西溪河大桥非平衡转体控制技术研究

敬洪武

（成贵铁路有限责任公司，四川成都610031）

西溪河大桥非平衡转体控制技术研究

敬洪武

（成贵铁路有限责任公司，四川成都610031）

西溪河大桥作为成（都）贵（阳）客运专线的重点控制性工程，是国内最大跨度的双线铁路上承式钢管混凝土转体拱桥。大桥采用非平衡转体工艺实施转体，结构的稳定性控制是转体施工的关键技术。本文以西溪河大桥为背景，介绍了桥梁转动体系主要结构组成，对如何测试转体结构非平衡状态并进行配重调节做了技术总结，可为同类工程的设计、施工、监控提供参考。

客运专线；钢管混凝土拱桥；转体施工；非平衡控制

1　工程概况

桥梁转体施工是指将桥梁结构在非设计轴线位置制作（浇筑或拼接）成型后，通过转体就位的一种施工方法［1］。包括竖转法、平转法、平转与竖转相结合法，其中以平转法应用最多［2］。成贵铁路西溪河大桥跨越深切河谷西溪河，桥梁全长为493.6 m。轨面至河面高差255.7 m，主跨240 m，跨孔样式为3×32.7 m简支梁+240 m上承式钢管混凝土拱桥+4×32.7 m简支梁。桥墩采用矩形空心墩，最大墩高为59.95 m。其主桥总体半立面布置如图1所示。

图1　主桥总体半立面布置（单位：cm）

主拱采用非平衡平转法施工，先在两侧山体上搭设支架拼装半个钢管拱，整个转体系统由交界墩、转动体系、扣索和背索牵引系统、竖向临时转动装置、半跨主拱圈等部分组成。转动体系由下盘、转铰、上盘、中心定位轴、滑道、撑脚和转动牵引系统组成，转体结构（半拱）立面如图2所示。上盘预应力钢束背索、扣索均采用1 860 MPa级φ15.24钢绞线，脱架后2个半拱同时转体就位，最后施工合龙段，半拱钢结构转体质量约为14 000 t。

图2　转体结构（半拱）立面

2　非平衡配重设计

交界墩作为扣索塔架通过扣索支承拱圈，同时也起平衡压重的作用，设计采用矩形空心墩并设置于上盘顶面，转体扣索、背索均锚固于其顶帽上。转体系统理论上在不配重情况下可单铰自行平衡，但考虑到计算误差、施工误差等不确定因素，设计采用在转体系统后方配置压重后使转体系统有后倾力矩，以增大抗向前倾覆的稳定性。为了保证转体结构安全，应使转体结构重心向交界墩后倾斜，转动前用千斤顶测定后支腿反力，其2个后保险腿反力之和不宜＜8000kN，否则应施加配重调节。

关于转体配重，原设计采用在交界墩内部浇筑475 m3素混凝土作为本桥转体配重。施工中经过相关计算，考虑结构自重、拱上扣点及上中两层爬梯重量的情况下，仅采用在交界墩填充素混凝土的方式配重，需约600m3。由于施工过程中尚不确定爬梯在转体前能否全部安装及计算过程中不可避免的误差，最终采用在交界墩内浇筑400m3混凝土，再预制100m3混凝土块预备摆放于上盘尾部的配重方案，如图3所示。在扣背索张拉过程中，拱肋位于支架上，不存在安全风险，砂箱全部卸载后通过监测撑脚与滑道间隙变化量对配重进行精确加载［3］。

图3　非平衡配重平面示意

3　非平衡配重实施方案

3.1测试原理

由于本桥采用非平衡转体施工，上、下盘间砂箱全部卸载后，球铰承受着整个转体系统的不平衡弯矩，使转铰有发生竖向转动的趋势，必然导致撑脚与滑道间隙发生变化；拟通过测试相关数据建立不平衡弯矩和撑脚与滑道间隙变化量的函数关系，即建立力-位移函数关系式，通过测试简单的位移量计算出复杂的结构受力［4-5］。

1）计算不平衡弯距

按照设计要求砂箱卸载后撑脚反力之和≥8000kN，由于撑脚和滑道间隙较小，测试设备无法安放。通过在上、下盘尾部间设置千斤顶进行测试，再通过杠杆原理计算得出撑脚反力值。随着砂箱的不断卸载，千斤顶反力、撑脚与滑道间隙都会不断发生变化，通过力矩平衡得出转铰不平衡弯矩计算式

式中：M为转铰所受不平衡弯矩，kN·m；F为千斤顶反力，kN；L为桥梁纵向千斤顶中心距转铰中心距离，m。

2）撑脚与滑道间隙变化值

式中：di为第i个工况下撑脚与滑道间隙值，mm；d0为砂箱卸载前撑脚与滑道间隙值，mm。

3）建立不平衡弯矩和撑脚与滑道间隙变化量的函数关系

测试转铰不平衡弯距和顺桥向撑脚与滑道间隙变化量，按照指数函数或其它函数建立关系式。通过测量撑脚与滑道间隙变化值，再根据此函数关系式可反算出转铰所受非平衡弯矩，从而计算出撑脚反力值。

3.2测试方法

在上盘砂箱拆除前在尾盘硬支撑附近设置一排千斤顶（图4、图5），将千斤顶顶升至上盘下表面并保持接触（不受力），再对砂箱进行拆除。在此过程中观测千斤顶受力情况，如保持受压状态，则逐步拆除全部砂箱；如千斤顶不受压力，则需要在尾盘增加配重至千斤顶受力再逐步拆除全部砂箱，在砂箱拆除完成后，观测千斤顶压力并通过杠杆原理推算支撑腿压力是否满足设计要求，如压力不足，根据实际情况增加配重，确保满足设计要求。

图4　非平衡配重测试立面示意（单位：cm）

图5　现场测试照片

3.3测试结果

千斤顶反力值和撑脚与滑道间隙测试结果见表1。

表1　撑脚与滑道间隙变化量试验数据

采用Excel对数据进行曲线拟合。根据坐标值的分布图形，按照2种曲线拟合，分别是指数函数和三次多项式函数。不平衡弯距和撑脚与滑道间隙变化量曲线关系拟合结果见图6和图7。

图6　不平衡弯距和撑脚与滑道间隙变化量指数函数关系

图7　不平衡弯距和撑脚与滑道间隙变化量三次多项式函数关系

所得指数函数拟合曲线方程为

式中：x为撑脚和滑道间隙变化量，mm；y为不平衡弯距，kN·m。

所得三次多项式函数拟合曲线方程为

指数函数拟合曲线相关系数R2=0.992 08，三次多项式函数拟合曲线相关系数R2=0.997 78，相关系数越接近1，拟合趋势线越可靠。

实际测试中可通过观测百分表读数变化，再根据拟合曲线函数计算出球铰所受不平衡弯矩，从而计算出撑脚反力值是否达到设计要求。通过不断加载配重，当x=2.483mm时，根据式（3）得出y=28027.6kN·m，撑脚距球铰中心3.5m，则撑脚反力为8007.9kN；根据式（4）得出y=29681.5kN·m，撑脚反力为8480.4kN。通过千斤顶读数推算出的撑脚反力为8123.4kN。亦即，指数函数模拟误差为-1.42%，三次多项式函数模拟误差为4.39%；由此可见采用指数函数模拟更加准确，如表2所示。当千斤顶受力超过其量程时可根据已建立起的函数关系式，通过测量百分表读数来计算撑脚反力。

表2　曲线函数模拟与实测值对比分析

本测试方法已在数十座转体桥成功运用，结果精确可靠。

4　结论

转体过程中结构稳定性控制是转体能否成功的关键性因素。转体前，对转体结构非平衡状态进行测试，建立力与位移之间的函数关系，通过测试各工况下撑脚与滑道间隙变化量，计算得出结构平衡状态，并根据测试结果进行配重调节。本文提出的方法对于非平衡转体或平衡转体都适用，可为同类工程的设计、施工、监控提供参考。

［1］罗旗帜.桥梁工程［M］.广州：华南理工大学出版社，2006.

［2］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.

［3］中华人民共和国铁道部.TB 10303—2009铁路桥涵工程施工安全技术规程［S］.北京：中国铁道出版社，2009.

［4］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.

［5］傅贤超，王兴猛，张三峰，等.桥梁平转法施工监控关键技术研究［J］.铁道建筑，2013（11）：8-10.

（责任审编孟庆伶）

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，高级工程师。