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

羅力軍

(中鐵大橋局集團(tuán)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(cè)試分析研究

羅力軍

(中鐵大橋局集團(tuán)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(jì)算公式計(jì)算的理論牽引力和摩阻系數(shù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在較大的偏差，為解決這一問(wèn)題，有必要進(jìn)行針對(duì)性的牽引力和摩阻系數(shù)測(cè)試分析研究。通過(guò)對(duì)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(jìn)行公式推導(dǎo)和計(jì)算，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算方法。同時(shí)對(duì)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(lái)越多的涉鐵項(xiàng)目得到開(kāi)展。為了保證既有鐵路線的正常運(yùn)營(yíng)和盡量少地干擾既有鐵路線的運(yùn)營(yíng)，平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體施工法得到越來(lái)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(dòng)系統(tǒng)由支撐體系、轉(zhuǎn)動(dòng)牽引體系和平衡體系組成。支撐體系為上、下轉(zhuǎn)盤(pán)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(dòng)牽引體系為2組預(yù)埋在上轉(zhuǎn)盤(pán)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(dá)到自我平衡。

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

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

(2) 實(shí)際平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體牽引力大于預(yù)估(或計(jì)算)最大值，轉(zhuǎn)體不能正常進(jìn)行，由于預(yù)估不足而在結(jié)構(gòu)上施加過(guò)大的力，可能造成結(jié)構(gòu)損壞或無(wú)法轉(zhuǎn)體到位。

在平轉(zhuǎn)牽引力計(jì)算時(shí)根據(jù)不同的支撐形式及轉(zhuǎn)體形式等實(shí)際情況，認(rèn)真分析其受力情況，采用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析，并與正式轉(zhuǎn)體實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析[2]。

1平轉(zhuǎn)牽引力計(jì)算

平轉(zhuǎn)牽引力計(jì)算方法采用力矩平衡的原則進(jìn)行，即平轉(zhuǎn)牽引力力矩與平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)摩阻力矩大小相等。采用平面積分法進(jìn)行公式推導(dǎo)：平面積分法計(jì)算時(shí)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(wú)數(shù)部分微圓環(huán)積分而成，見(jiàn)圖1。部分圓環(huán)可以簡(jiǎn)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(gè))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(dòng)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(dòng)摩阻系數(shù)為0.03～0.04[4]。

2平轉(zhuǎn)牽引力計(jì)算簡(jiǎn)化

一般轉(zhuǎn)體橋施工球鉸安裝外包給有資質(zhì)、有經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)業(yè)單位安裝施工，基本能保證球鉸安裝精度滿足設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)體前拆除球鉸處的臨時(shí)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(guò)合理的配重和拆除球鉸臨時(shí)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(dú)立支撐、小偏心轉(zhuǎn)體。則式(3)簡(jiǎn)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(jì)算公式一致。同時(shí)說(shuō)明了“規(guī)范中”的牽引力計(jì)算公式僅適合于“轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)自重由球鉸獨(dú)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(jì)算平轉(zhuǎn)牽引力時(shí)按照式(3)計(jì)算。

因此在轉(zhuǎn)體橋牽引力設(shè)計(jì)時(shí)建議：正常轉(zhuǎn)體牽引力設(shè)計(jì)值取式(4)計(jì)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(jì)算值。

3平轉(zhuǎn)牽引力實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值

鸚鵡洲長(zhǎng)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(chǎng)測(cè)試的轉(zhuǎn)體牽引力實(shí)測(cè)值見(jiàn)表1。

表1　正式轉(zhuǎn)體實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

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

由計(jì)算值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，實(shí)測(cè)的牽引力小于計(jì)算值，換算摩阻系數(shù)小于設(shè)計(jì)一般取值。由于球鉸安裝精度較高，初始安裝時(shí)撐角與滑道間隙2.5～3.5cm，拆除球鉸臨時(shí)固結(jié)(一般為砂桶)時(shí)按照對(duì)稱(chēng)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(shí)可知，平面積分法計(jì)算的牽引力具有較大的安全儲(chǔ)備，能保證梁體的正常轉(zhuǎn)體，可以在實(shí)際牽引力設(shè)計(jì)時(shí)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(guò)程中通過(guò)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(shí)固結(jié)(一般為砂桶)時(shí)按照對(duì)稱(chēng)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(shí)現(xiàn)更安全、更容易的轉(zhuǎn)體施工。

(2) 牽引力設(shè)置時(shí)，可以按照球鉸獨(dú)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(guò)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(jì)效益。

(3) 實(shí)測(cè)靜摩阻系數(shù)和動(dòng)摩阻系數(shù)較設(shè)計(jì)值偏小，與其他文獻(xiàn)資料吻合，設(shè)計(jì)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(jì)算公式只適用于球鉸獨(dú)立受力時(shí)的情況，不能盲目照搬規(guī)范上的公式，需要根據(jù)實(shí)際情況考慮是否撐角參與受力而采用新的公式計(jì)算。

參考文獻(xiàn)

[1]胡素敏.橋梁轉(zhuǎn)體施工方法及發(fā)展應(yīng)用[J].交通世界,2008(1):129-130.

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[3]孫聰,高日.特殊支撐體系的轉(zhuǎn)體橋施工牽引力計(jì)算方法分析[J].鐵道建筑,2011(2):45-47.

[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(guó)朝.鄭州市解放路跨線橋主橋設(shè)計(jì)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(wàn)噸級(jí)斜拉橋水平轉(zhuǎn)體施工監(jiān)測(cè)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：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