桥梁转体施工方案研究

钟勇勇 朱洪洲 陈天培

1.重庆交通大学；2.福建省水利投资集团（平潭）水务有限公司；3.合诚工程咨询集团股份有限公司

1 工程概况

青某机场处于核心区域，市域范围内居中位置，根据总体方案，跨铁路桥梁均采用转体法进行施工。六路跨径为62+62m，桥宽为21.8m。跨铁路桥梁均位于直线段，均为全预应力钢筋混凝土构件。

2 施工控制的依据、目的、原则与方法

2.1 施工控制的依据

转体桥施工监控实施方案依据下列规范及文件编制：

（1）JTG B01—2003《公路工程技术标准》；

（2）JTG D60—2004《公路桥涵设计通用规范》；

（3）JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》；

（4）JTG D63—2007《公路桥涵地基与基础设计规范》；

（5）JTJ 041—2000《公路桥涵施工技术规范》；

（6）JTG F80/1—2004《公路工程质量检验评定标准（第一册土建工程）》。

2.2 施工控制的目的

桥梁施工阶段的控制是一个系统工程，主要包括二部分：一部分是数据采集系统，即监测；另一部分是数据分析处理系统，即监控。在该系统中，设计图只是理想目标，而在自开工到竣工整个为实现设计目标而必须经历的过程中，将受到许许多多确定和不确定因素(误差)的影响，包括在设计计算、材料性能、施工精度、荷载、大气温度等诸多方面存在理想状态与实际状态之间的差异，施工中如何从各种受误差影响而失真的参数中找出相对真实之值，对施工状态进行实时识别(监测)、调整(纠偏)、预测，对设计目标的实现是至关重要的。很多未重视有效施工控制的桥梁，在成桥后出现了内力分配不合理、主梁线形不流畅的情况，有些甚至出现了严重的跨中下挠，影响了桥梁的使用。

2.3 施工控制的主要内容

施工控制的主要内容，主要进行了以下几个方面的工作。

（1）采用有限元软件建立主梁结构仿真模型，对主梁施工过程中的线形与应力进行模拟计算，理论上得到各个施工阶段的挠度与应力数据。

（2）根据墩顶转体施工要点，采用球铰转动测试不平衡力矩方法，制定详细的称重试验方法，得出转动体不平衡力矩、摩阻系数、偏心距和摩阻力矩的计算方法，并得出了两种平衡情况下的称重方案。

2.4 施工控制的精度及原则

参照JTJ 041—2000《公路桥涵施工技术规范》和JTG F80/1－2004《公路工程质量检验评定标准》的规定，结合目前测试仪器的精度范围，控制精度初定见表1。

表1

3 转体桥施工监控有限元仿真分析

迈达斯有限元分析软件在桥梁领域相当成熟，尤其在模拟转体桥转体施工阶段。用梁单元模拟主梁，将主梁离散为180个梁单元，用实体单元模拟桥墩，用划分网格法离散桥墩单元，建立施工步骤。钝化激活支座单元来模拟转体过程中主梁与桥墩支座连接的变化[2]。

3.1 监控计算的基本内容

监控计算主要是计算转体的速度，转体时间以及转体过程中主梁的变形应力以及桥墩应力变化，如何科学合理的设置压重。保证转体桥施工过程主梁的稳定性以免造成不可逆的后果，计算过程要严格按照设计规范，并将计算结果跟设计方进行比较探讨，保证施工方案安全可行。

3.2 计算模型的建立

有限元计算模型的建立对于大型工程是科学并且可行的，有限元模型将理论计算手段与计算机联合起来，大大降低科学人员的计算量，有限元模型以矩阵论理论为理论基础，将结构物离散为有限单元，单元之间用节点分割。

4 转体桥转体施工配重方案

桥梁转体安全主要在于主梁转体过程的稳定性，稳定性的关键在压重，所以如何建立平衡压重的计算方法尤为重要，平衡压重是转体桥梁成败的关键。

4.1 转体桥主梁梁平衡称重的原理和方法

（1）称重原理。该桥主梁与桥墩处设置球铰，本文称重体系运用主梁在球铰转动过程中产生的不平衡力矩的计算方法。转体桥转动过程中会有两种情况：不平衡力矩（MG）大于转动体摩阻力矩（MZ）或不平衡力矩（MG）小于球铰摩阻力矩（MZ），主梁与球铰细微的转动将产生不平衡力矩，而球铰转动过程中客服自身摩擦产生的摩阻力与之相互平衡，构成了转体桥桥梁中平衡体系。

（2）称重方法。球铰转动时不平衡力矩的测试。对于转体桥整个体系，当转体桥不平衡力矩（MG）小于球铰摩阻力矩（MZ），整个体系处于静止状态，主梁不会产生位移。假如主梁重心在西侧，如图1称重示意图所示，则在东侧桥墩处施加力P1，随着P1增加球铰会发生非常小的转动，此时关掉千斤顶并将回油卡死保持P1不变，公式如下：

图1 称重试验a

假如转体桥梁整个中心在东侧，我们在主梁西侧加力P2，随着P2的增加桥墩球铰会发生细微的转动，这时候关掉千斤顶并且把回油卡死保证P2数值不变，所得公式如下：

图2 称重试验b

根据式（1），（2）解联立方程：

不平衡力矩

摩阻力矩

图3 百分表和千斤顶

当转体桥梁不平衡力矩（MG）大于球铰摩阻力矩（Mz）时，此时解除主梁与桥墩处的临时固结，主梁将发生转动。如图2，假设转体桥主梁的重心在西侧，此时在转体桥墩顶的西侧施加力P3，随着P3不断增加，主梁西侧接触球铰的一端被抬起球铰会轻微转动，此时关掉千斤顶并关掉回油，公式如下：

然后打开千斤顶回油，千斤顶回落过程中转体桥球铰会发生轻微的转动此时记录P3有：

联立方程（5）和（6）得

不平衡力矩：

摩阻力矩：

4.2 转体桥梁主梁平衡称重时球铰摩擦系数和偏心距的计算

转体桥梁在压重实验过程，转体桥主梁与桥墩连接的球铰会发生顺时针或者逆时针的转动，由于主梁东西测不平衡配重，转体桥主体的重心并不在球铰重心处，使得转体桥主梁与桥墩接触的上下球铰之间产生摩阻力距。

为尽可能减小球铰的摩阻力，球铰处加入黄油，根据实验以及工程经验所得：

球摩擦系数：

偏心距为：

N——转动体重量。

4.3 平衡转体配重方案

假设转体桥梁在桥墩球铰支撑处是平衡的，在主梁两端施加配重保证转体桥主梁重心与球铰中心线重合。这种方法的优点是好计算，配重方便。缺点是无法保证转体桥在转动过程中主梁重心与球铰中心线也是重合的。

此方案的配重可按式（11）计算：

G1——此方案需要加的配重；

N——转体实际总重量；

E——转体初始偏心距；

L0——悬臂长度；

l——配重距梁端的距离。

4.4 转动前的准备工作

桥梁转体到位后要设置临时支撑，目的是限制主梁的位移，以便安全合龙。

（1）转动体桥梁主梁安全防护施工。铁路桥梁是民生之本，在国内交通中担当着重任，为了在转体施工过程中保证铁路桥的安全，需要设置安全网。

（2）拆除砂箱、清理滑道。拆除桥墩处的固定装置，将滑道上的污物清理干净，为了保证转体装置转体过程中滑润，需要抹上黄油或者其他润滑剂。

（3）千斤顶安装及其标定工作。千斤顶在安装就位前，需要到专业部门进行标定，按照专业程序标定好的千斤顶，需要空载运送到工作地点。

（4）牵引索的预紧。千斤顶的拉力需要牵引索传给主梁，牵引索必须保证能够承受千斤顶的拉力，所以牵引索需要5kN～lOkN 的拉预警，重复几次，保证牵引索的索丝在拉力作用下均匀受力。

（5）防超转结构的设置。主梁体量很大，一旦转动起来，由于惯性作用很容易超转，搭建临时支撑限制主梁位移，确保主梁转动到位后能够停止运动。

（6）车甫助顶推装置准备。如何设置微调装置也是转体施工的关键，为确保主桥转体后能到达准确位置方便合龙，需设置反顶推装置。

（7）天气条件。风速对转体桥梁施工影响很大，在转体施工开始前一周，要观测天气状况，并联系气候观测部门，预测未来一周的天气状况，转体施工过程风速不能大于四级。