水平力在节段拼装架桥机过孔作业中的影响分析及控制

许俊

摘 要：节段拼装架桥机在过孔作业中，需由架桥机的支承结构提供水平外力驱使架桥机主梁结构前（后）移动。该水平力控制不当有可能导致架桥机支承结构倾覆引起架桥机的垮塌事故，也有可能导致支撑墩身发生位移及变形影响桥梁的架设精度。分析了节段拼装架桥机在过孔作业中产生的水平力对支承结构的影响以及控制方法，供今后同类型架桥机设计及施工参考。

关键词：水平力；节段拼装架桥机；分析；控制

1 概述

随着我国国民经济的发展和预制节段拼装施工法的机械设备生产及运用水平的进步，越来越多的桥梁采用节段拼装施工技术。近年来，苏通大桥引桥、上海长江大桥引桥、厦门集美大桥引桥、南京四桥引桥、嘉绍大桥引桥等些项目均采用节段拼装架桥机拼装施工。

节段拼装架桥机（以下简称架桥机）通常由主梁结构、支承结构、起重天车3大部件组成。架桥机在移动过孔作业过程中，通常由前后2个主支承承受架桥机主梁以上结构的垂向载荷，并提供水平动力驱使架桥机主梁以上结构进行前（后）纵、左（右）横移。这个水平动力由专门的动力源提供，对于整个架桥机来说属于外力，由支承架桥机前、后主支承的墩身1、墩身2提供。

节段拼装架桥机主要结构见图1。

图1 节段拼装架桥机示意

2 水平力分析

假设架桥机需要向前移动过孔，对架桥机主支承结构进行受力分析。

图2 主支承结构受力分析

架桥机主支承底部支承面到顶部滑移面的高度为H，主支承底部支承面支承宽度为W。架桥机主梁与主支承接触滑移面间的摩擦系数为？滋，主梁以上需要移动的部件总质量为M，在不考虑附加载荷的工况下架桥机移动过孔需要的总水平力FS=M×？滋。总质量M产生的垂向正压力由前、后两个主支承承受。前主支承2承受的垂向正压力为Nq，水平摩擦力为FSq=Nq×？滋。后主支承1承受的垂向正压力为Nh，水平摩擦力为FSh=Nh×？滋。则有M=Nq+Nh，FS=FSq+FSh。

3 水平力对主支承的倾覆稳定性分析

架桥机过孔作业时，通常由前、后主支承间的一个来提供水平动力驱动架桥机移动。不考虑附加载荷的工况下的水平动力为总摩擦力FS，分别对提供动力的主支承及非动力主支承进行倾覆稳定性分析。当由后主支承1提供水平动力时，对于主支承1来说，所受水平力为水平总外力减去移动摩擦产生的摩擦力FS1=FS-FSh=（M-Nh）×？滋，抗倾覆稳定系数为？孜1=（Nh×W×0.5）÷（FS1×H）=（Hh×W×0.5）÷[（M-Nh）×？滋×H]。对于主支承2来说，总水平力就是移动摩擦产生的摩擦力FS2=FSq=Nq×？滋，抗倾覆稳定系数为？孜2=（Nh×W×0.5）÷（FS2×H）=（0.5×W）÷（？滋×H）。当由前主支承2提供水平动力时，对于主支承1来说，总水平力为移动摩擦产生的摩擦力FS1'=FSh=Nh×？滋，抗倾覆稳定系数为？孜1'=（Nh×W×0.5）÷（FS1'×H）=（0.5×W）÷（？滋×H）。对于主支承2来说，总水平力为FS2'=FS-FSq=（M-Nq）×？滋，抗倾覆稳定系数为？孜2'=（Nq×W×0.5）÷（FS2'×H）=（Nq×W×0.5）÷[（M-Nq）×？滋×H]。

从四个稳定系数来看，主支承的稳定性主要取决于以下几个方面：（1）主支承底部支承面支承宽度W；（2）主支承底部支承面到顶部滑移面的高度H；（3）主支承承受的垂向正压力Nq/Nh；（4）主梁以上需要移动的部件总质量M；（5）主梁与主支承接触滑移面间的摩擦系数？滋。因此，从架桥机的设计角度分析，提高主支承稳定性主要有以下几个方面：（1）在结构布置允许的情况下尽可能加大支承宽度W；（2）在功能实现允许的情况下尽可能减小支承高度H；（3）在结构设计时尽可能优化减小总质量M；（4）从机构设计及材料选型上尽可能使摩擦系数 减小。从架桥机使用的角度分析，使用承受垂向正压力大的主支承来提供水平动力可提高主支承的倾覆稳定性。因此，在架桥机过孔过程中，需根据两个主支承承受的正压力的变化，及时变换主支承去提供水平动力。

4 水平力对墩身变形影响的控制

墩身结构作为架桥机的载体，在架桥机进行过孔作业中不可避免要承受架桥机作用的水平力。尽管我们从设计及使用方法上减小了水平力的大小，但是水平力对于墩身变形的影响还是显而易见的。在最近完工的嘉绍大桥施工过程中，架桥机过孔水平力在没有采取控制措施的情况下，墩身在过孔过程中晃动明显，墩顶变形瞬间最大位移达到了5cm。架桥机完成过孔后，墩顶残余变形也达到了1cm，严重影响了节段梁的拼装精度。减小墩身变形最为有效的方案是增加墩身顺桥向的水平刚度。然而，为了克服施工载荷而去加大墩身尺寸显然不是个合理的方案，造成了不必要的浪费。在嘉绍大桥施工过程中，采取了一种“预张拉”的方案使得墩顶变形最大位移控制在了2cm以内，基本消除了残余变形。

“预张拉”方案见图3。

图3 “预张拉”方案

当采用主支承1提供水平动力时，主支承2所受的水平力向前。主支承1所在墩已和已成桥相连，具有很大的水平刚度，水平力对于墩身的变形影响可以忽略不计。主支承2所在墩此时为孤墩，水平刚度较差，受水平力影响变形较为明显。此时，在两个墩身间利用水平钢绞线进行相连，并通过张拉千斤顶对钢绞线进行预张拉。张拉力FZL略小于墩身允许承受的最大水平力。在这个过孔过程中，张拉钢绞线对主支承2所在墩身提供恒定的向后的拉力使得墩身预先有一个恒定的变形，这个变形是我们墩身可以承受的。在摩擦力小于张拉力时，墩身不再发生变形。当摩擦力大于张拉力时，水平钢绞线提供的向后的拉力相应增加并完全平衡摩擦力，墩身也不再发生变形。

采用“预张拉”方法去控制架桥机过孔水平力，不仅有效地控制了墩身变形量，也是架桥机过孔过程更加安全、平稳。

5 结束语

架桥机在过孔过程中，水平力的产生是不可避免的，只能减小其对施工过程的影响。文中所介绍的水平力对架桥机主支承倾覆稳定性及墩身变形的影响及控制措施是结合了多个应用实例总结出来的，值得同类型架桥机设计、施工过程的借鉴参考。

参考文献

[1]美国各州公路运输工作者协会. 节段式混凝土桥梁设计和施工指导性规范[S].1989.

[2]GB/T 3811-2008.起重机设计规范[S].