華勇，黃鵬，胡偉邦，陳誠(chéng)

(中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430000)

移動(dòng)模架作為一種大型施工裝備，適應(yīng)不同墩高不同地形的現(xiàn)澆箱梁施工。在施工環(huán)境、邊界條件復(fù)雜的情況下，如臺(tái)風(fēng)多發(fā)環(huán)境、平曲線及空間限制時(shí)，對(duì)移動(dòng)模架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工提出了新要求。通常，移動(dòng)模架設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)荷載不作為結(jié)構(gòu)形式的主要考慮因素，而在臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)的跨海橋梁施工時(shí)，為使移動(dòng)模架滿足施工期抗風(fēng)要求，需研究風(fēng)荷載對(duì)移動(dòng)模架穩(wěn)定性的影響。在應(yīng)對(duì)曲線箱梁施工時(shí)這種特定的抗風(fēng)結(jié)構(gòu)的施工難度也相應(yīng)增加，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮選用合理的結(jié)構(gòu)形式。

1 工程概況

1.1 現(xiàn)澆箱梁概況

海南海口鋪前大橋文昌側(cè)引橋上部結(jié)構(gòu)為左右雙幅單箱雙室現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，其中1～3聯(lián)橋跨布置為4×30 m，分為(66+54) m兩個(gè)節(jié)段澆筑；4～6聯(lián)為5×30 m，分為(66+60+24) m 3個(gè)節(jié)段澆筑，平曲線半徑為1 200 m。墩身為花瓶形(圖1)，墩頂寬度9.8 m，左右幅墩身凈間距6.45 m，最大墩高35 m。

圖1 墩身一般構(gòu)造圖(單位：cm)

1.2 風(fēng)環(huán)境

輔前大橋項(xiàng)目位于威馬遜17級(jí)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)登陸區(qū)，設(shè)計(jì)基本風(fēng)速49.5 m/s，為目前中國(guó)橋梁設(shè)計(jì)最大風(fēng)速。4～10月均可出現(xiàn)10級(jí)以上大風(fēng)，年最大風(fēng)速約25 m/s，極大風(fēng)速41.2 m/s。大于20 m/s的最大風(fēng)速主要出現(xiàn)在三季度。主導(dǎo)風(fēng)向隨季節(jié)轉(zhuǎn)換明顯。

2 施工重難點(diǎn)分析

針對(duì)該工程的施工條件，移動(dòng)模架設(shè)計(jì)及施工存在以下難點(diǎn)：

(1) 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)環(huán)境下移動(dòng)模架的抗風(fēng)要求高，常規(guī)的橫梁整體開合不能滿足施工要求。

(2) 墩身為花瓶形，上部較寬，導(dǎo)致過跨時(shí)主梁需要橫移較大距離方可避開墩身。而左右幅墩身凈間距較小，主梁無法橫移較大距離。

(3) 中央分隔帶僅0.5 m間隙，右幅移動(dòng)模架過跨時(shí)受左幅已澆筑箱梁的限制無法開合較大距離。

(4) 現(xiàn)澆箱梁最小平曲線半徑為1 200 m，移動(dòng)模架需要具備一定的旋轉(zhuǎn)能力，增加了過跨施工難度。

針對(duì)以上重、難點(diǎn)，需對(duì)移動(dòng)模架抗風(fēng)設(shè)計(jì)及曲線過跨兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

3 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)環(huán)境移動(dòng)模架抗風(fēng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為 49.5 m/s。工程區(qū)內(nèi)大風(fēng)狀況下風(fēng)速隨高度的變化呈冪指數(shù)規(guī)律分布，風(fēng)切變指數(shù)=0.155。工程區(qū)內(nèi)陣風(fēng)系數(shù)為 1.31，鋪前港的平均海平面高度為0.3 m。

根據(jù)JTG/T 3360-01-2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，橋梁或構(gòu)件基準(zhǔn)高度Z處的設(shè)計(jì)風(fēng)速按下式計(jì)算：

(1)

施工階段按20年一遇的設(shè)計(jì)風(fēng)速考慮：

Usd=ksfUd

(2)

式中：Ud為橋梁或構(gòu)件基準(zhǔn)高度Z處的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速(m/s)；kf為抗風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；Z為基準(zhǔn)高度，為相對(duì)值(m)；α0為橋址處的地表粗糙系數(shù)，海面取0.12；Us10為橋梁設(shè)計(jì)基本風(fēng)速(m/s)；Usd為施工階段設(shè)計(jì)風(fēng)速(m/s)；ksf為施工期抗風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，取值0.88。

根據(jù)式(1)、(2)得到該項(xiàng)目移動(dòng)模架施工時(shí)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速(高度35 m處20年重現(xiàn)期10 min平均最大風(fēng)速)為50.57 m/s。

3.2 移動(dòng)模架橫梁分組開合結(jié)構(gòu)

3.2.1 常規(guī)橫梁開合方案

移動(dòng)模架橫梁直接承受上部結(jié)構(gòu)荷載，通常位于主梁中部，無法相對(duì)主梁橫向移動(dòng)。故在縱移過跨時(shí)需要全部打開，避開墩身，開合方式為所有橫梁同步開合。這種結(jié)構(gòu)在該項(xiàng)目存在以下問題：

(1) 墩身上部較寬，主梁需橫移較大距離方可避開墩身，導(dǎo)致三角托架承受力矩大，不利于精軋螺紋鋼受力。

當(dāng)墩身為柱式墩時(shí)，整體開合式移動(dòng)模架橫梁僅需打開墩身寬度D即可滿足縱移要求。該項(xiàng)目墩身為花瓶形，墩頂寬度9.8 m。如圖2所示，當(dāng)墩身頂部較寬時(shí)，則移動(dòng)模架需要橫移較大的距離才能避開墩身，而這對(duì)牛腿結(jié)構(gòu)的受力非常不利，且該項(xiàng)目左右幅墩身距離較小(6.45 m)，整體開合距離受限。

(2) 橫梁整體開合，抗風(fēng)穩(wěn)定性差，不適用于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)地域施工。

整體開合式移動(dòng)模架兩側(cè)主梁及相連的橫梁和模板為單獨(dú)的兩組結(jié)構(gòu)(圖2)。為了保證移動(dòng)模架過孔安全，一般配重應(yīng)保證單側(cè)結(jié)構(gòu)橫向整體穩(wěn)定性大于1.5。縱移時(shí)對(duì)風(fēng)速有嚴(yán)格要求，6級(jí)風(fēng)以下方可縱移過跨。

該項(xiàng)目由于位于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)區(qū)，施工周期較長(zhǎng)，若采取橫梁同步開合的方案，突發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣對(duì)移動(dòng)模架過跨期間安全造成不利影響，為增加整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)保證過跨時(shí)盡量減小主梁橫移距離，研究橫梁分組開合的方案，主梁縱移時(shí)保證部分橫梁連接，橫梁通過主梁上的墊梁滑道橫向移動(dòng)，避開墩身，減小主梁打開的距離。

圖2 橫梁整體開合

3.2.2 橫梁分組開合技術(shù)

文昌側(cè)引橋墩身為花瓶形，上部寬度9.8 m，如果橫梁的開合方式采用單側(cè)整體開合，必將引起移動(dòng)模架橫向穩(wěn)定性的不足，為解決該問題，必須探討一種新的橫梁開合方式。

針對(duì)該工程難點(diǎn)，移動(dòng)模架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通過以下方案解決：

(1) 橫梁設(shè)置在主梁上方，主梁與橫梁采用插銷進(jìn)行鉸接連接，橫梁相對(duì)主梁可以橫向移動(dòng)，減小縱移過跨時(shí)主梁的橫移量。線路中心線與外側(cè)設(shè)置不等長(zhǎng)橫梁，解決左右幅墩身凈間距不足的問題。考慮左右側(cè)不等長(zhǎng)橫梁打開時(shí)由于懸臂結(jié)構(gòu)不利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，故一次只打開部分橫梁，保證了結(jié)構(gòu)整體性。

(2) 移動(dòng)模架縱移時(shí)橫梁需要打開避開墩身，而兩側(cè)橫梁打開后懸臂較長(zhǎng)主梁傾覆力矩較大，因此此移動(dòng)模架的設(shè)計(jì)思路是采用橫梁分組開合的方式，過跨時(shí)保持部分橫梁為連接狀態(tài)(圖3)。經(jīng)過計(jì)算在不需配重的情況下能夠滿足穩(wěn)定性要求。

如圖4所示，橫梁位于主梁上方，通過固定在主梁滑移支座上的千斤頂?shù)氖湛s和頂推實(shí)現(xiàn)橫梁的橫向移動(dòng)。同時(shí)，滑移支座設(shè)置反扣板限制橫梁懸臂狀態(tài)的豎向轉(zhuǎn)動(dòng)?？v移過跨時(shí)通過橫梁的橫移避開墩身，極大地減少了主梁橫移量，有利于三角托架受力。

3.3 抗傾覆穩(wěn)定性分析

(1) 常規(guī)整體開合(圖5)

傾覆力矩主要為風(fēng)載荷產(chǎn)生(按8級(jí)風(fēng)壓值計(jì)算)，傾覆產(chǎn)生的力矩Mw=2 029.75 kN·m。穩(wěn)定力矩由自重產(chǎn)生，穩(wěn)定力矩Mq=3 156.95 kN·m。

圖3 橫梁分組開合

圖4 橫梁與主梁連接示意圖

圖5 整體開合式移動(dòng)模架開模行走穩(wěn)定性計(jì)算

(2) 分組開合移動(dòng)模架抗風(fēng)穩(wěn)定性(圖6)

圖6 分組開合式移動(dòng)模架開模行走穩(wěn)定性計(jì)算

由于分組開合式移動(dòng)模架過跨時(shí)不需要整體打開，計(jì)算穩(wěn)定性時(shí)兩側(cè)主梁通過橫梁連接為整體。

傾覆力矩為風(fēng)載荷產(chǎn)生(按8級(jí)風(fēng)壓值計(jì)算)，傾覆產(chǎn)生的力矩Mw=3 493 kN·m。穩(wěn)定力矩由自重產(chǎn)生，穩(wěn)定力矩Mq=4.43×104kN·m。

通過對(duì)比可知，分組開合結(jié)構(gòu)形式移動(dòng)模架抗傾覆穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于整體開合式。

3.4 移動(dòng)模架動(dòng)力特性分析

采用大型通用軟件Ansys對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行分析，其中主梁、橫梁和導(dǎo)梁采用Beam188 單元模擬，對(duì)移動(dòng)模架的主體結(jié)構(gòu)按實(shí)際工作情況進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化處理，對(duì)移動(dòng)模架的主梁、橫梁和導(dǎo)梁分別單獨(dú)計(jì)算分析。

在Ansys中進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算主梁、橫梁和導(dǎo)梁的前10階振型，結(jié)果如表1所示。

表1 主梁、橫梁和導(dǎo)梁動(dòng)力特性

由表1可知：主梁和橫梁、導(dǎo)梁的結(jié)構(gòu)扭彎頻率比值都大于 1，顫振形態(tài)矢量不斷向扭轉(zhuǎn)自由度軸偏移，表明豎向自由度的參與程度不斷降低，顫振的發(fā)生過程中扭轉(zhuǎn)和豎向自由度的耦合程度也不斷減弱。因此，移動(dòng)模架不易發(fā)生顫振失穩(wěn)現(xiàn)象。

3.5 移動(dòng)模架顫振穩(wěn)定性分析

根據(jù)JTG/T 3360-01-2018《公路橋涵抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，施工階段結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的顫振穩(wěn)定性按式(3)檢驗(yàn)：

Uf>γfγtγαUsd

(3)

式中：Uf為橋梁或構(gòu)件施工階段的顫振臨界風(fēng)速(m/s)；γf為顫振穩(wěn)定性分項(xiàng)系數(shù)，該項(xiàng)目取1.4；γt為風(fēng)速脈動(dòng)空間影響分項(xiàng)系數(shù)，該項(xiàng)目取1.3；γα為攻角效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)，取1.0；Usd為構(gòu)件基準(zhǔn)高度處施工階段的設(shè)計(jì)風(fēng)速(m/s)，取50.57 m/s。

計(jì)算得顫振臨界風(fēng)速：

主梁的顫振臨界風(fēng)速：Uf=7.5ftBh=7.5×4.279×11=353 m/s>92.365 m/s

導(dǎo)梁的顫振臨界風(fēng)速：Uf=7.5ftBh=7.5×9.590 4×2=143.856 m/s>92.365 m/s

3.6 移動(dòng)模架非線性靜風(fēng)穩(wěn)定性分析

依據(jù)科研單位風(fēng)洞試驗(yàn)所測(cè)移動(dòng)模架靜力三分系數(shù)，在綜合考慮靜風(fēng)荷載非線性、結(jié)構(gòu)幾何非線性基礎(chǔ)上，采用有限元軟件Ansys對(duì)移動(dòng)模架進(jìn)行非線性靜風(fēng)穩(wěn)定性全過程分析，得出靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速。有限元模型與動(dòng)力特性模型相同，但此處要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行循環(huán)加載，直至結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的三分力系數(shù)變化，導(dǎo)致荷載不斷變化直至變形不斷增大出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。

當(dāng)荷載施加到100 m/s時(shí)，移動(dòng)模架的導(dǎo)梁出現(xiàn)橫向失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)不再收斂，達(dá)到極限狀態(tài)，移動(dòng)模架橫向、豎向位移云圖如圖7、8所示，整體應(yīng)力云圖見圖9。

圖7 移動(dòng)模架橫向位移云圖(單位：m)

圖8 移動(dòng)模架豎向位移云圖(單位：m)

由計(jì)算結(jié)果可知：移動(dòng)模架橫向臨界失穩(wěn)風(fēng)速為 100 m/s，移動(dòng)模架非線性靜風(fēng)穩(wěn)定性滿足要求。當(dāng)達(dá)到極限風(fēng)速時(shí)，移動(dòng)模架橫向最大變形為-0.42 m，發(fā)生在前導(dǎo)梁前端點(diǎn)處，豎直方向最大變形為0.07 m，發(fā)生在前導(dǎo)梁前端，整體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為153 MPa，發(fā)生在前導(dǎo)梁位置。

圖9 移動(dòng)模架整體應(yīng)力云圖(單位：Pa)

通過以上分析，分組開合式移動(dòng)模架能夠滿足設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速50.57m/s的施工要求。

4 分組開合移動(dòng)模架曲線過跨施工技術(shù)研究

4.1 常規(guī)曲線箱梁施工

常規(guī)的橫梁整體開合式移動(dòng)模架過跨時(shí)橫梁與主梁同時(shí)開合，兩側(cè)主梁相對(duì)獨(dú)立，導(dǎo)梁與主梁采用鉸接連接，通過導(dǎo)梁與主梁之間的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使導(dǎo)梁向曲線內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)一定角度，調(diào)整縱移過跨時(shí)的平面偏位(圖10)。

圖10 導(dǎo)梁旋轉(zhuǎn)示意圖

4.2 分組開合式移動(dòng)模架曲線過跨方式

橫梁分組開合式移動(dòng)模架在縱移過跨時(shí)部分橫梁仍保持連接狀態(tài)，使得兩側(cè)主梁縱移及調(diào)整偏位時(shí)必須保持高度同步，避免主梁與橫梁產(chǎn)生扭矩，當(dāng)主梁與導(dǎo)梁之間存在夾角，沿導(dǎo)梁方向前進(jìn)時(shí)主梁會(huì)向曲線內(nèi)側(cè)偏移，導(dǎo)致橫梁與墩身產(chǎn)生干擾。該項(xiàng)目移動(dòng)模架通過技術(shù)改進(jìn)，使臺(tái)車與滑架之間可以旋轉(zhuǎn)一定角度，通過前后墩臺(tái)車同步反向橫移多次調(diào)整移動(dòng)模架軸線，實(shí)現(xiàn)了分組開合式移動(dòng)模架曲線過跨。

步驟1：打開部分橫梁。制梁完成后，卸落主千斤頂，打開部分橫梁，如圖11所示。

步驟2：縱移15 m。利用前墩縱移油缸將移動(dòng)模架向前推進(jìn)15 m，油缸每次步進(jìn)700 mm(圖12)。

圖11 橫梁分組開合

圖12 移動(dòng)模架整體縱移

步驟3：合橫梁，調(diào)整移動(dòng)模架軸線。前導(dǎo)梁前移至n+3號(hào)墩，且后導(dǎo)梁脫離n號(hào)墩墩旁托架后，以n+2號(hào)墩為轉(zhuǎn)點(diǎn)，n+1號(hào)墩兩套支承臺(tái)車同步向線路中心外側(cè)橫移；n+3號(hào)墩兩套臺(tái)車同時(shí)同步向線路中心內(nèi)側(cè)橫移(圖13)。

圖13 軸線調(diào)整

軸線調(diào)整完成后完成首個(gè)橫梁開合循環(huán)，移動(dòng)模架縱移60 m總共經(jīng)過4次開合循環(huán)達(dá)到制梁位置。

5 結(jié)論

通過對(duì)海南鋪前大橋強(qiáng)臺(tái)風(fēng)小曲率半徑現(xiàn)澆箱梁移動(dòng)模架設(shè)計(jì)及施工方面的系統(tǒng)研究，在保證工程順利實(shí)施的前提下，得出以下結(jié)論：

(1) 針對(duì)橫梁整體開合和分組開合兩種形式的移動(dòng)模架抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行分析，前者雖達(dá)到規(guī)范要求但沒有富余量，難以保證強(qiáng)臺(tái)風(fēng)區(qū)施工安全。

(2) 研發(fā)了分組開合式移動(dòng)模架，通過縱移過跨時(shí)保持部分橫梁為連接狀態(tài)，增強(qiáng)了移動(dòng)模架縱移過跨時(shí)的穩(wěn)定性，考慮作業(yè)人員高空施工，移動(dòng)模架可在不大于7級(jí)風(fēng)況條件下正常作業(yè)。

(3) 通過橫梁相對(duì)主梁可以橫向移動(dòng)的設(shè)計(jì)，減小了縱移過跨時(shí)主梁的橫移量，改善了三角托架受力；通過兩側(cè)橫梁不等長(zhǎng)設(shè)計(jì)，解決左右幅墩身凈間距不足的問題。

(4) 經(jīng)過技術(shù)改進(jìn)，使臺(tái)車與滑架之間可以旋轉(zhuǎn)一定角度，縱移時(shí)前后墩臺(tái)車同步反向橫移對(duì)移動(dòng)模架軸線進(jìn)行多次調(diào)整，使移動(dòng)模架沿圓曲線的切線方向移動(dòng)，使移動(dòng)模架既能滿足抗風(fēng)要求，又能實(shí)現(xiàn)曲線過跨。