極不平衡橋梁轉(zhuǎn)體球鉸設(shè)計方法

肖宇松，陳銀偉

（中鐵武漢勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北武漢 430074）

常規(guī)轉(zhuǎn)體中球鉸受力大致平衡，處于較均勻受壓狀態(tài)［1-2］，而極不平衡轉(zhuǎn)體球鉸頂部梁體存在轉(zhuǎn)角，球鉸處于偏壓狀態(tài)且有一定偏移，若球鉸間隙設(shè)置不當(dāng)，可能會造成擠壓，使得施工中無法轉(zhuǎn)動球鉸，因而極不平衡轉(zhuǎn)體球鉸的設(shè)計尤為關(guān)鍵［3-5］。

武漢市常青路主線高架橋工程為城市快速路，需跨越京廣鐵路漢口聯(lián)絡(luò)線、滬蓉線、漢丹鐵路。由于鐵路的紅線控制范圍在70 m 左右，中間9 股道鐵路線間距為5 m 左右，股道中間不滿足設(shè)立橋梁的條件。因此為保證施工期內(nèi)鐵路的運營安全，盡量減少橋梁維修對鐵路的運輸干擾，主橋采用（95+105）m 連續(xù)鋼箱梁方案，橋面總寬51 m，使用轉(zhuǎn)體施工方法跨越鐵路。該橋位于市中心，若采用常規(guī)的對稱轉(zhuǎn)體施工方法，在轉(zhuǎn)體過程中會造成巨大的拆遷成本。綜合考慮場地控制因素，采用極不平衡轉(zhuǎn)體施工方案，其中短側(cè)梁體的轉(zhuǎn)體長度為43.8 m，長側(cè)梁體的轉(zhuǎn)體長度為91.4 m。

由于轉(zhuǎn)體兩側(cè)梁體長度相差過大，采用短臂側(cè)配重方法難以解決轉(zhuǎn)體平衡問題。因此，中鐵武漢勘察設(shè)計研究院提出了一種極不平衡自控轉(zhuǎn)體技術(shù)。根據(jù)現(xiàn)場條件，在轉(zhuǎn)體的長臂側(cè)設(shè)置臨時支撐系統(tǒng)并配合短臂側(cè)配重來共同實現(xiàn)平衡轉(zhuǎn)體的目的。該項新技術(shù)開拓了橋梁轉(zhuǎn)體設(shè)計、施工的新思路，能極大地突破狹窄場地條件對轉(zhuǎn)體施工的制約，具有很高的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 極不平衡橋梁轉(zhuǎn)體施工方法

極不平衡橋梁轉(zhuǎn)體施工如圖1所示。在長臂側(cè)設(shè)置圓形的軌道梁，在梁體與軌道梁間增加可以沿軌道梁行走的小車，為梁體提供可移動的豎向支撐。同時在短臂側(cè)根據(jù)場地、軌道梁基礎(chǔ)的承載力合理施加配重，然后進行轉(zhuǎn)體作業(yè)，見圖2。

圖1 極不平衡轉(zhuǎn)體施工示意

圖2 轉(zhuǎn)體完成時橋梁立面

極不平衡橋梁轉(zhuǎn)體施工方法計算簡圖見圖3。其中：L1和L2分別為轉(zhuǎn)盤兩側(cè)長臂、短臂的長度；L3為軌道梁與轉(zhuǎn)盤球鉸中心間的距離；G為短臂側(cè)的壓重。L3值的大小取決于場地條件。轉(zhuǎn)體過程中，C點的豎向位移過大會影響橋下列車的正常運行。壓重G直接影響球鉸處梁底的轉(zhuǎn)角和B點梁體作用于軌道梁的豎向荷載。

圖3 極不平衡橋梁轉(zhuǎn)體施工方法計算簡圖

2 球鉸處梁體轉(zhuǎn)角的計算

采用MIDAS/Civil 2013 建立常青路主線高架橋轉(zhuǎn)體施工模型，見圖4。全橋共119 個單元，116 個節(jié)點，L1=91.4 m，L2=43.8 m，L3=23.6 m。球鉸處的橋塔和拉索為防止橫向應(yīng)力過大設(shè)置了臨時結(jié)構(gòu)。

圖4 常青路主線高架橋轉(zhuǎn)體施工模型

主要控制參數(shù)與配重的關(guān)系見表1。可知，隨著壓重的增加，軌道梁處的反力急劇減小，球鉸處的支座反力急劇增大，球鉸頂部梁體的轉(zhuǎn)角線性增大。壓重對C點豎向位移影響不大。當(dāng)壓重為3 186 t 時，臨時支撐B點反力為0。綜合考慮臨時支撐系統(tǒng)的承載能力，短臂側(cè)的壓重采用2 268 t。

表1 主要控制參數(shù)與配重的關(guān)系

3 球鉸的設(shè)計

3.1 球鉸設(shè)計轉(zhuǎn)角的確定

對平衡轉(zhuǎn)體施工球鉸設(shè)計的相關(guān)研究較多［6-10］，本文重點研究平衡轉(zhuǎn)體施工中球鉸的設(shè)計轉(zhuǎn)角。常青路主線高架橋工程轉(zhuǎn)體施工中所采用球鉸結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 球鉸結(jié)構(gòu)（中心線左右為不同剖面處的結(jié)構(gòu)）

對于對稱橋梁轉(zhuǎn)體施工來說，由于球鉸頂梁底的轉(zhuǎn)角為0，因此，上鋼鉸在轉(zhuǎn)體過程中僅發(fā)生繞銷軸的轉(zhuǎn)動，在其他方向不會發(fā)生位移。然而，對于非對稱橋梁轉(zhuǎn)體施工來說，由于球鉸上方梁底轉(zhuǎn)角的存在，上鋼鉸轉(zhuǎn)體時除繞銷軸的旋轉(zhuǎn)外，還會發(fā)生繞下鋼鉸的面內(nèi)轉(zhuǎn)動。因此銷軸與上鋼鉸間應(yīng)預(yù)留足夠的間距，防止因上鋼鉸的面內(nèi)轉(zhuǎn)動而使銷軸與上鋼鉸孔的內(nèi)壁接觸卡住球鉸，或?qū)е落N軸剪斷。球鉸頂部梁底的轉(zhuǎn)角越大，銷軸與上鋼鉸間預(yù)留的間距就越大。

不平衡橋梁轉(zhuǎn)體施工中球鉸的受力簡圖如圖6所示。

圖6 球鉸受力簡圖

其平衡方程為

式中：Ml，F(xiàn)l分別為長臂側(cè)的彎矩、剪力；Ms，F(xiàn)s分別為短臂側(cè)的彎矩、剪力；Mn，N分別為球鉸對梁體的摩擦矩和豎向反力；θ為球鉸頂梁體的轉(zhuǎn)角。

球鉸對梁體的摩擦矩Mn與梁體發(fā)生轉(zhuǎn)角的方向相反。Mn越大θ就越小。計算球鉸處梁體轉(zhuǎn)角時，模型中未約束球鉸頂部梁底的面內(nèi)轉(zhuǎn)動位移（Ry），即認為Mn=0，因此計算得到球鉸頂部梁體的轉(zhuǎn)角會大于實際值。由于球鉸的受力較為復(fù)雜，很難精確計算摩擦矩Mn，而上下鋼球鉸之間的摩擦板的摩擦因數(shù)很?。ㄍㄟ^試驗測試可知，應(yīng)用于常青路主線高架橋轉(zhuǎn)體施工的球鉸摩擦板摩擦因數(shù)為0.016），可以忽略Mn的作用。因此，將模型計算的球鉸頂部梁體轉(zhuǎn)角作為球鉸轉(zhuǎn)角的設(shè)計值是合理的，且偏于安全。

3.2 非平衡轉(zhuǎn)體中球鉸參數(shù)確定

由于球鉸上鋼鉸與梁體直接相連，當(dāng)球鉸頂梁體的轉(zhuǎn)角為θ時，球鉸的變形如圖7所示。上鋼鉸以O(shè)為圓點旋轉(zhuǎn)，梁體轉(zhuǎn)動時球鉸有A和B2個危險點。

圖7 球鉸轉(zhuǎn)動變形示意

梁體轉(zhuǎn)動時帶動球鉸的A點轉(zhuǎn)動到A'，B點轉(zhuǎn)動到B'。A點到A'點需要消除上鋼鉸與銷軸間的間距，B點到B'點則需要上下鋼鉸的摩擦板具有足夠的彈性變形能力。因此，除常規(guī)的球鉸設(shè)計參數(shù)外，不平衡橋梁轉(zhuǎn)體施工中球鉸還需增加2 個參數(shù)：上鋼鉸中心孔壁與銷軸的間距D和摩擦板的最小彈性壓縮量δ。由圖7可知參數(shù)的簡化表達式分別為

式中：γ為安全系數(shù)；r和d分別為上鋼鉸中心孔的半徑和高度；R為上鋼鉸頂面的半徑。

由于球鉸頂部梁底的轉(zhuǎn)角θ很小，在式（3）和式（4）的推導(dǎo)中認為弦長與弧長相等，BB'始終與OB垂直。

根據(jù)有限元分析可以發(fā)現(xiàn)短臂側(cè)的壓重直接影響軌道臨時支撐和球鉸處的支座反力，壓重越大，軌道梁處的反力越小，球鉸處的支座反力越大。此外，球鉸頂梁底的轉(zhuǎn)角也隨壓重的增加而增大。本文將簡支模型計算的球鉸頂部梁體轉(zhuǎn)角作為球鉸轉(zhuǎn)角的設(shè)計值忽略了球鉸作用于梁體的摩擦矩，是偏于安全的。

4 結(jié)論

本文以武漢市常青路主線高架橋工程極不平衡轉(zhuǎn)體施工為例，介紹了通過在長臂側(cè)增加臨時支撐并結(jié)合短臂側(cè)的壓重來實現(xiàn)極不平衡橋梁轉(zhuǎn)體的施工方法，并根據(jù)結(jié)構(gòu)幾何關(guān)系偏安全地推導(dǎo)了上球鉸中心孔壁與銷軸的間距和上下球鉸間摩擦板的最小彈性壓縮量的直接計算公式，可為類似工程設(shè)計提供參考。