平轉(zhuǎn)法施工橋梁梁端振動狀態(tài)監(jiān)測研究

(中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

1 工程概況

轉(zhuǎn)體施工方法具有獨特優(yōu)勢，帶來了公路及鐵路橋梁工程建設(shè)與施工技術(shù)的革新，為不斷優(yōu)化施工工藝，解決大量跨越繁忙既有線、高速運營鐵路橋梁施工提供了改進思路，并且盡最大限度減小了對線下交通的影響[1-2]。橋梁轉(zhuǎn)體施工是將橋梁在平行或一定角度于既有線位置處構(gòu)建，然后通過轉(zhuǎn)動系統(tǒng)、平衡系統(tǒng)、連續(xù)牽引系統(tǒng)等設(shè)備轉(zhuǎn)動到指定位置的施工工藝和流程。

新建商丘至合肥至杭州高速鐵路古城特大橋工程跨越繁忙的既有鐵路線，為了減少施工對鐵路運營的干擾，保證施工和鐵路運營的安全，采用(72+128+72)m連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工方案，橋梁與既有鐵路交叉角度為23°。

由于轉(zhuǎn)體自重大、施工周期長、施工工藝復(fù)雜且施工現(xiàn)場環(huán)境氣候多變，使得該橋的施工難度和安全風險非常大，本文以轉(zhuǎn)動橋梁受力分析和安全監(jiān)測為目的，通過計算機仿真分析和現(xiàn)場測試與狀態(tài)監(jiān)測等手段，開展橋梁轉(zhuǎn)體過程梁端振動狀態(tài)監(jiān)測研究[3- 4]，具有較強的理論和實踐意義。

2 轉(zhuǎn)體橋梁動力特性計算

2.1 建立分析模型

利用大型通用有限元軟件ANSYS建立了轉(zhuǎn)體T構(gòu)的數(shù)值仿真模型，上部構(gòu)造運用beam188梁單元模擬，考慮箱梁變截面影響，同時按照設(shè)計文件輸入預(yù)應(yīng)力鋼束。在邊界條件選取時，墩梁連接部位采用球鉸處彈性支承連接，建立轉(zhuǎn)體T構(gòu)動力特性分析的有限元模型(見圖1)。

圖1 轉(zhuǎn)體T構(gòu)動力特性分析模型

2.2 計算結(jié)果

首先進行轉(zhuǎn)體T構(gòu)的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，運用ANSYS軟件中自帶的subspace模塊[5-6]，根據(jù)計算精度要求處理后提取出了在進行轉(zhuǎn)體前T構(gòu)處于最大懸臂狀態(tài)時的前10階振動振型。T構(gòu)的自振頻率和振型分布特點見表1。

表1 轉(zhuǎn)體T構(gòu)處在最大懸臂狀態(tài)時的動力特性

由表1可知，通過觀察和分析前三階振型特征，重點是轉(zhuǎn)動T構(gòu)在橋梁橫橋方向的轉(zhuǎn)動位移、豎橋方向的轉(zhuǎn)動位移及豎向彎矩，該轉(zhuǎn)動T構(gòu)箱梁結(jié)構(gòu)在橫橋向、豎橋向的結(jié)構(gòu)抗推剛度較小，很容易產(chǎn)生一定程度的擺動變形。

3 監(jiān)測方案設(shè)計

3.1 設(shè)計原則

橋梁在轉(zhuǎn)體過程中，由于轉(zhuǎn)動球鉸的自由狀態(tài)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動體容易出現(xiàn)較大的晃動，甚至出現(xiàn)球鉸失穩(wěn)的可能性，同時由于橫橋方向平衡配重效果的影響，橋梁在轉(zhuǎn)體過程中可能會出現(xiàn)橫向扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)受力線形產(chǎn)生明顯變化。

監(jiān)測方案的原則[7]如下：監(jiān)測梁端豎向的振動狀態(tài)，配合關(guān)鍵受力部位的應(yīng)力監(jiān)測，保證結(jié)構(gòu)的受力安全；監(jiān)測梁體橫橋向的扭轉(zhuǎn)狀態(tài)，確保梁體不發(fā)生過大的變形；通過監(jiān)測梁體狀態(tài)，對轉(zhuǎn)動速度控制提供數(shù)據(jù)參考。

3.2 方案布置

繪制轉(zhuǎn)體過程中梁端振動與扭轉(zhuǎn)監(jiān)測測點布置圖(見圖2)。

圖2中，小里程豎向、大里程豎向為監(jiān)測豎向振動的拾振器(加速擋)；小里程左/右、大里程左/右均為監(jiān)測橫向扭轉(zhuǎn)的拾振器(速度檔)。

圖2 監(jiān)測測點布設(shè)示意圖

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

首先監(jiān)測了在轉(zhuǎn)體之前脈動狀態(tài)下的初始數(shù)據(jù)，作為轉(zhuǎn)體過程中有關(guān)參數(shù)的變化參考[8]，然后分別實時監(jiān)測在轉(zhuǎn)體連續(xù)牽引狀態(tài)、點動就位狀態(tài)的數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)體過程中的監(jiān)測曲線見圖3～圖5。

大小里程左/右拾振器監(jiān)測速度變化；大小里程豎向拾振器監(jiān)測加速度變化。

圖3 轉(zhuǎn)體前監(jiān)測曲線(脈動)

圖4 轉(zhuǎn)體過程監(jiān)測曲線(連續(xù)牽引)

圖5 轉(zhuǎn)體過程監(jiān)測曲線(點動就位)

圖3～圖5中，橫坐標為時間(單位：s)，代表轉(zhuǎn)體經(jīng)歷的時間變化；縱坐標分別代表速度(單位：mm/s)和加速度(單位：mm/s2)。

由圖3～圖5可知，在正式轉(zhuǎn)體階段，發(fā)現(xiàn)梁端振動及扭轉(zhuǎn)參數(shù)基本上與脈動測試參數(shù)相符，說明梁體在轉(zhuǎn)體過程中處于平穩(wěn)狀態(tài)；點動就位階段，點動瞬間梁體振動明顯，撐腳與滑道接觸狀態(tài)相吻合，整個轉(zhuǎn)體過程相對平穩(wěn)。

5 結(jié) 論

通過開展基于理論分析的平轉(zhuǎn)法施工橋梁梁端振動狀態(tài)監(jiān)測研究，得出以下結(jié)論：對轉(zhuǎn)動T構(gòu)計算分析可知，在轉(zhuǎn)體過程中轉(zhuǎn)動體比較容易產(chǎn)生在橫橋方向上的轉(zhuǎn)動變形與豎橋方向的轉(zhuǎn)動變形及豎向彎矩；對梁體振動狀態(tài)進行實時監(jiān)測，可有效控制轉(zhuǎn)體過程的受力狀態(tài)，保證轉(zhuǎn)體過程安全順利。

梁端振動狀態(tài)監(jiān)測方案及數(shù)據(jù)分析方法，可為類似工藝橋梁轉(zhuǎn)體施工提供技術(shù)支持和參考。