大跨度斜拉桥转体不平衡称重施工技术
1 工程概况
石家庄市和平路高架西延 (中华大街—西二环) 工程总长4.6km, 主线桥采用转体斜拉桥结构形式上跨石太上行线、石太四线、石太三线、石太下行线4条铁路线, 交通运输较为繁忙。主桥采用钢箱梁结构, 全长250m, 跨径为125m+125m, 桥宽28.5m。为减少施工对营运线路影响, 主线桥采用墩顶转体法施工, 与匝道同步进行转体施工, 转动角度为顺时针31°, 转体质量为5 475t。主桥桥型布置如图1所示。
图1 主桥桥型布置 (单位:m)
Fig.1 Bridge type arrangement of main bridge (unit:m)
大跨度斜拉桥转体施工采用上转体工艺进行, 转体结构由转体下盘、球铰支座、上转盘撑脚、转动牵引系统组成。转体下盘由2部分构成, 即门架墩及转体临时墩;转体球铰支座直径为3 100mm, 厚度为250mm, 分上、下2片;上转盘主要包括设置在钢箱梁底部的8个撑脚;转动牵引系统主要包括牵引动力系统、牵引索、牵引反力座等。具体布置如图2所示。
图2 转体系统布置
Fig.2 Arrangement of the swivel system
2 转体不平衡称重试验
2.1 试验目的
桥梁平转法是一种使用较多的转体方法, 对于大跨度斜拉桥来说, 转体的施工过程中并非在理论环境中进行, 存在的外界影响因素很多。例如, 转体的重心由于设计和施工误差因素不可能绝对处于其转动中心轴线上, 则易出现偏心影响牵引千斤顶的拉力;同时, 存在较多外界因素如施工误差、加工误差、环境因素等, 都会导致转体中心两侧等长部分的梁段质量分布不均匀, 产生不平衡力矩, 造成转体出现偏心现象。
所以在转体施工前, 需对转体过程中桥梁的不平衡力矩、偏心距、摩阻力矩及摩擦系数进行确定, 然后再对转体部分的配重及牵引力矩进行计算, 为转体施工的安全实施提供科学依据。
2.2 试验原理
当临时支架及砂箱施工完成后, 转体主桥可能存在以下平衡状态: (1) 球铰摩阻力矩 (MZ) >不平衡力矩 (MG) 转体主桥不发生绕球铰支座的刚体转动, 桥梁平衡由摩阻力矩、不平衡力矩的平衡控制; (2) 球铰摩阻力矩 (MZ) <不平衡力矩 (MG) 转体主桥发生绕支点的刚体转动, 直到撑脚与滑道接触, 桥梁在摩阻力矩、不平衡力矩、撑脚对球心的力矩三者共同作用下保持平衡。
对于状态 (1) 中的情况, 假设转体中心偏向小里程一侧, 分别在大里程和小里程2个方向分等级起顶, 同时观察到百分表位移值出现突然增大时, 即为千斤顶力矩、摩阻力矩、不平衡力矩三者平衡的临界状态。
对于形式 (2) 中的情况, 假设拆除砂箱后小里程一侧撑脚落地, 则转体中心偏向小里程一侧, 需在小里程方向分别进行起顶和落顶操作, 同时观察到起顶和落顶过程中百分表位移值出现突然增大时, 即为千斤顶力矩、摩阻力矩、不平衡力矩三者平衡的临界状态 (见图3) 。
图3 脱架后测试示意
Fig.3 Post-shelf test
2.3 试验步骤
1) 根据砂箱拆除后梁体的平衡表现形式判断所需进行的称重方式, 在主桥转盘处布置2台千斤顶、荷载计和4个位移传感器。
2) 千斤顶按要求逐级加力, 观察并记录每级压力对应的位移变化值, 直至观察到百分表位移变化值突然增大。
3) 对转体主桥纵向和横向分别进行顶升测试, 并绘制P-A曲线。
4) 确定转体主桥不平衡力矩、偏心距、球铰摩阻系数, 通过计算确定梁体的配重质量、位置。
3 称重试验结果
转体主桥临时支撑及砂箱拆除后, 根据设置于转盘下方的百分表读数分析, 主桥的纵向、横向偏心力矩大于摩阻力矩, 故采取上文状态 (2) 情况下的称重方式。
3.1 纵向称重
通过现场称重试验, 得到纵向称重P-A曲线, 如图4a所示。
图4 纵向与横向称重P-A曲线
Fig.4 P-A curves for vertical and horizontal weighing
由现场数据和P-A曲线图可知, 升顶过程中当P1=1 400kN时, 位移发生突然变化;在降顶过程中, 当P2=400kN时, 位移发生突然变化。L1=L2=9.664m, 球面半径R=6.36m, 转体质量G=5 475t。根据公式对不平衡力矩、摩阻力矩、偏心距、球铰摩阻系数进行计算。
不平衡力矩:
摩阻力矩:
摩阻系数:
偏心距:
3.2 横向称重
通过现场称重试验, 得到横向称重P-A曲线, 如图4b所示。
由现场数据和P-A曲线图可知, 升顶过程中当P1=2 520kN时, 位移发生突然变化;在降顶过程中, 当P2=240kN时, 位移发生突然变化。L1=L2=4.075m, 球面半径R=6.36m, 转体质量G=5 475t。根据公式对不平衡力矩、摩阻力矩、偏心距、球铰摩阻系数进行计算。
不平衡力矩:
摩阻力矩:
摩阻系数:
偏心距:
4 配重方案
根据纵向转体称重试验数据, 不平衡力矩MG偏向于大里程 (非跨铁路孔) 一侧, 故需在小里程 (跨铁路孔) 一侧配重;根据横向转体称重数据, 不平衡力矩MG偏向于南侧, 故需在北侧配重。
桥梁配重方案主要包括2种, 都是增加某侧质量使梁体相对平衡或梁体偏向倾斜。
梁体绝对平衡配重, 增加单侧质量使桥梁重心线与球铰支座纵向轴线基本重合, 避免转体运动中发生偏心现象。该方案转体主桥为球铰单点支承, 可能在竖平面内发生晃动。
梁体偏向倾斜配重方案, 通过增加单侧质量使转体桥的梁轴线发生可控范围内的偏心, 略呈倾斜态势, 非跨铁路侧撑脚落地。该方案使桥梁转体过程中存在2处支点, 有利于增强转体施工中桥梁悬臂的稳定性。
综合桥梁跨铁路转体的安全性和稳定性考虑, 采用第2种偏向倾斜配重方案对主桥的横向和纵向进行配重。在横向及纵向位置设置统一配重, 通过确定二者偏心距离确定配重位置进行转体施工。综合试验数据及计算分析, 大跨度斜拉桥综合配重方案为:配重质量为25t;配重位置为纵向向西距球铰中心25m, 横向向北距球铰中心10m。
5 结语
本文以和平路高架西延工程主桥施工为工程背景, 通过分析工程实际情况选定水平转体法作为主要施工方法, 选定偏向倾斜配重对主桥进行配重。大跨度斜拉桥转体经过周密部署、严格控制, 在铁路天窗时间内历时41min一次完成转体作业, 转体长度242.6m创造世界转体桥梁单球铰转体最大跨度纪录。施工过程中各项参数均在规范允许范围内, 转体成功的同时积累了宝贵经验, 可供同类型工程参考借鉴。
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