斜拉桥多点支撑转体系统辅助支撑结构形式研究

2022-09-30梅慧浩

铁道建筑技术 2022年9期

梅慧浩

(中铁十一局集团有限公司湖北武汉 430061)

1 引言

随着我国交通基础设施的不断完善，新建桥梁跨越既有铁路(或市政道路)日益增多，水平转体施工法由于不中断既有交通，安全高效而获得普遍应用。关于转体施工技术的研究一直是学者关注的热点，研究转体施工中转体系统和结构的稳定性具有重要的意义[1-4]。

按照转体结构形式的不同，水平转体技术可分为单点支撑转体技术和多点支撑转体技术。单点支撑转体技术由于原理简单，对转体设备要求不高，方便操作，在水平转体施工中应用最为普遍，但单点支撑转体法对中心球铰承载能力要求高，且要求转体结构需配重达到平衡。随着建设环境的日益复杂，多点支撑转体技术在大吨位、高重心、结构不平衡等特复杂工况桥梁转体施工中发挥了关键作用。近年来，已有相关学者对多点支撑转体技术进行了研究，取得了一定科研成果[5-7]。赵凯兵等人[8-9]为实现极不平衡转体施工，通过前支撑和短臂端配重共同作用，使转体两端达到平衡状态，同时依靠前支撑上的动力系统带动钢箱梁水平转体至设计位置，最后大桥顺利合龙。郭昭赢[10]为了解决因转体球铰支点两端梁体质量偏差极大，采用完全配重仍不能使转体达到平衡状态的转体施工难题，提出了在辅助前支撑处设置齿轮齿条电机的新型转体驱动方式。曾理飞[11]通过分析转速对桥梁多点支撑转体结构的受力及稳定性影响，结果表明支腿应力和主梁倾角变化幅度随转速增大而增大，桥梁稳定性随转速增大而降低。然而，对于多点支撑转体桥梁，目前尚未有学者针对辅助支撑结构形式开展转体稳定性的相关研究。

本文以跨襄阳北编组站大桥为研究背景，建立缩尺比为1∶10的转体试验模型，通过现场试验分析了不同辅助支撑结构形式对转体过程中辅助支撑应力、球铰应力以及牵引力变化的影响，论述了辅助支撑结构形式对转体稳定性的影响，研究结果可为多点支撑转体桥梁施工控制提供依据。

2 工程概况

跨襄阳北编组站大桥(简称襄北大桥)是襄阳市内环快速化改造工程的重要节点，位于襄阳北编组站Ⅱ场与Ⅲ场、Ⅳ场与Ⅴ场之间的南侧咽喉，该处共有正线5股道(分布于站场东西两侧)，站线27股道，共32股道，站场宽度490 m。襄北大桥总长920 m，为双独塔双索面混合梁斜拉桥，跨径布置为(102＋98＋294)m＋(226＋74＋66.25＋40.45＋19.3)m。

为降低桥梁施工对铁路运营的影响，襄北大桥采用部分转体＋部分悬拼的方式施工，其中跨汉丹、焦柳正线部分采用转体施工，剩余跨越线路部分采用悬拼施工。T3＃、T5＃两个主塔施工至梁面以上73 m后分别转体，T3＃主塔侧转体部分梁长为122.75 m，转体角度为顺时针旋转77°，重量30 600 t；T5＃墩侧转体部分梁长为120.75 m，转体角度为顺时针旋转84°，转体重量为32 000 t。转体完成后，浇筑边跨合龙段，同步施工上塔柱剩余部分，同时利用桥面吊机悬拼主跨钢-混组合梁。

由于转体斜拉桥重心高，转体重量大，为提高转体过程中桥梁的抗倾覆稳定性，本桥转体系统创新采用齿轮齿轨式多点支撑转体系统，转体系统主要由中心球铰、6个驱动辅助支撑、6个常规撑脚、齿轨式滑道和控制系统组成，中心球铰设计承载2.8万t，每个辅助支撑按承载力1 000 t进行设计。驱动辅助支撑和常规撑脚沿齿轨式滑道均匀间隔布置(见图1)。转体前，通过千斤顶控制每个辅助支撑的反力在1 000 t，转体时利用控制柜同步启动驱动辅助支撑的变频电机及减速机带动齿轮转动，通过齿轮与齿条啮合带动转体结构转动，并由滚轮小车沿滑道滚动实现竖向荷载传递至滑道[12]。

图1 辅助支撑布置

3 模型试验方案设计

3.1 模型设计

试验模型综合考虑模型制作、加载能力、场地条件等因素，依据相似理论确定转体模型的缩尺比为1∶10。模型的主梁长度为5.50 m(混凝土梁)＋7.17 m(钢-混组合梁)，模型下塔柱依据缩尺比，遵循结构截面受力钢筋配筋率不变、配箍率不变的原则，各截面均满足刚度相似关系，试验模型如图2所示。试验模型与实桥的相似关系如表1所示。

图2 桥梁转体模型

表1 模型桥与实桥主要参数相似比

3.2 试验工况

辅助支撑是多点支撑转体系统的关键组成结构，其构造对于如何确保辅助支撑承载稳定及转体施工安全有重要影响，试验设计了三种辅助支撑结构形式:

(1)第一种结构形式:橡胶垫形式

采用千斤顶预压橡胶垫至所需力值后支设临时支撑块，随后拆卸千斤顶实现力值的加载。该结构由上部的橡胶垫、中部的钢垫板、下部的临时支撑块等组成(见图3)。橡胶垫结构的加载过程:千斤顶顶升至所需力值，临时支撑块上部加塞相应厚度的钢片(注:钢片厚度即为橡胶垫承受所需力值时的压缩量)，千斤顶卸载。

图3 橡胶垫形式结构构造

(2)第二种结构形式:千斤顶形式

千斤顶加载并在转体过程中承载的结构形式(见图4)，上部的橡胶垫替换为钢板，临时支撑块替换为千斤顶。

图4 千斤顶形式结构构造

(3)第三种结构形式:橡胶垫＋千斤顶形式

该结构形式与第二种结构形式的区别为仅将钢垫板换成橡胶垫形式，其结构形式如图5所示。

图5 橡胶垫＋千斤顶形式结构构造

3.3 试验监测

对每种结构形式的辅助支撑开展转体试验，每次试验转动角度为1.6 rad，转速控制为0.02 rad/min，在转体模型的关键结构部位(辅助支撑、上下转台)布设测点，监测转体过程中关键结构的应力和变形情况。在各辅助支撑表面(高度方向中点)布设3个应变测点测量辅助支撑的应力变化。在上球铰、下球铰与转盘接触面的外轮廓圆上分别均匀布置4个应变片，并取相对的2个应变片数据的平均值分别作为上、下球铰1、2号的应力数据。

4 辅助支撑结构形式对转体稳定性影响分析

从支腿应力、球铰应力以及牵引力三个方面综合分析辅助支撑结构形式对主梁转体稳定性的影响。采用应力变化率来表征转动过程中辅助支撑和球铰应力的变化，应力变化率定义为:转动时应力变化值与初始应力的比值，变化率为正表示压应力增大，为负表示压应力减小。

转体过程中对减速机扭矩进行实时监测记录，平均每5 min记录一次，最后一次为减速机停止时各小车扭矩数据，扭矩与转动牵引力的换算公式如式(1)所示:

式中，F为转动牵引力；N1～N6为6个辅助支撑的扭矩数值，即转动功率占额定功率比例。

4.1 支腿应力

图6为三种辅助支撑结构形式下辅助支撑应力变化曲线。从图中可知，采用千斤顶接触形式时支腿应力波动幅度最大，第1至6号支腿应力变化幅值分别为9.2%、23.1%、13.4%、37.5%、31.2%、13.6%；采用千斤顶＋橡胶垫和单独橡胶垫的接触形式时，辅助支撑应力变化幅值显著降低且波动情况较为接近，说明两种结构形式对辅助支撑的受力均匀性起到了较好的控制效果。

图6 支腿应力变化

支腿应力变化主要由两个原因造成:滑道的不平顺以及转体重量的不平衡。采用千斤顶时，千斤顶和钢板与主梁为刚性接触，两者之间没有缓冲，因此造成了较大的应力波动。当采用千斤顶＋橡胶垫和橡胶垫时，钢板替换为橡胶垫，橡胶垫具有弹性，在一定程度会减小滑道不平顺、偏载等原因引起的应力变化，从而使辅助支撑受力更均匀。对比千斤顶＋橡胶垫和橡胶垫两种支腿接触形式，带千斤顶转动时需要油管跟随转动，有一定危险性，综合考虑采用单独橡胶垫的结构形式更为合理。

4.2 球铰应力

支腿结构形式对球铰应力变化的影响如图7所示。从图7中可以看出:不同工况的球铰应力变化趋势基本保持一致，说明支腿结构形式基本不改变转动过程中球铰的应力变化规律。进一步对上、下球铰应力变化进行分析可以发现，采用千斤顶支腿形式的球铰应力波动最为明显，而采用千斤顶＋橡胶垫或者单独橡胶垫时，应力波动幅值明显降低；以上球铰2号应力变化为例，采用千斤顶支腿形式时应力变化幅度最大，最大为28.6%，橡胶垫应力变化率变化幅度最小，仅为15.8%。

图7 球铰应力变化

球铰是主梁转动过程中主要承力构件，其应力的变化可以反映桥梁转体的稳定性。采用千斤顶＋橡胶垫和单独橡胶垫时，辅助支撑受滑道不平顺和偏载的影响降低，其受力更为均匀，承力支撑和球铰竖向受力分配模式更为稳定，因此球铰应力变化幅值降低，转体稳定性得到提高。

4.3 转体牵引力

桥梁转动时不同工况下驱动牵引力变化如图8所示。由图8可知:随着桥梁转动角度的变化，牵引力基本围绕一定数值上下波动。三种工况中，千斤顶＋橡胶垫工况和单独千斤顶工况的初始牵引力基本一致，而单独橡胶垫的牵引力比其他两种工况约小600 N，这主要是由于采用带千斤顶转动时，千斤顶对辅助支撑施加了附加的压力，导致辅助支撑的摩擦力增大，进而增大所需的牵引力；采用单独橡胶垫的形式时，在顶升到位安装橡胶垫后，千斤顶将拆除，此时橡胶垫会发生一定压缩，千斤顶附加的压力消失，因此牵引力更小。此外，采用单独橡胶垫的形式时，牵引力的波动幅度低，牵引力的变化结果与辅助支撑应力变化和球铰应力变化的结果相吻合，结果表明采用橡胶垫支腿形式有一定优势，辅助支撑受力更为均匀，且桥梁转动更加稳定。