西溪河大橋非平衡轉(zhuǎn)體控制技術(shù)研究

敬洪武

（成貴鐵路有限責(zé)任公司，四川成都610031）

西溪河大橋非平衡轉(zhuǎn)體控制技術(shù)研究

敬洪武

（成貴鐵路有限責(zé)任公司，四川成都610031）

西溪河大橋作為成（都）貴（陽(yáng)）客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的重點(diǎn)控制性工程，是國(guó)內(nèi)最大跨度的雙線(xiàn)鐵路上承式鋼管混凝土轉(zhuǎn)體拱橋。大橋采用非平衡轉(zhuǎn)體工藝實(shí)施轉(zhuǎn)體，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性控制是轉(zhuǎn)體施工的關(guān)鍵技術(shù)。本文以西溪河大橋?yàn)楸尘埃榻B了橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)體系主要結(jié)構(gòu)組成，對(duì)如何測(cè)試轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)非平衡狀態(tài)并進(jìn)行配重調(diào)節(jié)做了技術(shù)總結(jié)，可為同類(lèi)工程的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)控提供參考。

客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)；鋼管混凝土拱橋；轉(zhuǎn)體施工；非平衡控制

1　工程概況

橋梁轉(zhuǎn)體施工是指將橋梁結(jié)構(gòu)在非設(shè)計(jì)軸線(xiàn)位置制作（澆筑或拼接）成型后，通過(guò)轉(zhuǎn)體就位的一種施工方法［1］。包括豎轉(zhuǎn)法、平轉(zhuǎn)法、平轉(zhuǎn)與豎轉(zhuǎn)相結(jié)合法，其中以平轉(zhuǎn)法應(yīng)用最多［2］。成貴鐵路西溪河大橋跨越深切河谷西溪河，橋梁全長(zhǎng)為493.6 m。軌面至河面高差255.7 m，主跨240 m，跨孔樣式為3×32.7 m簡(jiǎn)支梁+240 m上承式鋼管混凝土拱橋+4×32.7 m簡(jiǎn)支梁。橋墩采用矩形空心墩，最大墩高為59.95 m。其主橋總體半立面布置如圖1所示。

圖1　主橋總體半立面布置（單位：cm）

主拱采用非平衡平轉(zhuǎn)法施工，先在兩側(cè)山體上搭設(shè)支架拼裝半個(gè)鋼管拱，整個(gè)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)由交界墩、轉(zhuǎn)動(dòng)體系、扣索和背索牽引系統(tǒng)、豎向臨時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、半跨主拱圈等部分組成。轉(zhuǎn)動(dòng)體系由下盤(pán)、轉(zhuǎn)鉸、上盤(pán)、中心定位軸、滑道、撐腳和轉(zhuǎn)動(dòng)牽引系統(tǒng)組成，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)（半拱）立面如圖2所示。上盤(pán)預(yù)應(yīng)力鋼束背索、扣索均采用1 860 MPa級(jí)φ15.24鋼絞線(xiàn)，脫架后2個(gè)半拱同時(shí)轉(zhuǎn)體就位，最后施工合龍段，半拱鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體質(zhì)量約為14 000 t。

圖2　轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)（半拱）立面

2　非平衡配重設(shè)計(jì)

交界墩作為扣索塔架通過(guò)扣索支承拱圈，同時(shí)也起平衡壓重的作用，設(shè)計(jì)采用矩形空心墩并設(shè)置于上盤(pán)頂面，轉(zhuǎn)體扣索、背索均錨固于其頂帽上。轉(zhuǎn)體系統(tǒng)理論上在不配重情況下可單鉸自行平衡，但考慮到計(jì)算誤差、施工誤差等不確定因素，設(shè)計(jì)采用在轉(zhuǎn)體系統(tǒng)后方配置壓重后使轉(zhuǎn)體系統(tǒng)有后傾力矩，以增大抗向前傾覆的穩(wěn)定性。為了保證轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)使轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重心向交界墩后傾斜，轉(zhuǎn)動(dòng)前用千斤頂測(cè)定后支腿反力，其2個(gè)后保險(xiǎn)腿反力之和不宜＜8000kN，否則應(yīng)施加配重調(diào)節(jié)。

關(guān)于轉(zhuǎn)體配重，原設(shè)計(jì)采用在交界墩內(nèi)部澆筑475 m3素混凝土作為本橋轉(zhuǎn)體配重。施工中經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)算，考慮結(jié)構(gòu)自重、拱上扣點(diǎn)及上中兩層爬梯重量的情況下，僅采用在交界墩填充素混凝土的方式配重，需約600m3。由于施工過(guò)程中尚不確定爬梯在轉(zhuǎn)體前能否全部安裝及計(jì)算過(guò)程中不可避免的誤差，最終采用在交界墩內(nèi)澆筑400m3混凝土，再預(yù)制100m3混凝土塊預(yù)備擺放于上盤(pán)尾部的配重方案，如圖3所示。在扣背索張拉過(guò)程中，拱肋位于支架上，不存在安全風(fēng)險(xiǎn)，砂箱全部卸載后通過(guò)監(jiān)測(cè)撐腳與滑道間隙變化量對(duì)配重進(jìn)行精確加載［3］。

圖3　非平衡配重平面示意

3　非平衡配重實(shí)施方案

3.1測(cè)試原理

由于本橋采用非平衡轉(zhuǎn)體施工，上、下盤(pán)間砂箱全部卸載后，球鉸承受著整個(gè)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的不平衡彎矩，使轉(zhuǎn)鉸有發(fā)生豎向轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，必然導(dǎo)致?lián)文_與滑道間隙發(fā)生變化；擬通過(guò)測(cè)試相關(guān)數(shù)據(jù)建立不平衡彎矩和撐腳與滑道間隙變化量的函數(shù)關(guān)系，即建立力-位移函數(shù)關(guān)系式，通過(guò)測(cè)試簡(jiǎn)單的位移量計(jì)算出復(fù)雜的結(jié)構(gòu)受力［4-5］。

1）計(jì)算不平衡彎距

按照設(shè)計(jì)要求砂箱卸載后撐腳反力之和≥8000kN，由于撐腳和滑道間隙較小，測(cè)試設(shè)備無(wú)法安放。通過(guò)在上、下盤(pán)尾部間設(shè)置千斤頂進(jìn)行測(cè)試，再通過(guò)杠桿原理計(jì)算得出撐腳反力值。隨著砂箱的不斷卸載，千斤頂反力、撐腳與滑道間隙都會(huì)不斷發(fā)生變化，通過(guò)力矩平衡得出轉(zhuǎn)鉸不平衡彎矩計(jì)算式

式中：M為轉(zhuǎn)鉸所受不平衡彎矩，kN·m；F為千斤頂反力，kN；L為橋梁縱向千斤頂中心距轉(zhuǎn)鉸中心距離，m。

2）撐腳與滑道間隙變化值

式中：di為第i個(gè)工況下?lián)文_與滑道間隙值，mm；d0為砂箱卸載前撐腳與滑道間隙值，mm。

3）建立不平衡彎矩和撐腳與滑道間隙變化量的函數(shù)關(guān)系

測(cè)試轉(zhuǎn)鉸不平衡彎距和順橋向撐腳與滑道間隙變化量，按照指數(shù)函數(shù)或其它函數(shù)建立關(guān)系式。通過(guò)測(cè)量撐腳與滑道間隙變化值，再根據(jù)此函數(shù)關(guān)系式可反算出轉(zhuǎn)鉸所受非平衡彎矩，從而計(jì)算出撐腳反力值。

3.2測(cè)試方法

在上盤(pán)砂箱拆除前在尾盤(pán)硬支撐附近設(shè)置一排千斤頂（圖4、圖5），將千斤頂頂升至上盤(pán)下表面并保持接觸（不受力），再對(duì)砂箱進(jìn)行拆除。在此過(guò)程中觀測(cè)千斤頂受力情況，如保持受壓狀態(tài)，則逐步拆除全部砂箱；如千斤頂不受壓力，則需要在尾盤(pán)增加配重至千斤頂受力再逐步拆除全部砂箱，在砂箱拆除完成后，觀測(cè)千斤頂壓力并通過(guò)杠桿原理推算支撐腿壓力是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，如壓力不足，根據(jù)實(shí)際情況增加配重，確保滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖4　非平衡配重測(cè)試立面示意（單位：cm）

圖5　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試照片

3.3測(cè)試結(jié)果

千斤頂反力值和撐腳與滑道間隙測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　撐腳與滑道間隙變化量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合。根據(jù)坐標(biāo)值的分布圖形，按照2種曲線(xiàn)擬合，分別是指數(shù)函數(shù)和三次多項(xiàng)式函數(shù)。不平衡彎距和撐腳與滑道間隙變化量曲線(xiàn)關(guān)系擬合結(jié)果見(jiàn)圖6和圖7。

圖6　不平衡彎距和撐腳與滑道間隙變化量指數(shù)函數(shù)關(guān)系

圖7　不平衡彎距和撐腳與滑道間隙變化量三次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系

所得指數(shù)函數(shù)擬合曲線(xiàn)方程為

式中：x為撐腳和滑道間隙變化量，mm；y為不平衡彎距，kN·m。

所得三次多項(xiàng)式函數(shù)擬合曲線(xiàn)方程為

指數(shù)函數(shù)擬合曲線(xiàn)相關(guān)系數(shù)R2=0.992 08，三次多項(xiàng)式函數(shù)擬合曲線(xiàn)相關(guān)系數(shù)R2=0.997 78，相關(guān)系數(shù)越接近1，擬合趨勢(shì)線(xiàn)越可靠。

實(shí)際測(cè)試中可通過(guò)觀測(cè)百分表讀數(shù)變化，再根據(jù)擬合曲線(xiàn)函數(shù)計(jì)算出球鉸所受不平衡彎矩，從而計(jì)算出撐腳反力值是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。通過(guò)不斷加載配重，當(dāng)x=2.483mm時(shí)，根據(jù)式（3）得出y=28027.6kN·m，撐腳距球鉸中心3.5m，則撐腳反力為8007.9kN；根據(jù)式（4）得出y=29681.5kN·m，撐腳反力為8480.4kN。通過(guò)千斤頂讀數(shù)推算出的撐腳反力為8123.4kN。亦即，指數(shù)函數(shù)模擬誤差為-1.42%，三次多項(xiàng)式函數(shù)模擬誤差為4.39%；由此可見(jiàn)采用指數(shù)函數(shù)模擬更加準(zhǔn)確，如表2所示。當(dāng)千斤頂受力超過(guò)其量程時(shí)可根據(jù)已建立起的函數(shù)關(guān)系式，通過(guò)測(cè)量百分表讀數(shù)來(lái)計(jì)算撐腳反力。

表2　曲線(xiàn)函數(shù)模擬與實(shí)測(cè)值對(duì)比分析

本測(cè)試方法已在數(shù)十座轉(zhuǎn)體橋成功運(yùn)用，結(jié)果精確可靠。

4　結(jié)論

轉(zhuǎn)體過(guò)程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制是轉(zhuǎn)體能否成功的關(guān)鍵性因素。轉(zhuǎn)體前，對(duì)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)非平衡狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，建立力與位移之間的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)測(cè)試各工況下?lián)文_與滑道間隙變化量，計(jì)算得出結(jié)構(gòu)平衡狀態(tài)，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行配重調(diào)節(jié)。本文提出的方法對(duì)于非平衡轉(zhuǎn)體或平衡轉(zhuǎn)體都適用，可為同類(lèi)工程的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)控提供參考。

［1］羅旗幟.橋梁工程［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2006.

［2］張聯(lián)燕，譚邦明，陳俊卿，等.橋梁轉(zhuǎn)體施工［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10303—2009鐵路橋涵工程施工安全技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2009.

［4］曹文，王正儀，王興猛.輕型橋梁轉(zhuǎn)體施工專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2011（12）：13-15.

［5］傅賢超，王興猛，張三峰，等.橋梁平轉(zhuǎn)法施工監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.鐵道建筑，2013（11）：8-10.

（責(zé)任審編孟慶伶）

Research of Controlling Technique of Non-balanced Rotation Body for Xixi River Bridge

JING Hongwu
（Chenggui Railway Co.，Ltd.，Chengdu Sichuan 610031，China）

Xixi River Bridge，the largest concrete-filled steel tube swivel arch bridge used on double-track railway in China，is a key project of Chengdu-Guiyang railway line dedicated to passengers.T he bridge was constructed using non-balanced swivel method.Controlling of the stability is the key.In this paper，the construction of Xixi River Bridge was case-studied.T he bridge swivel system structure was introduced，and how to evaluate the non-balanced state of the swivel and how to adjust the balance weight were summarized.It may provide a guidance for the design，construction and monitoring of other similar engineering projects.

Railway line dedicated to passengers；Concrete-filled steel tube arch bridge；Swivel construction；Nonbalanced control

U445.465

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.09

1003-1995（2016）10-0032-04

2016-07-28；

2016-08-20

敬洪武（1969—），男，高級(jí)工程師。