羅力軍

(中鐵大橋局集團武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司　武漢　430034)

跨既有線大跨度曲線梁橋平轉(zhuǎn)牽引力和摩阻系數(shù)測試分析研究

羅力軍

(中鐵大橋局集團武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司武漢430034)

摘要在大跨度曲線梁橋平轉(zhuǎn)施工中，發(fā)現(xiàn)按照常規(guī)計算公式計算的理論牽引力和摩阻系數(shù)與實測數(shù)據(jù)存在較大的偏差，為解決這一問題，有必要進行針對性的牽引力和摩阻系數(shù)測試分析研究。通過對不同結(jié)構(gòu)支撐形式及轉(zhuǎn)體形式建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，進行公式推導(dǎo)和計算，并與實測數(shù)據(jù)進行比較分析，歸納總結(jié)出準(zhǔn)確可靠且易于今后工程采納的牽引力計算方法。同時對轉(zhuǎn)體橋球鉸安裝施工提出合理化建議。

關(guān)鍵詞既有線曲線梁橋平轉(zhuǎn)牽引力摩阻系數(shù)分析研究

隨著城市市政高架橋建設(shè)的大力投入，越來越多的涉鐵項目得到開展。為了保證既有鐵路線的正常運營和盡量少地干擾既有鐵路線的運營，平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體施工法得到越來越廣泛的應(yīng)用。在城市市政高架橋建設(shè)中，跨既有線平轉(zhuǎn)施工橋梁上部結(jié)構(gòu)一般為寬箱梁連續(xù)梁或者剛構(gòu)橋，平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動系統(tǒng)由支撐體系、轉(zhuǎn)動牽引體系和平衡體系組成。支撐體系為上、下轉(zhuǎn)盤和連接結(jié)構(gòu)體；連接結(jié)構(gòu)體主要有球鉸、撐角等[1]。轉(zhuǎn)動牽引體系為2組預(yù)埋在上轉(zhuǎn)盤的鋼絞線、反力座和大噸位連續(xù)千斤頂。平衡體系為橋面設(shè)置部分配重后和上部結(jié)構(gòu)及球鉸摩阻力一起達到自我平衡。

在轉(zhuǎn)體過程中，如果牽引力計算不準(zhǔn)確，則可能產(chǎn)生如下后果：

(1) 實際平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體牽引力小于預(yù)估(或計算)最小值，轉(zhuǎn)體能正常進行，但采用較笨重的設(shè)備進行轉(zhuǎn)體施工造成施工效率和經(jīng)濟效益低下。

(2) 實際平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體牽引力大于預(yù)估(或計算)最大值，轉(zhuǎn)體不能正常進行，由于預(yù)估不足而在結(jié)構(gòu)上施加過大的力，可能造成結(jié)構(gòu)損壞或無法轉(zhuǎn)體到位。

在平轉(zhuǎn)牽引力計算時根據(jù)不同的支撐形式及轉(zhuǎn)體形式等實際情況，認真分析其受力情況，采用數(shù)學(xué)方法進行分析，并與正式轉(zhuǎn)體實測數(shù)據(jù)進行比較分析[2]。

1平轉(zhuǎn)牽引力計算

平轉(zhuǎn)牽引力計算方法采用力矩平衡的原則進行，即平轉(zhuǎn)牽引力力矩與平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動摩阻力矩大小相等。采用平面積分法進行公式推導(dǎo)：平面積分法計算時假定撐角與滑道、上下球鉸均為全面積接觸，忽略因滑片布置引起的接觸空隙[3]。

全面積接觸面都可以視為無數(shù)部分微圓環(huán)積分而成，見圖1。部分圓環(huán)可以簡化為一小矩形微元，微元面積rdθdr，微元所受壓力力臂為r。

圖1　平面積分面積微元

由積分推導(dǎo)出球鉸處摩阻力矩M1為

(1)

撐角(單個)處摩阻力矩M2為

(2)

根據(jù)力矩平衡方程

M1+M2=Fl

最終牽引力F為

(3)

式中：p為支撐體系單位面積所受壓力；μ1為球鉸處摩阻系數(shù)；μ2為撐角與滑道摩阻系數(shù)；R0為球鉸平面半徑；R1為撐角內(nèi)半徑，R2為撐角外半徑；l為牽引力力臂；F為牽引力。

球鉸摩阻系數(shù)一般取靜摩阻系數(shù)為0.10～0.12，動摩阻系數(shù)為0.06～0.09；撐角與滑道摩阻系數(shù)一般取靜摩阻系數(shù)為0.05，動摩阻系數(shù)為0.03～0.04[4]。

2平轉(zhuǎn)牽引力計算簡化

一般轉(zhuǎn)體橋施工球鉸安裝外包給有資質(zhì)、有經(jīng)驗的專業(yè)單位安裝施工，基本能保證球鉸安裝精度滿足設(shè)計要求，轉(zhuǎn)體前拆除球鉸處的臨時固結(jié)后，能保證撐角與滑道的間隙位于5～35mm[5]。筆者參與的2座曲線寬箱梁連續(xù)梁橋轉(zhuǎn)體施工，轉(zhuǎn)體前通過合理的配重和拆除球鉸臨時固結(jié)順序，能保證撐角與滑道脫空，上部結(jié)構(gòu)荷載完全由球鉸承受，即支撐形式變?yōu)榍蜚q獨立支撐、小偏心轉(zhuǎn)體。則式(3)簡化為

(4)

式(4)與《公路橋涵施工規(guī)范》(JTGTF50-2011)中的轉(zhuǎn)體牽引力計算公式一致。同時說明了“規(guī)范中”的牽引力計算公式僅適合于“轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)自重由球鉸獨立承擔(dān)，撐角不參與受力”的情況。

撐角與滑道存在接觸，上部結(jié)構(gòu)荷載不完全由球鉸承受，即支撐形式變?yōu)榍蜚q和撐角共同支撐、大偏心轉(zhuǎn)體。計算平轉(zhuǎn)牽引力時按照式(3)計算。

因此在轉(zhuǎn)體橋牽引力設(shè)計時建議：正常轉(zhuǎn)體牽引力設(shè)計值取式(4)計算值，不考慮撐角參與受力；備用助推設(shè)備頂推力考慮全部撐角受力，取式(3)計算值。

3平轉(zhuǎn)牽引力實測值與理論計算值

鸚鵡洲長江大橋梅家山跨鐵路主線橋上跨京廣鐵路，采用平面轉(zhuǎn)體法施工。主線橋采用50m+85m+50m變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁體系，橋面寬26.0～35.0m，梁高2.5～5.0m。轉(zhuǎn)體總噸位10 000t，球鉸球半徑7.0m，平面半徑1.75m。

現(xiàn)場測試的轉(zhuǎn)體牽引力實測值見表1。

表1　正式轉(zhuǎn)體實測數(shù)據(jù)

正式轉(zhuǎn)體前進行了1.8°的試轉(zhuǎn)，試轉(zhuǎn)時初次啟動力為1 080kN，正式轉(zhuǎn)體時啟動力為550kN。試轉(zhuǎn)時，結(jié)構(gòu)在初始啟動時因放置時間較長，影響牽引力大小的因素很多，啟動力會比較大。本橋轉(zhuǎn)體初次啟動力約為正式轉(zhuǎn)體啟動力的1倍，與其他文獻數(shù)據(jù)2倍吻合[6]；正式轉(zhuǎn)體時啟動力550kN，理論計算值為1 341.0kN，實測牽引力計算所得最大靜摩阻系數(shù)μ=0.041 1。正式轉(zhuǎn)體中間過程牽引力大小穩(wěn)定，轉(zhuǎn)體過程平穩(wěn)，牽引力平均值F=404.9kN，理論計算值為804.6kN，實測牽引力計算所得動摩阻系數(shù)u=0.030 2。

由計算值與實測數(shù)據(jù)對比可知，實測的牽引力小于計算值，換算摩阻系數(shù)小于設(shè)計一般取值。由于球鉸安裝精度較高，初始安裝時撐角與滑道間隙2.5～3.5cm，拆除球鉸臨時固結(jié)(一般為砂桶)時按照對稱平穩(wěn)拆除，基本使上球鉸自由下落，能保證撐角與滑道間隙1.5～2.5cm，荷載主要由球鉸承受，撐角不參與受力，總體牽引力較小。同時可知，平面積分法計算的牽引力具有較大的安全儲備，能保證梁體的正常轉(zhuǎn)體，可以在實際牽引力設(shè)計時采用此方法。

4結(jié)論

(1) 寬箱梁曲線梁橋平轉(zhuǎn)施工，在施工過程中通過合理控制，在初始安裝球鉸間隙設(shè)置為2.5～3.5cm，拆除球鉸臨時固結(jié)(一般為砂桶)時按照對稱平穩(wěn)拆除，基本使球鉸自由下落，能保證成橋與滑道間隙1.5～2.5cm，荷載主要由球鉸承受，能實現(xiàn)更安全、更容易的轉(zhuǎn)體施工。

(2) 牽引力設(shè)置時，可以按照球鉸獨立受力設(shè)置牽引力大小，按照撐角全部參與受力設(shè)置備用助推裝置頂推力，不需要設(shè)置過大的牽引裝置和設(shè)備，可以得到較高的施工效率和經(jīng)濟效益。

(3) 實測靜摩阻系數(shù)和動摩阻系數(shù)較設(shè)計值偏小，與其他文獻資料吻合，設(shè)計摩阻系數(shù)可以在轉(zhuǎn)體施工中適當(dāng)偏小取值。

(4) 規(guī)范中的牽引力計算公式只適用于球鉸獨立受力時的情況，不能盲目照搬規(guī)范上的公式，需要根據(jù)實際情況考慮是否撐角參與受力而采用新的公式計算。

參考文獻

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[2]郭寧,封衛(wèi)江.橋梁轉(zhuǎn)體施工過程中頂推力的計算和應(yīng)用[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008(2):230-232.

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[4]JTGTF50-2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2011.

[5]申國朝.鄭州市解放路跨線橋主橋設(shè)計與施工[J].橋梁建設(shè),2012(5):57-62.

[6]孫全勝,王立峰,孫永存,等.萬噸級斜拉橋水平轉(zhuǎn)體施工監(jiān)測[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版,2007(3):400-403.

Testing,AnalysisandStudyofHaulingForcesandFrictionalResistance

CoefficientsforSwivelErectionofLongSpanCurved

BeamBridgesSpanningExistingRailwayLines

Luo Lijun

(BridgeScienceResearchInstituteLtd.,ChinaRailwayMajorBridgeEngineeringGroup,Wuhan430034,China)

Abstract：Intheconstructionofswivelerectionofthelongspancurvedbeambridges,ithasbeenfoundthatthetheoretichaulingforcesandfrictionalresistancecoefficientscalculatedaccordingtotheroutineformulaediffergreatlyfromthedatameasuredinthefields.Toresolvetheproblemofthedifference,itisnecessarytotest,analyzeandstudytheforcesandcoefficientsaccordingtothespecificcases.Bywayofestablishingthecorrespondingmathematicalmodelsforthedifferentstructuralsupportsanddifferentcasesoftheswivelerection,therelevantformulaearededucted,calculated,theresultsofthecalculationarecomparedtothemeasureddataandanalyzedandthecalculationmethodsfortheforcesandcoefficientsthatarecorrect,reliableandareeasilyappliedtothefutureconstructionaresummarized.

Keywords:existingrailwayline;curvedbeambridge;swivelerection;haulingforce;frictionresistancecoefficient;analysisandstudy

收稿日期：2014-11-10

ResearchonReconstructionSchemeofLushui
SecondBridgeofNationalHighwayG107inChibi

Yan Shaobo

(HubeiProvincialTransportPlanningandDesignInstitute,Wuhan430051,China)

Abstract：The main technical standards of engineering and construction project combined with the project of Lushui Second Bridge's demolition and reconstruction in Chibi are introduced in this paper and the construction method of cast-in-place cantilever is compared with that of full support, considering various factors of the full use of support construction period, cost and the construction scheme of the main bridge. The influence of prestressed steel arrangement on the box girder structure stress is analyzed through the finite element analysis software. The results show that full support method can not only shorten the construction period but also make full use of construction facilities. Under certain conditions, the full support method has its unique advantages.

Key words:full support method; cast-in-place cantilever construction; structure stress analysis

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.016