極不平衡轉(zhuǎn)體斜拉橋稱(chēng)配重技術(shù)

米 強(qiáng)

(中鐵二十二局集團(tuán)第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

1 工程概況

哈爾濱市哈西大街通工程跨線橋與鐵路相交里程為王孫下行線K4+425.76 m，交角為80.4°，共需跨越48條既有線。施工期間臨時(shí)遷移后鐵路線路與橋墩最小凈距6.99 m，鐵路站場(chǎng)恢復(fù)后正常使用期間鐵路線路與橋墩最小凈距9.54 m。施工期間對(duì)鐵路站場(chǎng)內(nèi)H-1線、H-2線臨時(shí)停用，I-25線進(jìn)行臨時(shí)遷移過(guò)渡，對(duì)V'-16線及輛-18線臨時(shí)停用。

跨鐵路主橋方案為雙塔雙索面斜拉橋，跨徑布置為(118+198+118)m，位于直線上，邊主跨比0.6∶ 1。由于場(chǎng)站鐵路線路布置的限制，邊跨較常規(guī)斜拉橋要大(一般為0.45～0.5∶ 1)。主橋采用半飄浮結(jié)構(gòu)支承體系，塔和過(guò)渡墩處均設(shè)置縱向活動(dòng)支座。

2 工程特點(diǎn)

受場(chǎng)地施工環(huán)境限制，主橋采用轉(zhuǎn)體施工，轉(zhuǎn)體最大重量約29 500 t。9#塔主梁轉(zhuǎn)體段長(zhǎng)度為(97+101)m，10#塔主梁轉(zhuǎn)體段長(zhǎng)度為(90+107)m，其中10#墩主梁中跨配重區(qū)域43 m，每延米31.4 t，理論不平衡重達(dá)1 350 t。且10#墩邊跨側(cè)，因其接觸網(wǎng)遷改等原因?qū)е略O(shè)計(jì)橋位下方接觸網(wǎng)橫聯(lián)與斜拉橋主梁底面距離過(guò)近，與設(shè)計(jì)位置梁底面距離約151 mm，若轉(zhuǎn)體過(guò)程中對(duì)橋梁姿態(tài)不能采取穩(wěn)定有效的控制措施極易發(fā)生干涉碰撞，影響線路運(yùn)營(yíng)。

轉(zhuǎn)體前解除臨時(shí)固結(jié)后，整個(gè)橋塔和主梁的重量全部由球鉸承擔(dān)，球鉸必須具備足夠的強(qiáng)度和剛度。同時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)體應(yīng)易于轉(zhuǎn)動(dòng)和控制，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，因此轉(zhuǎn)動(dòng)體自身應(yīng)處于平衡狀態(tài)，且重心位置不能偏差較大，以免導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸摩擦系數(shù)過(guò)大而增大牽引難度。

因此轉(zhuǎn)體前準(zhǔn)確稱(chēng)重，了解轉(zhuǎn)動(dòng)體平衡狀態(tài)，通過(guò)偏心距確定是否配重及配重方案，通過(guò)摩擦系數(shù)確定牽引力及牽引系統(tǒng)動(dòng)力安全系數(shù)，對(duì)能否順利轉(zhuǎn)體至關(guān)重要。

3 試驗(yàn)儀器選擇

本次試驗(yàn)儀器包括數(shù)據(jù)采集的位移傳感器，靜載控制系統(tǒng)，輔助測(cè)量工具鋼卷尺、皮尺以及數(shù)據(jù)分析的測(cè)試分析軟件。為了保證測(cè)試結(jié)果的精度，選擇位移傳感器量程為0～50 mm，分辨率0.01 mm/0.000 5″，誤差±0.03 mm；控載系統(tǒng)測(cè)量力0～70 MPa，誤差≤0.1 MPa進(jìn)行測(cè)試。

4 稱(chēng)重方法的確定

在轉(zhuǎn)動(dòng)體系所有約束解除后，測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)體系的位移變化情況并觀察撐腳是否落地，初步判斷摩阻力矩與不平衡力矩的關(guān)系，再?zèng)Q定頂升方法。頂推力對(duì)應(yīng)球鉸磨心力臂長(zhǎng)度L為8 m。

(1)摩阻力矩Mz>轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡力矩Mg時(shí)力矩

Mg=(P2L2-P1L1)/2

(1)

Mz=(P2L2+P1L1)/2

(2)

式中：P1、P2分別為沿縱軸線對(duì)稱(chēng)兩側(cè)頂推力大小，L1、L2為頂推力對(duì)應(yīng)球鉸磨心力臂長(zhǎng)度。

(2)摩阻力矩Mz<轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡力矩Mg時(shí)力矩

當(dāng)Mz

Mg=(P2L+PL)/2

(3)

Mz=(P2L-PL)/2

(4)

式中：P2為千斤頂頂推過(guò)程中使球鉸產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間的頂力，P為千斤頂回落過(guò)程中球鉸產(chǎn)生瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的頂力，L為頂推過(guò)程固定力臂長(zhǎng)度。

通過(guò)公式推導(dǎo)最終得到磨心鉸靜摩擦系數(shù)

μ=Mz/(R×G)

(5)

轉(zhuǎn)動(dòng)體偏心距：

e=Mg/G

(6)

式中：R為球鉸球面半徑，哈西大橋下球鉸球面半徑為9 m；G為轉(zhuǎn)體總重量，9#墩和10#墩均為280 000 kN。

5 稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)分析

5.1 9#墩稱(chēng)重結(jié)果分析

9#墩梁體采用絕對(duì)平衡配重方案，該配重方案中轉(zhuǎn)體橋的重心線通過(guò)球鉸豎軸線，無(wú)偏心，啟動(dòng)所需牽引力相對(duì)較小。但由于轉(zhuǎn)動(dòng)體為一點(diǎn)支承，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)體在豎平面內(nèi)的晃動(dòng)。因此應(yīng)盡量減小撐腳與滑道間的間隙，可在撐腳與滑道鋼板間填塞一定厚度的四氟滑板。

試驗(yàn)通過(guò)高精度控載系統(tǒng)逐級(jí)平穩(wěn)加載，測(cè)試分析軟件實(shí)時(shí)同步記錄轉(zhuǎn)動(dòng)體位移變化，9#墩中跨側(cè)頂升力-位移變化分析如圖1所示，邊跨側(cè)頂升力-位移變化分析如圖2所示。

圖1 頂升力-位移變化分析圖(中跨側(cè))

圖2 頂升力-位移變化分析圖(邊跨側(cè))

圖中豎向位移值正號(hào)為上升，負(fù)號(hào)為下降。由圖1及圖2可看出：9#墩中跨頂升過(guò)程中突變值P2值為4 200 kN，邊跨頂升過(guò)程中突變值P1值為1 700 kN。

根據(jù)稱(chēng)重結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，9#墩因其逆時(shí)針平轉(zhuǎn)區(qū)域無(wú)任何障礙物，采用平衡轉(zhuǎn)體的方式直接平轉(zhuǎn)合龍。采用梁體平衡配重方案，偏心距一般控制在0～5 cm。依據(jù)稱(chēng)重試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到不平衡力矩Mg為10 000 kN·m，摩阻力矩Mz為23 600 kN·m，摩擦系數(shù)u為0.94%，偏心距e約為0.036 m(偏向于中跨側(cè))，滿足規(guī)范要求，故不進(jìn)行配重。

5.2 10#墩稱(chēng)重結(jié)果分析

經(jīng)測(cè)量接觸網(wǎng)與設(shè)計(jì)位置梁底面最近處高差約151 mm，平面位置距塔中90.63 m。通過(guò)確認(rèn)，球鉸及附屬設(shè)施安裝時(shí)，撐腳下方與滑道板間預(yù)留了30 mm間隙?？赏ㄟ^(guò)稱(chēng)配重將橋梁重心偏向無(wú)橫聯(lián)影響側(cè)，使該側(cè)撐腳落于滑道上，與滑道間墊10 mm四氟板，這樣小里程側(cè)撐腳位置下降20 mm，初步估算有影響接觸網(wǎng)橫聯(lián)對(duì)應(yīng)梁長(zhǎng)90 m位置抬高約252 mm，梁底面距接觸網(wǎng)橫聯(lián)頂面距離403 mm。以上理論數(shù)據(jù)未計(jì)拆除上轉(zhuǎn)盤(pán)支架及砂箱后上轉(zhuǎn)盤(pán)下沉量。撐腳與滑道間隙、梁底與接觸網(wǎng)橫梁凈距應(yīng)以轉(zhuǎn)體前實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。上轉(zhuǎn)盤(pán)下沉量對(duì)球鉸豎向轉(zhuǎn)動(dòng)角度的影響可采取選用更薄規(guī)格的聚四氟乙烯墊板的方式消除。

針對(duì)10#墩邊跨主梁旋轉(zhuǎn)區(qū)域梁底距離接觸網(wǎng)過(guò)近情況，10#墩采用不平衡轉(zhuǎn)體方案，通過(guò)配重使10#墩小里程側(cè)撐腳著地，大里程側(cè)主梁翹起，以增大梁體底面與接觸網(wǎng)橫梁空間。球鉸與2組撐腳支撐形成穩(wěn)定的3點(diǎn)支撐，轉(zhuǎn)體過(guò)程中橋梁姿態(tài)除水平旋轉(zhuǎn)外始終保持穩(wěn)定狀態(tài)，平轉(zhuǎn)到位后合龍。

試驗(yàn)通過(guò)高精度控載系統(tǒng)逐級(jí)平穩(wěn)加載，測(cè)試分析軟件實(shí)時(shí)同步記錄轉(zhuǎn)動(dòng)體位移變化，10#墩中跨側(cè)(加載)頂升力-位移變化分析如圖3所示，中跨側(cè)(卸載)頂升力-位移變化分析如圖4所示。

圖3 頂升力-位移變化分析圖(中跨側(cè))

圖4 頂升力-位移變化分析圖(中跨側(cè))

由圖3和圖4可看出：頂升過(guò)程中跨側(cè)突變值P2值為3 400 kN，卸載過(guò)程中跨側(cè)突變值P值為150 kN。

根據(jù)以上稱(chēng)重結(jié)果結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，10#墩采用梁體縱向傾斜配重方案。偏心距一般控制在5～15 cm。根據(jù)以上稱(chēng)重結(jié)果計(jì)算出不平衡力矩Mg為14 200 kN·m，摩阻力矩Mz為13 00 0 kN·m，摩擦系數(shù)u為0.52%。本橋擬在中跨距離橋梁中心線80 m處配重20 t，配重后體系根據(jù)以下公式可計(jì)算得到新的偏心距約為0.108 m(偏向于中跨側(cè))。

(7)

式中：e′為配重后偏心距。

6 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)非對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)體斜拉橋稱(chēng)重技術(shù)進(jìn)行研究，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程正常，得到的頂升力-位移曲線特征突出，基本測(cè)試出轉(zhuǎn)體梁各項(xiàng)參數(shù)，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采集數(shù)據(jù)計(jì)算的球鉸摩擦系數(shù)較小，稱(chēng)重配重均滿足《橋梁水平轉(zhuǎn)體法施工技術(shù)規(guī)程》DG/TJ 08-2220—2016、《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTG/T 3650—2020的要求，試驗(yàn)為后續(xù)主梁順利轉(zhuǎn)體的實(shí)施提供了可靠的保證。