近年来, 桥梁转体施工得到广泛应用。转体施工过程以“转得动、转动稳、转动准”为总体目标, 理论上水平转体应该保证转体中心支点两端达到平衡状态。但是, 转体桥如果设计为异形变截面, 结构重心存在偏移过大, 这就需要在转体前进行不平衡配重, 将梁体重心调整至平衡状态。

本文结合工程实例, 根据偏心受力构件的应力分布规律, 结合称重试验实测数据, 对超宽变截面连续梁进行准确配重, 顺利实现转体, 为同类桥梁转体施工控制提供相关参考。

本工程为武汉鹦鹉洲长江大桥武昌岸接线梅家山立交上跨京广铁路主桥, 梁体采用 (50+85+50) m超宽变截面预应力混凝土连续梁, 梁型采用单箱四室斜腹板箱形截面, 中支点处梁高5.0m, 端部梁高2.5m, 梁底线形按圆曲线变化, 箱梁顶板宽沿东西方向由18~27m渐变, 底板宽由16.65~25.65m渐变, 两侧悬臂板宽各为4.0m。梁体先在铁路东、西两侧分别预制, 预制完成后进行平转, 单侧主梁转体长度均为81.5m, 转体角度70°, 大里程侧转体总质量约10 000t。

转体结构由下转盘、上转盘、转体牵引系统组成, 下转盘设有下球铰、环形滑道及牵引反力座等;上转盘设有上球铰、8个撑脚、牵引索锚具等, 直径为8.7m。上、下球铰球面半径为7m, 平面投影直径为3.5m, 牵引系统由牵引动力系统、牵引索、牵引反力座等组成, 每座转体的牵引动力系统为2台QDCLT2000-300型自动连续牵引千斤顶, 牵引索为强度1 860MPa的12φ^s15.2钢绞线 (见图1) 。

根据CJJ2—2008《城市桥梁工程施工与质量验收规范》, 计算如下:

式中:T为转体索引力;R为球铰平面半径, 取1.75m;D为上转盘直径, 取8.7m;μ为球铰摩擦系数 (一般μ_静取0.1~0.12, μ_动取0.06~0.09) ;G为转体总质量, 取10 000t。

计算结果:

1) 启动时需最大索引力T_静=1 302.7k N。

2) 转动过程中所需索引力T_动=781.6k N。

3) 动力储备系数K₁=n₁·N₁/T_静=3, K₁>[K], 其中n₁为牵引动力系统千斤顶台数 (2台) , N₁为牵引动力系统千斤顶索引力, [K]规范规定最小值取2。

4) 钢绞线的安全系数K₂=n₁·n₂·N₂/T_静=3.68>[K], 其中n₂为牵引索中钢绞线根数 (取12根) , N₂为单根钢绞线最大拉力 (取200k N) 。

结果表明, 千斤顶动力储备和钢绞线的安全系数均达到本类型工程施工的要求。

通过计算确定跨营业线施工要点时间, 并把转体速度控制在规范允许范围内。

1) 钢绞线牵引长度L₁=θ/360°×πD=5.3m, 其中θ为转体角度 (取70°) , D为上转盘直径 (取8.7m) 。

2) 千斤顶索引速度V₁=Q/n₁·A=0.08m/min (同牵引钢绞线的速度) , 其中Q为泵头流量, 可以从0~36L/min进行选择, 本工程选择13L/min, A为千斤顶伸缸面积 (QDCLT2000-300) , 型面积为0.081 996m²。

3) 转体时间t=L₁/V₁=62min。

4) 转体角速度ω=V₁/ (D/2) =0.018rad/min。

5) 转体悬臂端线速度V₂=ω·r=0.73m/min, 其中r为梁转体悬臂端转动半径, 取81.5/2m。

结果显示, 营业线施工要点时间或“天窗”时间以90min左右为宜。根据《城市桥梁工程施工与质量验收规范》的规定, 转体角速度≤0.01~0.02rad/min, 转体悬臂端线速度≤1.5~2.0m/min, 上述计算数据均满足规范要求。

转动体到达设计位置之前, 虽然千斤顶停止牵引, 转动体在惯性作用下会继续转动, 此时球铰摩阻力会阻止转动体停下来, 因此, 要计算惯性制动距离, 以便掌握千斤顶停止牵引时间, 防止转体“过头”。

梁端以V₂的速度转动时, 其动能为:

式中:Δα为惯性制动所需要的转角位移;Δδ为梁端中心线与梁体就位中心线距离。

结果表明, 在制动阶段, 当梁端顶部的结构横断面中心线与设计桥位纵断面轴线相差0.39m时应停止牵引, 利用惯性逐步就位。

由于梁体结构为变截面箱梁, 存在纵横向倾覆力矩, 在正式转体前需进行理论配重, 以平衡此倾覆力矩。按照梁体结构几何尺寸计算, 铁路东侧梁需在支点纵向中心线小里程侧20m处配置1个长6.6m、宽6.6m、高2m的165t钢制砂箱, 支点横向中心线左侧8m处配置1个长4.4m、宽4m、高2m的67t钢制砂箱;铁路西侧梁需在支点纵向中心线小里程侧20m处配置1个长6.6m、宽6.6m、高2m的165t钢制砂箱, 支点横向中心线左侧8m处配置1个长5.5m、宽4.2m、高2m的88t钢制砂箱。

设计要求, 在试转前要进行不平衡称重试验, 以测试转体结构的不平衡力矩、偏心距、摩阻力矩及摩阻系数等参数, 对理论配重做进一步修正, 达到安全、平衡转体的目的。下面以铁路西侧梁体为例进行称重试验 (见图2) 。

1) 在小里程侧2台千斤顶逐步施加荷载, 荷载单位为k N, 位移计读数单位为mm (见表1) 。

根据图3所示荷载-位移变化关系曲线, F₁= (289.3+362.4) /2=325.9k N, 其中F₁为转体结构失衡时小里程侧千斤顶所加荷载。

2) 在大里程侧2台千斤顶逐步施加荷载, 荷载单位为k N, 位移计读数单位为mm (见表2) 。

根据图4所示荷载-位移变化关系曲线, F₂= (299.0+372.1) /2=335.6k N, 其中F₂为转体结构失衡时大里程侧千斤顶所加荷载。

精准配重计算结果:

式中:M_z为球铰摩阻力矩;M_g为转体结构不平衡力矩;e为理论配重后转体结构偏心距。

根据《城市桥梁工程施工与质量验收规范》, e_min=5cm。

μ_实=M_z/0.985/W/R₁=0.019<[μ], 其中μ_实为球铰实际静摩阻系数, R₁为上下球铰球面半径 (取7m) , [μ]为球铰静摩阻系数经验值 (取0.1~0.12) 。

当e_min取5cm时, 不平衡力矩为M'_g:

式中:ΔG为根据称重试验再次精准配重量;Δr为精确配重位置距转动支点的纵向距离。

结果表明, 转体前, 需要在纵轴方向小里程侧 (东侧) 距转动支点20m处, 再次配重250.76k N, 转体结构纵向才真正趋于平衡。同理, 做试验并计算, 转体前, 需要在横轴方向左侧距转动支点8m处, 再次配重235k N。对理论配重按此结果修正后, 转动施工才会安全平稳。

施工准备→理论配重→梁端加载顶升→采集位移计数据、分析计算→精调配重→梁体平衡→试转→正式转体→转盘固结。

试转体的目的: (1) 检验转体方案的实用性、可靠性; (2) 检验整个指挥系统的协调性; (3) 通过试转检查关键受力部位是否发生变形开裂等异常情况, 以便进一步改进预定的转体方案。试转体时, 记录试转时间、速度和停止转动后的余转值, 根据实测结果与计算结果比对进行转速调整。

根据试转体的成果指导转体, 转到预定位置停止牵引。转体过程中, 测量组跟测箱梁的位移情况、转体速度、悬臂前端的下挠变化及钢绞线状态。梁体快转到设计位置之前, 千斤顶停止牵引, 利用惯性逐步就位。

转体结构精确就位后, 立即进行封盘混凝土浇筑施工, 以最短的时间固结转盘。

1) 在上转盘下设置8组保险撑脚。

2) 为防止转动单元失衡, 在滑道外侧、梁体纵横轴线方向设置4台4 000k N备用千斤顶, 以便及时调整转体的运行状态。

就位后, 防止再度转动的措施主要有: (1) 用钢楔将撑脚与滑道的孔隙楔紧; (2) 焊接上、下转盘之间的连接预埋件; (3) 利用千斤顶反力座设限位挡块。

1) 在转盘与承台间, 利用4台防倾保险的千斤顶对梁体纵横向高程进行微调。

2) 利用边墩顶设置的2台大吨位千斤顶对梁体实施竖向微调。

经实际施工证明, 该转体桥模拟计算的相关参数符合实际工况, 转体称重试验对转体平稳性提供的数据具有较高的准确度和可靠性, 保证了转体的顺利进行, 转体时营业线施工要点时间为80min, 实际完成转体所用时间为65min, 整个转体过程平稳可控, 实现了“转得动、转动稳、转动准”的既定目标。