轉速對橋梁水平轉體結構受力及穩定性影響的模型試驗研究

曾理飛

(中鐵十一局集團第一工程有限公司 湖北襄陽 441104)

1 引言

由于橋梁轉體施工技術可改高空、水上、跨既有線作業為陸地、岸邊、線外作業，且具有不間斷通航、不干擾交通、施工周期短等優點，目前已逐步成為一種經濟、高效、安全的橋梁施工方法，在世界上應用廣泛[1]。目前，橋梁轉體主要包括水平轉體、豎向轉體以及平-豎結合轉體三大類型，其中以水平轉體橋梁居多。目前常規水平轉體系統為中心球鉸支承、鋼絞線牽引的結構形式[2]。國內外許多學者通過理論計算、工程實踐等方法對此結構形式的轉體技術開展了深入研究，取得了豐富的研究成果，但目前尚未有學者對轉速開展過相關研究。

隨著橋梁轉體技術的發展，馬行川[3]創新提出了齒輪齒軌驅動橋梁水平轉體新技術，經工程實踐證明，該新型轉體系統具有轉體穩定性好、自動化程度高等優點。目前該轉體橋新技術僅在常青路(青年路～三環線)工程主線高架跨鐵路主橋獲得成功應用，因此，仍需對此新型轉體系統及轉體施工技術開展進一步研究。

跨襄陽北編組站大橋設計采用齒輪齒軌轉體系統進行橋梁轉體[4]，轉體重量大(轉體重量達3.2萬t)，轉體結構新穎(采用6個驅動承力撐腳提供水平驅動牽引力和豎向輔助支撐)，本文以此大橋為依托，建立1∶10轉體試驗模型，研究轉速對橋梁轉體結構的受力及穩定性影響，為實橋轉體施工時轉速控制提供科學依據。

2 工程概況

跨襄陽北編組站大橋為(200＋294)m＋(226＋200)m雙獨塔雙索面混合梁斜拉橋，跨越鐵路站場部分總長度為520 m，站場東西側邊跨各長200 m，總長920 m，如圖1所示。跨襄陽北編組站大橋中跨跨越32個股道，其中，T3～T4段主梁跨越20個股道，T4～T5段主梁跨越12個股道，為國內跨越股道最多的橋梁。

圖1 跨襄陽北編組站大橋結構布置(單位:m)

為降低橋梁施工對鐵路線的影響，主橋采用先轉體后懸拼的施工工藝跨越股道。T3＃和T5＃主塔轉體部分梁長分別為122.75 m和120.75 m。先于鐵路東、西兩側平行于鐵路方向拼裝及現澆122.75 m(120.75 m)長主梁并施工上塔柱73 m高，然后進行轉體施工，T3＃、T5＃塔轉體角度分別為順時針旋轉77°和84°，T3＃主塔的轉體重量為 3.06 萬 t，T5＃主塔的轉體重量為3.2萬t。

3 轉體系統設計

本橋采用齒輪齒軌式新型轉體系統，該轉體系統為球鉸與多個驅動承力撐腳組成的多點支承體系。轉體系統由驅動承力撐腳通過齒輪與滑道齒軌嚙合提供牽引動力，通過滾輪小車與滑道上滾動接觸提供豎向支撐力[5]。其中，中心球鉸設計承載2.8萬t，其余荷載由6個驅動承力撐腳承擔。轉體系統由上下轉盤、球鉸、6個常規撐腳、齒軌式滑道、6個驅動承力撐腳組成。

3.1 下轉盤

跨襄陽北編組站大橋T3＃、T5＃主塔下轉盤設計尺寸為44 m×29 m×5 m，共分兩次進行澆筑，第一次澆筑3.3 m，第二次澆筑1.7 m。下轉盤第一次澆筑共設置縱橫雙向預應力，設計混凝土標號為C55，在第一次澆筑完成后安裝下球鉸定位骨架，其主要由角鋼焊接而成。下轉盤上設置轉動系統的下球鉸、滑道，轉體完成后，與上轉盤共同形成橋梁基礎。

3.2 球鉸

球鉸裝置由上球鉸、下球鉸、銷軸組成，鋼球鉸設計荷載2.8萬t，直徑φ5.2 m，分上下兩片，均由鋼制球面板組成；下球鉸為凹面，嵌固于下轉盤表面，上球鉸為凸面，就位于上轉盤底部。定位中心轉軸直徑為φ290 mm，長度為1 140 mm，上下球鉸面板均為5 cm厚的鋼板壓制而成的球面，在球鉸背部設置肋條，防止在加工、運輸過程中變形，并方便球鉸的定位、加強以及與周圍混凝土的連接。

3.3 上轉盤

上轉盤設計尺寸為24 m×24 m×2.3 m，上轉盤沿高度方向分為兩部分:下部分高度為1 m，平面形狀為圓形，直徑為φ22.7 m，該部分與球鉸、撐腳相連接；上部分高度為1.3 m，平面形狀為矩形，其與下塔柱相連接。上轉盤下部需提前預埋鋼板，以便于后期安裝驅動承力撐腳[6]。

3.4 常規撐腳

上轉盤底部設有6個撐腳(保險腿)[7]，每個撐腳為雙圓柱形，撐腳與滑道之間留2 cm高差。撐腳由2個φ1 000×32 mm的鋼管組成，在下轉盤施工完成后即可安裝撐腳，撐腳由定制廠家制作完成后整體運送至現場，在上轉盤澆筑混凝土前先在撐腳鋼管內灌注C55微膨脹混凝土。6個常規撐腳與6個驅動承力撐腳均勻間隔布置，轉體前抽掉墊板并在滑道面內鋪設3 mm不銹鋼板及6 mm厚的聚四氟乙烯板[8]。

3.5 驅動承力撐腳

上轉盤底部設6個驅動承力撐腳[9]，撐腳的結構如圖2所示。每個撐腳按承載能力1 000 t設計。

圖2 驅動承力撐腳結構

驅動承力撐腳由臺車架、減速機架、加載組件、電機、減速機、滾輪小車、齒輪等部分組成[10]，如圖3所示。轉體前，通過千斤頂控制每個承力支腿的反力在1 000 t。轉體時啟動變頻電機及減速機，帶動齒輪沿齒條滾動，進而實現驅動承力撐腳及梁體沿軌道轉動。

驅動承力支腿由統一的控制系統進行控制，實現電機轉速及轉體過程中的同步制動。

每個驅動承力撐腳布置4臺滾輪小車，每臺滾輪小車由2排滾輪和支架組成，通過滾輪小車與滑道滾動接觸傳遞豎向荷載[11]。每臺滾輪小車下方有20個輪子，輪子在制作時需提前設置弧度，保證其可以沿滑道滾動[12]。

4 轉體模型試驗

4.1 轉體模型概述

在橋址處按照1∶10比例建立縮尺模型。主梁設計為550 cm＋717.5 cm，采用塔梁固結體系；模型下塔柱采用混凝土澆筑；上塔柱采用等效的鋼結構箱梁截面形式；模型塔間下橫梁采用混凝土澆筑；塔間中橫梁采用等效的鋼結構箱梁截面形式，轉體模型現場如圖3所示。

圖3 轉體模型現場

4.2 試驗方案

目前，國內對橋梁水平轉體的轉速尚未形成統一標準，一般規定轉體角速度不宜大于(0.01～0.02)rad/min或橋體懸臂線速度不宜大于0.5°/min。本試驗考慮了4種轉速工況，分別是0.02 rad/min、0.03 rad/min、0.04 rad/min和0.06 rad/min四種工況。此外，轉動系統轉動時包含加速-勻速-減速三個過程，轉體加速度會影響整體結構的動力響應，本次試驗對轉體加速度進行研究。

4.3 測點布置

在轉體模型關鍵結構部位:主梁、上下轉臺、驅動承力支腿上分別布設測點，測試模型轉體過程中結構的受力和變形情況，并監測減速機扭矩值以計算驅動牽引力。

4.3.1 主梁應變測點

在主梁上共布設4個應變測點，左右對稱布置，每個測點埋設1個弦式應變計用以測試主梁應變。4個測點均布設在主梁高度方向中心位置。

4.3.2 上、下轉臺應變測點

在上下轉臺上各均勻布置4個電阻應變片，2個弦式應變計，具體數量見表1。

表1 上、下轉臺應變測點匯總表

4.3.3 支腿應變測點

在每個驅動承力支腿沿高度方向的中心位置均布置3個應變測點。

4.3.4 主梁傾斜測點

主梁上布置4個傾角位移傳感器來測量轉體時主梁的傾角變化，測點對稱布置在橋梁中心線兩側。

5 試驗結果分析

5.1 主梁應力分析

主梁應力測量分為加速轉動和勻速轉動兩個階段，加速階段分別設定轉動小車以20 s、40 s、60 s加速至 0.02 rad/min、0.03 rad/min、0.04 rad/min、0.06 rad/min。現場試驗結果表明，加速過程中應變變化極小，即使20 s加速到0.08 rad/min，整個加速過程主梁應變僅為1.0 με，因此，加速度小于0.24 rad/min2條件下，加速過程對主梁影響較小。

勻速轉動下不同轉速時主梁應力變化率隨轉動弧度的變化曲線，如圖4所示。

圖4 主梁應力隨轉動弧度的變化曲線

從圖4可知，同一轉速下主梁各處應力變化數值和趨勢類似，說明在勻速轉動過程中，橋塔附近主梁受力一致；主梁在轉動轉速為0.02 rad/min時，主梁1～4＃測點處應力變化均明顯低于轉速為0.03 rad/min、0.04 rad/min 和 0.06 rad/min，且轉速越高，應力變化越明顯。

5.2 轉臺應力分析

不同轉速條件下上、下轉臺應力變化極差如表2所示。

表2 轉臺應力變化極差 %

由表2可知，轉速為0.02～0.06 rad/min時，應力極差分別為20.3%、22.1%、25.3%和31.2%。可以判定，隨轉動速度增加，轉臺處應力變化率極差增大，轉動穩定性降低。

5.3 驅動承力支腿應力分析

不同轉速工況下，模型轉動穩定性會發生改變，從而導致支腿應力發生變化，本節通過壓應力變化率反映支腿應力變化，壓應力變化率為支腿轉動過程中應力變化值與加壓過程應力值的比值，變化率為正即壓力增大，反之壓力減小。支腿壓應力變化率極差如表3所示。

表3 支腿應力變化率極差 %

續表3

5.4 驅動牽引力分析

不同轉速時，橋梁在轉動過程中支腿受力、轉動穩定性會發生改變，因此轉動所需牽引力及轉動過程中牽引力變化波動情況也會發生變化。在轉體試驗過程中，每5 min監測一次減速機扭矩值，將該扭矩值進行公式換算得到轉動所需牽引力，得出不同轉速工況下驅動牽引力的變化曲線如圖5所示。

圖5 驅動牽引力隨轉動弧度變化曲線

由圖5可知，不同轉速下，牽引力波動幅度分別為1.21 kN(0.02 rad/min)、1.24 kN(0.03 rad/min)、1.49 kN(0.04 rad/min)、1.78 kN(0.06 rad/min)，0.02～0.04 rad/min轉速下，牽引力變化幅度相差不大，0.06 rad/min轉速下，變化幅度遠大于其他轉速。0.02～0.06 rad/min平均牽引力分別為10.77 kN、11.13 kN、11.47 kN、11.68 kN。因此，牽引力隨著轉速增加而增加，當轉速達到0.06 rad/min，牽引力變化幅度最大，轉動穩定性最差。

5.5 主梁傾角變化分析

本試驗于橋梁兩懸臂端中部布置兩個雙向傾角傳感器，在轉體試驗過程中，傳感器平均每5 s自動采集一次。圖6為不同轉速時主梁傾角變化曲線。

圖6 主梁傾角隨轉動弧度變化曲線

從圖6可知，傾角變化幅度均隨轉速的增加而增加，且變化趨勢保持一致。就整體而言，轉體整個過程傾角變化值均在0.1°以內，數值較小，轉動平穩，可見轉速的增大對橋梁轉動的穩定性有一定影響，但仍然可以保證轉動平穩。

6 結論

為分析轉速對水平轉體橋梁結構受力及穩定性的影響，開展了1∶10轉體模型試驗，分析了主梁應力、轉臺應力、驅動承力支腿應力、驅動牽引力及主梁傾角隨轉速的變化規律，得到以下結論:

(1)轉體系統加速啟動階段，主梁應力隨轉動加速度的變化很小，可忽略不計。

(2)以不同轉速進行勻速轉動時，主梁、轉臺、支腿應力變化率、驅動牽引力和主梁傾角變化幅度隨轉速的增大而增大，橋梁穩定性隨轉速的增大而降低。上部結構配重增大會降低轉動穩定性。

(3)綜上所述，隨著轉速的增大，轉體時橋梁的整體受力趨于不利，且應力變化幅度增大，穩定性降低。因此，實橋轉體時建議轉速控制在0.02～0.04 rad/min。