楊曉軍
(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司 山西太原 030032)
新建橋梁中,為減少跨既有線施工對交通運輸?shù)母蓴_,連續(xù)梁的施工通常采用轉(zhuǎn)體施工方法[1-2]。橋梁轉(zhuǎn)體施工是在非設(shè)計軸上澆筑或拼裝部分結(jié)構(gòu),然后使用轉(zhuǎn)動系統(tǒng)將完成的橋梁結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到設(shè)計位置,并將其合龍成一個整體結(jié)構(gòu)[3]。橋梁轉(zhuǎn)體施工的關(guān)鍵取決于轉(zhuǎn)動系統(tǒng),最常用的是球鉸[4]。在轉(zhuǎn)體過程中,靜摩阻系數(shù)直接影響橋梁轉(zhuǎn)動時需要的牽引力,同時還會影響轉(zhuǎn)體平穩(wěn)到位時慣性轉(zhuǎn)動距離[5]。轉(zhuǎn)體橋梁上部結(jié)構(gòu)在總質(zhì)量不變的情況下,球鉸的摩阻系數(shù)決定了抗傾覆力矩的大小,由此可見,球鉸摩阻系數(shù)對轉(zhuǎn)體橋的安全穩(wěn)定性至關(guān)重要[6-8]。
我國使用的球鉸靜摩阻系數(shù)在0.018~0.06之間[9-11],取值范圍較大,新建轉(zhuǎn)體橋梁無法直接選取使用。本文以霸王河1號特大橋為研究對象,計算考慮風(fēng)荷載時,不同靜摩阻系數(shù)對轉(zhuǎn)體橋轉(zhuǎn)體前和解除固定約束后三跨連續(xù)剛構(gòu)橋的施工穩(wěn)定性影響。
集包鐵路增建第二雙線霸王河1號特大橋位于R=1 600 m的曲線上,在DyK501+126(1#墩)~DyK501+226(2#墩)位置與既有京包鐵路相交跨越,連續(xù)梁部分跨度為(60+100+60)m,采用懸臂澆筑施工后進(jìn)行轉(zhuǎn)體合龍的施工方法。橋梁主墩截面形式為變截面矩形雙肢墩,順橋向墩身寬度為6 m。主梁為單箱四室截面,箱梁高度及底板厚度縱橋向按二次拋物線變化,主墩支點處梁高6.4 m,跨中梁高2.5 m,箱梁頂寬30.5 m,底寬由22.03 m漸變至19.42 m。主梁為全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),采用三向預(yù)應(yīng)力,轉(zhuǎn)體重量13 500 t,設(shè)計轉(zhuǎn)體角度為28°。主橋立面圖如圖1所示。
圖1 主橋立面圖(單位:cm)
通過查閱當(dāng)?shù)貧夂蚯闆r,選取6級風(fēng)(風(fēng)速采用13.8 m/s)進(jìn)行計算,根據(jù)靜陣風(fēng)風(fēng)速:
其中GV取值為1.307 2,則可知:
式中Z2=19.4 m,地面粗糙度系數(shù)α取值為0.16。由現(xiàn)場實際情況可得VZ1=13.8 m/s。
由于橋梁施工時間未滿3年,按照規(guī)范,應(yīng)采用不低于5年重現(xiàn)期的風(fēng)速[12],為確保安全,兼顧考慮施工現(xiàn)場的實際風(fēng)速,選取不低于10年重現(xiàn)期的風(fēng)速進(jìn)行計算,重現(xiàn)期系數(shù)為0.84,最終風(fēng)速Vg=0.84×20=16.8 m/s。
橫橋向主梁單位長度上的橫向靜陣風(fēng)荷載計算如下:
阻力系數(shù)CH計算如下:
根據(jù)以上分析,主梁單位長度上橫向靜陣風(fēng)荷載:
作用在主梁橫橋向的風(fēng)荷載P=1 480.5×110 N=162.8 kN。
由以上計算可得,主梁橫橋向風(fēng)荷載為162.8 kN,橋墩風(fēng)荷載按照式(1)計算如下:
其中GV取值為1.345,Z2=13 m,根據(jù)式(2)得:
由此可得橋墩的靜陣風(fēng)風(fēng)速為:
橋墩靜陣風(fēng)荷載計算公式如下:
由于橋墩在橫橋向有t/b=0.17,因此CH=2.1,橋墩高度13 m,寬度2.2 m,計算可得橋墩在順風(fēng)向的投影面積An=2.2×13=28.6 m2。通過以上分析,橋墩靜陣風(fēng)荷載FZ=0.5×1.25×19.42×2.1×28.6=14.1 kN。
橋梁轉(zhuǎn)體之前的連接基于球鉸與下部基礎(chǔ)之間,因此風(fēng)荷載增大至相應(yīng)值后,將會導(dǎo)致橋梁上部結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)動,較大的風(fēng)荷載將產(chǎn)生較大的傾覆力矩,若球鉸的摩阻效應(yīng)產(chǎn)生的力矩?zé)o法克服風(fēng)荷載傾覆力矩,轉(zhuǎn)體橋就會有傾覆危險性。只有當(dāng)風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆力矩小于球鉸摩阻提供的最大力矩時,才可以保證轉(zhuǎn)體橋梁的穩(wěn)定性。
主梁風(fēng)載對轉(zhuǎn)動球鉸圓心取矩為162.8×13.5=2 197.8 kN·m;橋墩風(fēng)載對轉(zhuǎn)動球鉸圓心取矩為14.1×3.5=49.3 kN·m;風(fēng)載在橫橋向產(chǎn)生的合力矩為2 297.8+49.3=2 347.1 kN·m。
霸王河1號特大橋橋梁跨徑小于200 m,為實體墩,主梁順橋向單位長度的風(fēng)荷載取橫橋向的0.25倍,因此縱橋向單位長度風(fēng)荷載FZ=0.25FH=0.25×1 480.5=370.1 N/m。
主梁高度6.4 m,寬30.5 m,則主梁縱橋向上的風(fēng)荷載370.1×6.4×30.5 N=72.2 kN。橋墩的縱橋向t/b=1.27,因此CH=2.0,主墩高為13 m,橋墩寬度取沿高度變截面的平均值16.5 m,計算順風(fēng)向橋墩的投影面An=1.5× 13.6+16.5×11.5=210.2 m2,縱向橋墩靜陣風(fēng)荷載FZ=0.5×1.25×19.42×2×210.2 N=98.9 kN。
主梁縱橋向風(fēng)荷載作用對轉(zhuǎn)動球鉸圓心力矩72.2×13.5=974.7 kN·m。橋墩縱橋向風(fēng)荷載作用對轉(zhuǎn)動球鉸圓心力矩98.9×3.5=346.1 kN·m。風(fēng)荷載在縱橋向產(chǎn)生的合力矩974.7+346.1=1 320.8 kN·m。
轉(zhuǎn)體橋球鉸上部重量為13 500 t,球鉸半徑8 m,當(dāng)靜摩阻系數(shù)取0.015時,轉(zhuǎn)體橋的穩(wěn)定力矩為13 500×10×8× 0.015=16 200 kN·m。計算從0.015~0.06的摩阻系數(shù)條件下的轉(zhuǎn)體橋抗傾覆力矩如表1所示。
表1 不同靜摩阻系數(shù)對應(yīng)的抗傾覆力矩
風(fēng)荷載在橫橋向產(chǎn)生的合力矩為2 347.1 kN·m。當(dāng)靜摩阻系數(shù)為0.015時,橫橋向穩(wěn)定安全系數(shù)為16 200/2 347.1=6.9。表2為從0.015~0.06的摩阻系數(shù)條件下計算得到的轉(zhuǎn)體橋橫橋向安全穩(wěn)定系數(shù)。計算結(jié)果表明,轉(zhuǎn)體施工前在橫橋向風(fēng)荷載作用下能夠保證其穩(wěn)定性。
表2 不同靜摩阻系數(shù)對應(yīng)的橫橋向穩(wěn)定安全系數(shù)
風(fēng)荷載在縱橋向產(chǎn)生的合力矩為1 320.8 kN·m。將摩阻系數(shù)取值為0.015計算得到的縱橋向穩(wěn)定安全系數(shù)為16 200/1 320.8=12.26。表3所示為靜摩阻系數(shù)以0.05為增量,由0.015增加到0.06時計算的縱向穩(wěn)定安全系數(shù)。結(jié)果表明,在轉(zhuǎn)體施工前,縱向風(fēng)荷載作用下,其穩(wěn)定性是可以保證的。
表3 不同靜摩阻系數(shù)對應(yīng)的縱橋向穩(wěn)定安全系數(shù)
由于橋梁的橫橋向迎風(fēng)面積大于縱橋向迎風(fēng)面積,風(fēng)荷載對縱向穩(wěn)定性的影響有限,但不平衡彎矩對橋梁的縱向穩(wěn)定性有影響。因此,在考慮風(fēng)荷載和不平衡力矩的情況下,對橋梁轉(zhuǎn)彎前的縱向穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,此處共選取1‰、2‰、3‰、4‰、5‰、6‰、7‰、8‰、9‰、10‰十種不平衡重量。
4.4.1 考慮不平衡引起的傾覆力矩
假設(shè)T構(gòu)的右側(cè)存在不平衡重,以上10種不平衡重情況分別對轉(zhuǎn)動球鉸的圓心取矩,得到的傾覆力矩如表4所示。
表4 不平衡重產(chǎn)生的縱向傾覆力矩
4.4.2 縱橋向穩(wěn)定性分析
當(dāng)同時存在縱橋向風(fēng)荷載和懸臂橋一側(cè)不平衡重時,轉(zhuǎn)體橋的安全穩(wěn)定性比以上兩種因素單獨存在時更差。表5考慮兩種不利條件對轉(zhuǎn)體橋安全性和穩(wěn)定性的影響。計算了兩種不利條件下的傾覆力矩總值和轉(zhuǎn)體橋縱向安全穩(wěn)定系數(shù)。
表5 兩種不利情況組合下縱橋向安全穩(wěn)定性系數(shù)
通過表5可以看出,同時考慮不平衡重和風(fēng)荷載時,轉(zhuǎn)體橋的安全穩(wěn)定系數(shù)比單獨考慮風(fēng)荷載時變化較大,說明轉(zhuǎn)體橋的施工穩(wěn)定性受不平衡重的影響較大。以靜摩阻系數(shù)0.015為例,當(dāng)不平衡重為4‰時,橋梁安全穩(wěn)定性系數(shù)為1.09,達(dá)到了臨界狀態(tài),表明橋梁懸臂兩端的不平衡重為29.6 t時,傾覆力矩大于抗傾覆力矩,在風(fēng)荷載作用下轉(zhuǎn)體橋?qū)詣影l(fā)生偏轉(zhuǎn)。靜摩阻系數(shù)達(dá)到0.03,不平衡重為7‰時,安全穩(wěn)定性系數(shù)為1.30,橋梁懸臂兩端不平衡重為49.8 t,接近其臨界值,無法保證轉(zhuǎn)體穩(wěn)定性。隨著靜摩阻系數(shù)繼續(xù)增大至0.035時,不平衡重為10‰,橋梁懸臂兩端的不平衡重為70.1 t,轉(zhuǎn)體橋能夠保證安全,在風(fēng)荷載作用下不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)靜摩阻系數(shù)>0.035時,轉(zhuǎn)體橋結(jié)構(gòu)安全系數(shù)增大,但是當(dāng)靜摩阻系數(shù)增大時,對牽引系統(tǒng)啟動牽引力的要求會隨之增加。
以上安全穩(wěn)定系數(shù)未考慮轉(zhuǎn)體施工時現(xiàn)場重型車輛振動、風(fēng)的動力效應(yīng)、周圍環(huán)境等不確定因素,說明計算值涵蓋不全面,與實際相比會有誤差。因此,為了保證橋梁轉(zhuǎn)體過程中的安全穩(wěn)定,當(dāng)轉(zhuǎn)體橋球鉸靜摩阻系數(shù)為0.015~0.02時,T構(gòu)懸臂兩端的不平衡重應(yīng)≤4‰;當(dāng)靜摩阻系數(shù)為0.02~0.025時,T構(gòu)懸臂兩端的不平衡重應(yīng)≤5‰;而當(dāng)靜摩阻系數(shù)>0.025時,T構(gòu)懸臂兩端的不平衡重應(yīng)控制在6‰以內(nèi)。
本文以轉(zhuǎn)體施工的三跨連續(xù)剛構(gòu)為例,通過計算分析了轉(zhuǎn)動體系中球鉸的摩阻系數(shù)及其對轉(zhuǎn)體施工安全穩(wěn)定性的影響,得出如下結(jié)論:
(1)當(dāng)轉(zhuǎn)體橋處于平衡狀態(tài)時,在風(fēng)荷載≤6級作用下,橋梁可以正常施工,沒有失穩(wěn)危險。
(2)若靜摩阻系數(shù)<0.015時,轉(zhuǎn)體可控性較差,應(yīng)在橋梁懸臂兩端采用縱向傾斜配重保證安全;當(dāng)靜摩阻系數(shù)較大時,可采用平衡配重。