斜拉橋多點支撐轉體系統輔助支撐結構形式研究

梅慧浩

(中鐵十一局集團有限公司 湖北武漢 430061)

1 引言

隨著我國交通基礎設施的不斷完善，新建橋梁跨越既有鐵路(或市政道路)日益增多，水平轉體施工法由于不中斷既有交通，安全高效而獲得普遍應用。關于轉體施工技術的研究一直是學者關注的熱點，研究轉體施工中轉體系統和結構的穩定性具有重要的意義[1-4]。

按照轉體結構形式的不同，水平轉體技術可分為單點支撐轉體技術和多點支撐轉體技術。單點支撐轉體技術由于原理簡單，對轉體設備要求不高，方便操作，在水平轉體施工中應用最為普遍，但單點支撐轉體法對中心球鉸承載能力要求高，且要求轉體結構需配重達到平衡。隨著建設環境的日益復雜，多點支撐轉體技術在大噸位、高重心、結構不平衡等特復雜工況橋梁轉體施工中發揮了關鍵作用。近年來，已有相關學者對多點支撐轉體技術進行了研究，取得了一定科研成果[5-7]。趙凱兵等人[8-9]為實現極不平衡轉體施工，通過前支撐和短臂端配重共同作用，使轉體兩端達到平衡狀態，同時依靠前支撐上的動力系統帶動鋼箱梁水平轉體至設計位置，最后大橋順利合龍。郭昭贏[10]為了解決因轉體球鉸支點兩端梁體質量偏差極大，采用完全配重仍不能使轉體達到平衡狀態的轉體施工難題，提出了在輔助前支撐處設置齒輪齒條電機的新型轉體驅動方式。曾理飛[11]通過分析轉速對橋梁多點支撐轉體結構的受力及穩定性影響，結果表明支腿應力和主梁傾角變化幅度隨轉速增大而增大，橋梁穩定性隨轉速增大而降低。然而，對于多點支撐轉體橋梁，目前尚未有學者針對輔助支撐結構形式開展轉體穩定性的相關研究。

本文以跨襄陽北編組站大橋為研究背景，建立縮尺比為1∶10的轉體試驗模型，通過現場試驗分析了不同輔助支撐結構形式對轉體過程中輔助支撐應力、球鉸應力以及牽引力變化的影響，論述了輔助支撐結構形式對轉體穩定性的影響，研究結果可為多點支撐轉體橋梁施工控制提供依據。

2 工程概況

跨襄陽北編組站大橋(簡稱襄北大橋)是襄陽市內環快速化改造工程的重要節點，位于襄陽北編組站Ⅱ場與Ⅲ場、Ⅳ場與Ⅴ場之間的南側咽喉，該處共有正線5股道(分布于站場東西兩側)，站線27股道，共32股道，站場寬度490 m。襄北大橋總長920 m，為雙獨塔雙索面混合梁斜拉橋，跨徑布置為(102＋98＋294)m＋(226＋74＋66.25＋40.45＋19.3)m。

為降低橋梁施工對鐵路運營的影響，襄北大橋采用部分轉體＋部分懸拼的方式施工，其中跨漢丹、焦柳正線部分采用轉體施工，剩余跨越線路部分采用懸拼施工。T3＃、T5＃兩個主塔施工至梁面以上73 m后分別轉體，T3＃主塔側轉體部分梁長為122.75 m，轉體角度為順時針旋轉77°，重量30 600 t；T5＃墩側轉體部分梁長為120.75 m，轉體角度為順時針旋轉84°，轉體重量為32 000 t。轉體完成后，澆筑邊跨合龍段，同步施工上塔柱剩余部分，同時利用橋面吊機懸拼主跨鋼-混組合梁。

由于轉體斜拉橋重心高，轉體重量大，為提高轉體過程中橋梁的抗傾覆穩定性，本橋轉體系統創新采用齒輪齒軌式多點支撐轉體系統，轉體系統主要由中心球鉸、6個驅動輔助支撐、6個常規撐腳、齒軌式滑道和控制系統組成，中心球鉸設計承載2.8萬t，每個輔助支撐按承載力1 000 t進行設計。驅動輔助支撐和常規撐腳沿齒軌式滑道均勻間隔布置(見圖1)。轉體前，通過千斤頂控制每個輔助支撐的反力在1 000 t，轉體時利用控制柜同步啟動驅動輔助支撐的變頻電機及減速機帶動齒輪轉動，通過齒輪與齒條嚙合帶動轉體結構轉動，并由滾輪小車沿滑道滾動實現豎向荷載傳遞至滑道[12]。

圖1 輔助支撐布置

3 模型試驗方案設計

3.1 模型設計

試驗模型綜合考慮模型制作、加載能力、場地條件等因素，依據相似理論確定轉體模型的縮尺比為1∶10。模型的主梁長度為5.50 m(混凝土梁)＋7.17 m(鋼-混組合梁)，模型下塔柱依據縮尺比，遵循結構截面受力鋼筋配筋率不變、配箍率不變的原則，各截面均滿足剛度相似關系，試驗模型如圖2所示。試驗模型與實橋的相似關系如表1所示。

圖2 橋梁轉體模型

表1 模型橋與實橋主要參數相似比

3.2 試驗工況

輔助支撐是多點支撐轉體系統的關鍵組成結構，其構造對于如何確保輔助支撐承載穩定及轉體施工安全有重要影響，試驗設計了三種輔助支撐結構形式:

(1)第一種結構形式:橡膠墊形式

采用千斤頂預壓橡膠墊至所需力值后支設臨時支撐塊，隨后拆卸千斤頂實現力值的加載。該結構由上部的橡膠墊、中部的鋼墊板、下部的臨時支撐塊等組成(見圖3)。橡膠墊結構的加載過程:千斤頂頂升至所需力值，臨時支撐塊上部加塞相應厚度的鋼片(注:鋼片厚度即為橡膠墊承受所需力值時的壓縮量)，千斤頂卸載。

圖3 橡膠墊形式結構構造

(2)第二種結構形式:千斤頂形式

千斤頂加載并在轉體過程中承載的結構形式(見圖4)，上部的橡膠墊替換為鋼板，臨時支撐塊替換為千斤頂。

圖4 千斤頂形式結構構造

(3)第三種結構形式:橡膠墊＋千斤頂形式

該結構形式與第二種結構形式的區別為僅將鋼墊板換成橡膠墊形式，其結構形式如圖5所示。

圖5 橡膠墊＋千斤頂形式結構構造

3.3 試驗監測

對每種結構形式的輔助支撐開展轉體試驗，每次試驗轉動角度為1.6 rad，轉速控制為0.02 rad/min，在轉體模型的關鍵結構部位(輔助支撐、上下轉臺)布設測點，監測轉體過程中關鍵結構的應力和變形情況。在各輔助支撐表面(高度方向中點)布設3個應變測點測量輔助支撐的應力變化。在上球鉸、下球鉸與轉盤接觸面的外輪廓圓上分別均勻布置4個應變片，并取相對的2個應變片數據的平均值分別作為上、下球鉸1、2號的應力數據。

4 輔助支撐結構形式對轉體穩定性影響分析

從支腿應力、球鉸應力以及牽引力三個方面綜合分析輔助支撐結構形式對主梁轉體穩定性的影響。采用應力變化率來表征轉動過程中輔助支撐和球鉸應力的變化，應力變化率定義為:轉動時應力變化值與初始應力的比值，變化率為正表示壓應力增大，為負表示壓應力減小。

轉體過程中對減速機扭矩進行實時監測記錄，平均每5 min記錄一次，最后一次為減速機停止時各小車扭矩數據，扭矩與轉動牽引力的換算公式如式(1)所示:

式中，F為轉動牽引力；N1～N6為6個輔助支撐的扭矩數值，即轉動功率占額定功率比例。

4.1 支腿應力

圖6為三種輔助支撐結構形式下輔助支撐應力變化曲線。從圖中可知，采用千斤頂接觸形式時支腿應力波動幅度最大，第1至6號支腿應力變化幅值分別為9.2%、23.1%、13.4%、37.5%、31.2%、13.6%；采用千斤頂 ＋橡膠墊和單獨橡膠墊的接觸形式時，輔助支撐應力變化幅值顯著降低且波動情況較為接近，說明兩種結構形式對輔助支撐的受力均勻性起到了較好的控制效果。

圖6 支腿應力變化

支腿應力變化主要由兩個原因造成:滑道的不平順以及轉體重量的不平衡。采用千斤頂時，千斤頂和鋼板與主梁為剛性接觸，兩者之間沒有緩沖，因此造成了較大的應力波動。當采用千斤頂＋橡膠墊和橡膠墊時，鋼板替換為橡膠墊，橡膠墊具有彈性，在一定程度會減小滑道不平順、偏載等原因引起的應力變化，從而使輔助支撐受力更均勻。對比千斤頂＋橡膠墊和橡膠墊兩種支腿接觸形式，帶千斤頂轉動時需要油管跟隨轉動，有一定危險性，綜合考慮采用單獨橡膠墊的結構形式更為合理。

4.2 球鉸應力

支腿結構形式對球鉸應力變化的影響如圖7所示。從圖7中可以看出:不同工況的球鉸應力變化趨勢基本保持一致，說明支腿結構形式基本不改變轉動過程中球鉸的應力變化規律。進一步對上、下球鉸應力變化進行分析可以發現，采用千斤頂支腿形式的球鉸應力波動最為明顯，而采用千斤頂＋橡膠墊或者單獨橡膠墊時，應力波動幅值明顯降低；以上球鉸2號應力變化為例，采用千斤頂支腿形式時應力變化幅度最大，最大為28.6%，橡膠墊應力變化率變化幅度最小，僅為15.8%。

圖7 球鉸應力變化

球鉸是主梁轉動過程中主要承力構件，其應力的變化可以反映橋梁轉體的穩定性。采用千斤頂＋橡膠墊和單獨橡膠墊時，輔助支撐受滑道不平順和偏載的影響降低，其受力更為均勻，承力支撐和球鉸豎向受力分配模式更為穩定，因此球鉸應力變化幅值降低，轉體穩定性得到提高。

4.3 轉體牽引力

橋梁轉動時不同工況下驅動牽引力變化如圖8所示。由圖8可知:隨著橋梁轉動角度的變化，牽引力基本圍繞一定數值上下波動。三種工況中，千斤頂＋橡膠墊工況和單獨千斤頂工況的初始牽引力基本一致，而單獨橡膠墊的牽引力比其他兩種工況約小600 N，這主要是由于采用帶千斤頂轉動時，千斤頂對輔助支撐施加了附加的壓力，導致輔助支撐的摩擦力增大，進而增大所需的牽引力；采用單獨橡膠墊的形式時，在頂升到位安裝橡膠墊后，千斤頂將拆除，此時橡膠墊會發生一定壓縮，千斤頂附加的壓力消失，因此牽引力更小。此外，采用單獨橡膠墊的形式時，牽引力的波動幅度低，牽引力的變化結果與輔助支撐應力變化和球鉸應力變化的結果相吻合，結果表明采用橡膠墊支腿形式有一定優勢，輔助支撐受力更為均勻，且橋梁轉動更加穩定。

圖8 牽引力變化

5 結論

以跨襄陽北編組站大橋為研究背景，通過大比例轉體模型試驗，研究了輔助支撐結構形式對斜拉橋多點支撐轉體系統支腿應力、球鉸應力和轉體牽引力的影響，對比分析了輔助支撐結構形式對橋梁轉體穩定性的影響，主要結論如下:

(1)輔助支撐采用單獨千斤頂的結構形式時，支腿應力波動幅度最大，而采用千斤頂＋橡膠墊和單獨橡膠墊的接觸形式時，輔助支撐的受力均勻性較好，其應力變化幅值顯著降低。

(2)支腿結構形式基本不改變轉動過程中球鉸的應力變化規律，采用千斤頂支腿形式時，球鉸應力波動明顯；而采用千斤頂＋橡膠墊和單獨橡膠墊時，輔助支撐受滑道不平順和偏載的影響降低，其受力更為均勻，承力支撐和球鉸豎向受力分配模式更為穩定，球鉸應力波動幅值明顯降低，轉動系統穩定性得到提高。

(3)隨著橋梁轉動角度的變化，牽引力基本圍繞一定數值上下波動；采用帶千斤頂轉動時，千斤頂對輔助支撐施加了附加的壓力，導致輔助支撐的摩擦力增大，進而增大所需的牽引力；采用單獨橡膠墊的形式時，橡膠墊發生一定壓縮，千斤頂附加的壓力消失，因此牽引力平均值和波動幅度降低。