雙薄壁墩防撞浮箱提升技術(shù)研究與工程應(yīng)用*

王俊新 周建庭

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

0 引 言

雙薄壁墩是現(xiàn)階段我國(guó)大、中跨徑橋梁中比較常用的橋墩形式，其構(gòu)造特點(diǎn)是具有兩個(gè)相互平行的墩壁與主梁鉸接或剛接，鋼筋混凝土雙薄壁墩可以增加橋墩剛度，減小主梁支反力峰值，增加橋梁美學(xué)性能[1].相對(duì)于單肢薄壁墩，雙薄壁墩通常不能承受船舶撞擊力[2]，一般采用增設(shè)防撞浮箱的形式對(duì)其進(jìn)行保護(hù)[3-4]，目前較常用的是FRP防撞浮箱[5].防撞浮箱在低水位時(shí)會(huì)落在河床上，而河床在水流沖刷的作用下經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不平整的現(xiàn)象，此時(shí)，需要將防撞浮箱進(jìn)行整體提升，對(duì)其下部進(jìn)行清理或澆筑永久性混凝土支撐平臺(tái)，以確保防撞浮箱落下時(shí)不受損壞.

FRP防撞浮箱由前箱、中箱和后箱組成，單套浮箱由12個(gè)單元箱通過燕尾槽卡榫連接[6-7]，為避免整體提升時(shí)對(duì)燕尾槽卡榫連接處造成損壞，需采用液壓千斤頂同步提升技術(shù).目前液壓同步提升技術(shù)多用于大跨度鋼屋蓋結(jié)構(gòu)[8-9]、大跨度連體鋼桁架結(jié)構(gòu)等，較少用于防撞浮箱的提升.防撞浮箱的安裝施工一般采用浮吊船吊裝，需要在高水位時(shí)期進(jìn)行，而在運(yùn)營(yíng)過程中對(duì)其下部進(jìn)行清理或施工時(shí)需在枯水期進(jìn)行，枯水期則無(wú)法使用浮吊船進(jìn)行吊裝提升.所以本文結(jié)合橋梁雙薄壁墩的特點(diǎn)，研究了針對(duì)防撞浮箱的液壓同步提升系統(tǒng)，以保證防撞浮箱整體提升時(shí)的同步性、穩(wěn)定性及安全性.

1 液壓同步提升系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

液壓同步提升系統(tǒng)具體由錨固系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、捆綁系統(tǒng)三部分組成.

錨固系統(tǒng)布置在雙薄壁墩橫系板上，為增大受力接觸面積，橫系板上墊4塊80×80×2 cm的鋼板以分散錨固系統(tǒng)傳遞至橫系板上的荷載，錨固系統(tǒng)承重梁采用I56雙拼工字鋼焊接而成，鋼板與承重梁之間放置板式橡膠支座以確保密切接觸，前箱側(cè)支撐位置承重梁的內(nèi)力較大，采用I56a雙拼工字鋼加焊4 mm×12 mm肋板，承重梁通過Φ32精扎螺紋鋼與橫系板底部的C10槽鋼連接，確保錨固系統(tǒng)的穩(wěn)定，承重梁端部設(shè)置提升系統(tǒng)操作平臺(tái)，見圖1.

圖1 錨固系統(tǒng)平面、立面布置圖(單位：cm)

提升系統(tǒng)由PLC同步控制器、穿心千斤頂、預(yù)應(yīng)力鋼絞線、錨夾具等構(gòu)成.防撞浮箱前箱位置設(shè)兩個(gè)吊點(diǎn)，每個(gè)吊點(diǎn)采用8束7×Φ15.2的鋼絞線，后箱設(shè)兩個(gè)吊點(diǎn)，每個(gè)吊點(diǎn)采用4束7×Φ15.2的鋼絞線，見圖2.整體提升時(shí)，張拉缸油嘴進(jìn)油，張拉缸帶動(dòng)工具錨上移張拉鋼絞線，張拉缸接近最大行程時(shí)，停止進(jìn)油，保持張拉缸穩(wěn)定，將腳叉下工具夾片敲入工具錨環(huán)內(nèi)，臨時(shí)錨固鋼絞線，張拉缸回油、復(fù)位，千斤頂上工具錨重新夾持鋼絞線，張拉缸油嘴進(jìn)油，進(jìn)行第二循環(huán)張拉提升，重復(fù)前述過程，實(shí)現(xiàn)浮箱整體提升.

圖2 提升系統(tǒng)立面布置圖(單位：cm)

捆綁系統(tǒng)由柔性吊帶與型鋼框架梁組成，型鋼框架梁采用I40雙拼工字鋼和I40工字鋼焊接而成，見圖3.由于防撞浮箱是由多個(gè)單元箱通過燕尾槽卡榫方式連接成為整體，為防止整體提升過程中卡榫與燕尾槽脫開，導(dǎo)致浮箱解體，需先將浮箱用柔性吊帶捆綁成整體，再用柔性吊帶穿過浮箱底板，將浮箱整體兜吊在型鋼框架梁上，吊裝時(shí)，提升系統(tǒng)的鋼絞線作用在型鋼框架梁上，不會(huì)對(duì)浮箱和柔性吊帶造成損傷.

圖3 捆綁系統(tǒng)平面布置圖(單位：cm)

1.2 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)和提升工藝流程

①適應(yīng)橫系板尺寸5～7 m；②適應(yīng)防撞浮箱重量≤90 t；③穿心千斤頂行程單次40 cm；④提升方式 液壓油缸提升、錨夾具限位；⑤提升點(diǎn)數(shù) 四點(diǎn)同步提升；⑥四點(diǎn)同步精度 ≤10 mm；⑦預(yù)應(yīng)力鋼絞線Φ15.2 mm，1 860 MPa；⑧柔性吊帶15 t.

系統(tǒng)提升工藝流程見圖4.

圖4 系統(tǒng)提升工藝流程圖

1.3 系統(tǒng)提升技術(shù)研究

1) 同步性分析 吊裝系統(tǒng)中每個(gè)千斤頂位置安裝有位移傳感器，可實(shí)時(shí)反應(yīng)千斤頂油缸的行程距離，并將當(dāng)前位置數(shù)據(jù)狀態(tài)反應(yīng)給PLC同步控制器，由PLC同步控制器決定各千斤頂油缸的下一步動(dòng)作，將四點(diǎn)同步精度控制在10 mm以內(nèi)，以保證浮箱整體提升時(shí)的同步性.

2) 穩(wěn)定性分析 錨固系統(tǒng)的穩(wěn)定性通過承重梁與橫系板底部的C10槽鋼連接來(lái)實(shí)現(xiàn)，將橫系板“夾心式”夾持在中間(見圖2立面圖)，連接處采用2根Φ32精扎螺紋鋼(見圖5)連接緊固后，可確保提升過程中受到不平衡荷載時(shí)，整個(gè)錨固系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生傾覆現(xiàn)象，確保整體提升安全.

圖5 錨固系統(tǒng)承重梁與槽鋼連接大樣圖(單位：cm)

捆綁系統(tǒng)的穩(wěn)定性通過調(diào)整柔性吊帶受力點(diǎn)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于鋼絞線提升受力點(diǎn)作用于型鋼框架梁的底面，如果柔性吊帶受力點(diǎn)作用于型鋼框架梁的頂面，則在提升過程中出現(xiàn)不均勻受力時(shí)，型鋼框架梁會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)傾覆現(xiàn)象，見圖6a)，所以在型鋼框架梁吊點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置設(shè)置轉(zhuǎn)移吊板，吊板下端焊接I40工字鋼，將柔性吊帶受力點(diǎn)布置在下端的工字鋼上，見圖6b)，確保提升系統(tǒng)受力安全.

圖6 調(diào)整柔性吊帶受力點(diǎn)位置示意圖(單位：cm)

2 有限元模擬分析

2.1 理論基礎(chǔ)

本系統(tǒng)的主要受力結(jié)構(gòu)錨固承重梁、型鋼框架梁均為受彎構(gòu)件，受彎構(gòu)件在設(shè)計(jì)時(shí)需滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性三個(gè)方面的要求.

在主平面內(nèi)受彎的桿系構(gòu)件，其抗彎強(qiáng)度應(yīng)為

(1)

式中：Mx，My為同一截面處繞x軸和y軸的彎矩設(shè)計(jì)值，N·mm；Wnx，Wny為對(duì)x軸和y軸的凈截面模量,mm3;γx,γy為截面塑性發(fā)展系數(shù).

控制受彎構(gòu)件的剛度是通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下的最大撓度加以限制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于集中荷載作用下等截面梁的最大撓度為

(2)

式中：Ix為跨中毛截面慣性矩.

在最大剛度主平面內(nèi)受彎的桿系構(gòu)件，其整體穩(wěn)定性為

(3)

式中：Mx，My為繞強(qiáng)軸作用的最大彎矩設(shè)計(jì)值，N·mm；工字型截面為

(4)

式中：Wx，Wy為對(duì)x軸的穩(wěn)定計(jì)算截面模量和y軸的毛截面模量,mm3；φb為繞強(qiáng)軸彎曲所確定的梁整體穩(wěn)定系數(shù).

現(xiàn)以重慶黃花園嘉陵江大橋?yàn)槔?，進(jìn)行上述液壓同步提升系統(tǒng)的有限元模擬分析計(jì)算，各構(gòu)件自重系數(shù)按-1考慮.

2.2 捆綁系統(tǒng)受力計(jì)算

捆綁系統(tǒng)只考慮防撞浮箱荷載，按浮箱各箱的位置和重量，加載于捆綁系統(tǒng)型鋼框架梁上，由于浮箱內(nèi)水的存在，計(jì)算時(shí)需考慮水的重力.經(jīng)計(jì)算前箱荷載為440 kN，后箱荷載為207 kN，由于前箱重量較大，捆綁系統(tǒng)型鋼框架梁僅按前箱荷載計(jì)算，經(jīng)有限元模擬分析計(jì)算結(jié)果見圖7和表1，由圖7和表1可知，捆綁系統(tǒng)的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、變形值都在允許范圍內(nèi)，強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足文獻(xiàn)[14]要求.

圖7 應(yīng)力與撓度計(jì)算結(jié)果圖

表1 捆綁系統(tǒng)受力計(jì)算結(jié)果

2.3 吊裝系統(tǒng)受力計(jì)算

1) 柔性吊帶 前箱與后箱布置形式一致，此處僅計(jì)算前箱.采用15 t柔性吊帶，每個(gè)吊點(diǎn)纏繞兩圈捆綁后，等效于4根吊帶同時(shí)工作，前箱設(shè)兩個(gè)吊點(diǎn)，等效于8根吊帶同時(shí)工作，吊帶自身安全系數(shù)為6，而前箱荷載為440 kN，經(jīng)計(jì)算可知，柔性吊帶的安全儲(chǔ)備系數(shù)為16.4.

2) 預(yù)應(yīng)力鋼絞線 前箱每個(gè)吊點(diǎn)采用8束7×Φ15.2抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa的鋼絞線，每束預(yù)應(yīng)力鋼絞線最小破斷拉力為260.7 kN，則前箱每個(gè)吊點(diǎn)可承載2 085.6 kN；后箱每個(gè)吊點(diǎn)采用4束7×Φ15.2的鋼絞線，則后箱每個(gè)吊點(diǎn)可承載1 042.8 kN.經(jīng)計(jì)算可知，前箱鋼絞線的安全儲(chǔ)備系數(shù)為8.5，后箱鋼絞線的安全儲(chǔ)備系數(shù)為8.1.

3) 千斤頂 穿心千斤頂前箱處采用250 t型號(hào)，承載力為2 500 kN，后箱處采用150 t型號(hào)，承載力為1 500 kN，經(jīng)計(jì)算可知，前箱千斤頂?shù)陌踩珒?chǔ)備系數(shù)為10.2，后箱千斤頂?shù)陌踩珒?chǔ)備系數(shù)為11.6.

2.4 錨固系統(tǒng)受力計(jì)算

錨固系統(tǒng)考慮防撞浮箱、捆綁系統(tǒng)、吊裝系統(tǒng)、其他工具設(shè)備、施工人員等荷載，綜合計(jì)算前箱對(duì)應(yīng)位置吊點(diǎn)荷載為245 kN，后箱對(duì)應(yīng)位置吊點(diǎn)荷載為129 kN.經(jīng)有限元模擬分析計(jì)算結(jié)果見圖8和表2，由圖8和表2可知，錨固系統(tǒng)的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、變形值都在允許范圍內(nèi)，強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均滿足文獻(xiàn)[10]要求.

圖8 應(yīng)力和撓度計(jì)算結(jié)果圖

表2 錨固系統(tǒng)受力計(jì)算結(jié)果

2.5 橫系板受力計(jì)算

整套液壓同步提升系統(tǒng)均安裝在主墩橫系板上，橫系板尺寸為7 m×7 m×0.5 m，兩側(cè)墩身尺寸為2.5 m×7 m，經(jīng)查閱原設(shè)計(jì)圖紙，橫系板與兩側(cè)墩身的普通鋼筋為統(tǒng)一布置，配筋較為密集，橫系板受力狀況較好.

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)形式，采用Midas FEA建立有限元計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果見圖9和表3，由圖9和表3可知，主墩橫系板的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、變形值都在允許范圍內(nèi)，滿足文獻(xiàn)[11-13]要求.

圖9 應(yīng)力和撓度計(jì)算結(jié)果圖

表3 橫系板受力計(jì)算結(jié)果

3 工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

重慶黃花園嘉陵江大橋FRP防撞浮箱于2014年6月完成水上安裝并投入使用，其中2號(hào)主墩上、下游側(cè)墩柱各設(shè)置1組防撞浮箱，枯水期2號(hào)主墩浮箱回落至現(xiàn)有塊石砌筑護(hù)墩體上，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，原有護(hù)墩體表面不平整，最大高差約1 m，且上游側(cè)防撞浮箱前箱受前端堆積物影響，已出現(xiàn)擠壓、變形現(xiàn)象.根據(jù)防撞浮箱設(shè)計(jì)圖紙要求，需在護(hù)墩體上施做浮箱安放平臺(tái)，施做平臺(tái)前，需將防撞浮箱整體提升，以創(chuàng)造浮箱下部施工工作面.工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明該液壓同步提升系統(tǒng)安全可靠,見圖10.

圖10 工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用照片

4 結(jié) 論

1) 提出了基于液壓同步提升系統(tǒng)的雙薄壁墩防撞浮箱提升技術(shù)，利用液壓千斤頂進(jìn)行整體同步提升，確保了防撞浮箱的整體安全性，對(duì)今后類似工程具有很好的借鑒意義.

2) 液壓同步提升系統(tǒng)由錨固系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、捆綁系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)經(jīng)過詳細(xì)設(shè)計(jì)，確定了系統(tǒng)主要參數(shù)及工藝流程，有限元模擬分析結(jié)果表明，其結(jié)構(gòu)安全可靠，強(qiáng)度、剛度都具有足夠的安全儲(chǔ)備，穩(wěn)定性滿足工程要求.

3) 經(jīng)過黃花園嘉陵江大橋現(xiàn)場(chǎng)FRP防撞浮箱整體提升工程應(yīng)用證明，本系統(tǒng)可滿足雙薄壁墩現(xiàn)場(chǎng)使用條件，在防撞浮箱的整體提升過程中，其同步性、穩(wěn)定性、安全性均得到了較好的實(shí)踐驗(yàn)證.