轻型桥梁转动体系的研究分析
2012-07-27傅贤超王正仪王兴猛
傅贤超，王正仪，王兴猛
(中铁西南科学研究院，四川 成都 610031)
目前中国新建高铁及既有铁路提速快速发展，为了周围居民的安全，应实行线路全封闭，这必会对铁路沿线居民正常出行带来不便，需建设跨线人行天桥来解决由此带来的影响。为了不影响现有线路的运营，跨线施工中以转体工艺为最佳方案之一。本文以襄渝铁路下行线K768+740人行天桥的设计为例，阐述转体工艺设计的重点。本桥为T形刚构桥转体设计，桥跨布置为 21.5 m+15 m，长、短跨比为 0.698，根据排水需要及地形情况设置2%单向纵坡。长跨为变截面，采用1.8次抛物线线型，墩顶梁高 1.4 m，端部梁高0.5 m，采用双肋，肋厚 0.3 m;短跨采用单肋，肋厚1.2 m;桥墩采用1.2 m ×1.4 m 钢筋混凝土矩形实心墩，墩梁固结[1]。
1 转盘结构设计
转盘分为上、下转盘。下转盘与基础相连，下转盘顶面上设一层2 cm厚Q235钢板，钢板底面与下转盘的预埋钢筋焊接。钢板上铺设一层聚四氟乙烯板，以减小上、下转盘间的摩擦。为了控制转动过程中上部梁、墩结构的平衡安全，在下转盘上设置8个保险腿，并在保险腿之间放置4个竖向千斤顶以微调平衡。上转盘底面设一层不锈钢钢板，其目的是为了进一步减小上、下转盘间的摩擦系数。上转盘为2 cm厚Q235钢板制作成中心下凸的平面转铰，如图1所示。转体完成后，焊接上、下转盘中的预埋钢筋，浇筑之间的空隙，使上下转盘固结为一个整体[2]。
图1 转盘立面及平面(单位:cm)
2 转动牵引力计算
根据以往施工经验可知转体静摩擦系数μg一般为 0.06 ～0.09，动摩擦系数 μd一般为 0.035 ～0.08，施工时可现场实测，并采取如在聚四氟乙烯板上添加黄油等措施来减小静、动摩擦系数，从而减小牵引力。
转体牵引装置设置在上转盘两侧，转体系统压力的形心在2r/3处。根据力矩平衡(图2)∑M=0可得[3-4]
式中，G为转体重量，R为上转盘半径，r为转铰半径。若取 μg=0.08，G=1 500 kN，R=2 m，r=1 m，则 F=20 kN。
图2 牵引计算图式
牵引动力可由两台5 t的卷扬机提供。由于卷扬机的性能不易根据实际情况控制速度，两边拉力不易平衡，降低了转体稳定性。在实际施工过程中用手拉链条葫芦代替卷扬机，通过人工曳动手链条使手链轮转动，将摩擦片棘轮、制动器座压成一体共同旋转，从而达到牵引的目的。如何保证两端牵引力大小一致，可按如图3和图4所示布置，根据转动方向确定钢丝牵引绳缠绕方向，如转动方向为顺时针，则A端牵引绳顺时针向上缠绕3圈，B端顺时针向下缠绕3圈，缠绕圈数由上转盘边缘转动距离确定(一般两端牵引绳各缠绕3圈)。A端缠绕3圈之后通过两个定滑轮改变牵引方向，与B端牵引绳平行，B端牵引绳穿过 C滑轮，与A端牵引绳用U型螺栓拧紧，从而可保证A，B两端牵引力大小一致，而C滑轮另一端连接手拉链条葫芦。手拉链条固定端安装一个拉力读数器，牵引力大小可随时从仪器上读取。表1所示为襄渝铁路跨线部分人行天桥实测牵引力以及计算得到的静摩擦系数、动摩擦系数。
图3 牵引装置平面
图4 牵引装置立面图
表1 襄渝铁路跨线人行天桥牵引力数据
3 转盘应力验算
转盘结构采用C50钢筋混凝土，上部结构为T形不对称悬臂刚构，密度按2.6 t/m3计算，根据模型计算可知主梁和桥墩总重为1 280 kN，平衡重(配重)为135 kN，考虑安全系数和施工临时荷载，转体上部结构按施加1 500 kN重量计算。采用有限元分析软件建模，结果如图5所示(负值为压应力，正值为拉应力，单位为Pa)。转盘最大压应力为4.04 MPa，最大拉应力为0.89 MPa，应力满足设计要求。设计中上、下转盘均用钢板套箍，不但减小转体的静、动摩擦系数，同时也增加了转盘的强度，使结构更加安全可靠[5]。
图5 转体结构竖向应力云图(单位:Pa)
4 抗倾覆稳定性计算
由于本桥设计为不对称布置，通过在短跨边施加平衡重以达到转体平衡。由于施工误差和结构参数误差的存在，实际情况很难达到理论上的完全平衡，这就需要计算桥梁在配重作用下的稳定性，以免发生倾覆。
结构静力计算的方程可表示为
其中，[KD]为结构弹性刚度矩阵，对杆系结构反应了其单元截面刚度EA和EI的影响;[KG]为几何刚度矩阵，也称为初始应力矩阵，与杆系结构与杆件的长度、位置和初始轴力有关。几何刚度矩阵使单元刚度发生了变化，主要是由于轴力在杆弯曲时产生的效应所致。
根据式(2)可以求得在{F}作用下的位移{δ}，如荷载不断增加，则结构位移不断增大。由于[KG]与荷载大小有关，这时结构的力与位移不再是线性关系，如{F}达到 λσ{F}时，结构达到随遇平衡状态，这就是所要求的临界荷载。若{F}增加至λ倍，则内力和几何刚度也增加至λ倍，由(2)式可得
如λ足够大，使得结构达到随遇平衡状态，即当{δ}增加{Δδ}时，上列平衡方程也能满足，即有
同时满足式(3)和(4)的条件是
式(5)就是计算结构稳定安全系数的结构方程式，若方程有 n阶，则理论上存在 n个特征值 λ1，λ2，…，λn，但工程上只有最小的特征值或最小的安全系数才有实际意义，这时的特征值为 λσ，临界荷载为 λσ{F}。
根据有限元模型的计算分析可得，转动过程中桥梁结构在配重作用下的稳定系数为3.39(如图6所示)，而规范规定，施工中的桥梁结构稳定系数不得小于2，故本桥抗倾覆稳定性满足要求。
图6 悬臂状态在配重作用下结构的稳定系数
5 抗风稳定性计算
转体结构在不同的地区和不同的季节有不同的抗风标准。根据《铁路桥涵设计规范》，风荷载应该按下式进行计算。
式中 W——风荷载(Pa);
W0——基本风压值;
K1——风载体形系数;
K2——风载高度变化系数;
K3——地形地理条件系数。
根据全国基本风压图可查询得到重庆地区(桥梁所在地)基本风压值W0=0.3 kN/m2，但考虑到铁路地形的特殊性，应按风力等级来考虑。正式转体时(悬臂状态)要求风力不超过6级，因此以最大风力来计算结构的抗风稳定性。风力为6级时的最大风压值W=v2/1 600=312/1 600=0.6 kN/m2。根据《铁路桥涵设计规范》，综合桥梁设计，取主梁K1=1.2，桥墩K1=1.4;K2=1.0;K3=1.2。则主梁上的风荷载为 WZ=0.864 kN/m2，桥墩上的风荷载为 WD=1.008 kN/m2。计算结果表明，桥梁在风荷载作用下的稳定系数达到了26.58，如图7所示，远远大于规范要求，故抗风稳定性满足要求。
图7 悬臂状态在风荷载作用下结构的稳定系数
6 结语
设计中应对每一个施工阶段进行计算分析。当脱架完成，梁体处于悬臂状态阶段，结构最不稳定，故文中转体结构应力验算、平衡重下的稳定分析和抗风稳定性均以悬臂状态为准。计算结果表明转体结构转动过程中内力和稳定性均满足设计要求。目前该桥及后续数十座桥已成功转体，转铰均为通用设计，节省了设计费、转铰加工及安装费，降低了工程造价。本项技术为以后轻型桥梁转体设计提供了参考。
[1]王兴猛，傅贤超，曹文.襄渝铁路线下行 K768+740人行天桥设计说明书[R].成都:中铁西南科学研究院，2010.
[2]曹文，王正仪，王兴猛.轻型桥梁转体施工专项试验研究[J].铁道建筑，2011(12):13-15.
[3]张联燕，谭邦明，陈俊卿，等.桥梁转体施工[M].北京:人民交通出版社，2001.
[4]中华人民共和国交通部.JTJ 041—2000 公路桥涵施工技术规范[S].北京:人民交通出版社，2000.
[5]张立明.Algor、Ansys在桥梁工程中的应用方法与实例[M].北京:人民交通出版社，2005.
