為鋼管混凝土結構，受應力變化影響很小。

在試轉體和轉體過程中，試轉體點動數據良好支撐轉體施工，正式轉體梁端旋轉最大角速度為0.018rad/min，最大線速度為1.93m/min，符合設計及相關規范要求。

7 結語

通過對超近障礙物極不平衡斜拉橋轉體過程進行分析及監測，得到如下結論。

（1）晝夜溫差大，溫度影響顯著。最長拉索索長約106m，熱伸長約20mm，熱伸長導致的拉索預應力損失約300kN；混凝土主梁受溫度影響，梁底面距接觸網橫聯頂距離變化最大近60mm。

（2）哈西大橋轉體過程中，塔頂最大位移為0.057m；梁端振動頻率基本在0.05Hz；兩支撐撐腳應力變化幅度為2.5MPa左右。

（3）轉體過程自動化監測，能夠對理論參數進行識別和優化，實現施工智能化和信息化。