211221313_平转桥梁施工阶段主梁应力与转体过程动力特性

工程建设
平转桥梁施工阶段主梁应力
与转体过程动力特性
谭生永
（中国铁路济南局集团有限公司涉铁工程办公室，山东济南250000）
摘要：某T型刚构桥采用支架法分段现浇，并在落架后进行平面转体，此种施工方法桥梁直接由支架支撑状态转为最大悬臂状态，靠近悬臂中墩位置处的梁体应力会在短时间内急剧增大，且在转体过程中梁体振动会加剧梁内应力，对桥梁施工安全造成不利影响。

因此，在中墩两侧主梁断面安装应变计，对转体前主要测点各施工阶段的应变与应力进行记录和分析，在悬臂端部布置振动传感器，对转体过程进行模态分析与振动监测，从而对桥梁施工安全做出判断。

结果表明：0#块浇筑之后，顶、底板测点应力值均增大，0#块浇筑后直至2#块预应力钢筋张拉完成，顶板应力在整体上呈下降趋势，拆架过程中顶板测点应力持续增大；0#块浇筑后直至拆架完成，底板应力在整体上呈减小趋势；第1阶模态为主梁对称弯曲，第2阶与第3阶模态均为主梁反对称弯曲。

转体过程中振动对梁体产生的不利影响有限，不会对梁体安全造成威胁。

关键词：水平转体；应力监测；振动监测；动力响应；模态分析
中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2023）05-0066-06 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2023.01.26.001
0 引言
桥梁转体施工是指将桥体浇筑或拼装偏离设计桥梁轴线位置，待形成整体并具有相应的承载能力，再借助转动装置转体就位的施工方法。

与传统的施工方法相比，桥梁转体施工技术具有设备少、施工工艺简单、施工速度快、成本低、安全性高等诸多优点。

适合穿越深谷、激流等地带，是目前较为成熟的桥梁施工技术［1］。

在上跨既有铁路线工程中，由于天窗点时间较短，而线路运营期间施工无法保证列车安全，水平转体不影响线路安全进行施工，近些年来成为跨线桥梁首选方案［2-3］。

根据桥梁结构的转动方向可分为水平转体施工法、竖向转体施工法、平转与竖转相结合的方法，其中以平转法应用最多［4］。

孟雪俊［5］针对上跨既有铁路线平转桥合龙施工工期长，对桥下列车运行影响较大的问题，提出采用梁钢壳栓接封闭合龙的施工方法，有效提高了合龙施工速度。

罗力军［6］根据
作者简介：谭生永（1972—），男，高级工程师。

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球缝受力机理，建立了球缝垂直旋转摩擦力矩的空间计算模型，推导出新的球缝摩擦力矩计算公式，得到了平转桥垂直摩擦力矩的精确计算值。

造成摩擦力的原因为球铰上下滑动面不平顺，这种不平顺还会导致桥梁上部结构转体时产生振动，球铰微小的振动都会在梁端放大，从而对梁体安全产生影响。

宋嘉宇等［7］针对此问题建立abaqus实体有限元模型，找到球铰转动过程中的应力分布规律。

于哲等［8］利用有限元实体模型分析了主梁在平转过程中的应力分布，分析了旋转加速度的可行控制范围，并对主梁的转速和应力进行了实时监测。

魏赞洋等［9］提出一种基于振动加速度监测的旋转结构整体稳定性监测方法，证明水平旋转结构梁施工的安全性。

现有研究均针对桥梁转体过程振动与应力进行分析，未考虑前期施工方法对转体前桥梁内力的影响，支架法相较于挂篮法施工虽加快了施工进度［10］，但在落架过程中梁体自重由支架承担转变为由梁体自身承担，会造成应力突变［11］，且转体时T型刚构桥处于悬臂状态，属于静定结构，安全冗余度
较低，在转动时产生的振动对结构更为不利。

所以，针对平转桥结合支架法的全过程应力分析与转体动力分析研究十分必要。

1 工程概况
某跨越铁路营业线桥梁，为尽量避免施工对铁路运营的影响，施工方法采用转体施工。

桥梁采用整幅转体T型刚构，跨径为2×75 m，主梁采用单箱五室斜腹板箱形截面，中支点中心梁高7.9 m，端部中心梁高3.5 m，梁底线形按1.8次抛物线变化，端部等高段长7.9 m。

主墩采用矩形实体墩；基础均采用灌注桩基础。

转体球铰位于承台与主墩之间，由上球铰、下球铰、摩擦副、锚杆、螺栓、抗倾覆装置等组成［12］。

2 施工阶段静力分析
2.1　应变测点布置与数据提取　
根据有限元计算结果，梁体落架后靠近桥墩位置梁体应力最大，为全桥应力控制截面，故在该T型刚构转体桥主墩沿纵桥最外侧向两端外延30 cm处横断面布置2个应力观测断面（见图1），应变观测点横断面位置见图2。

图中①、④测点为线路右侧，③、⑥测点为线路左侧。

对转体前的不同施工阶段相应预应力钢筋张拉后，分2个阶段拆除悬臂浇筑段梁体支架后，对主要测点应变数据进行监测（见图3）。

由图3可知，大、小里程侧在不同施工阶段的相同断面位置处的应力变化量在总体上的变化趋势一致，且数值差异不大，这是因为该T型刚构桥中墩两边悬臂除高程不一致外，其他指标如梁断面形状和尺寸、梁段长度、梁体重量等都关于中墩对称。

但在不同施工阶段，顶、底板应力变化趋势不一致，0#块浇筑后截面顶板测点应力值增大，这是由于梁体重量增大对应变产生的影响大于混凝土收缩对应变产生的影响，故测点综合这2个因素的作用，应变值增大，应力值也相应增大。

而在0#块浇筑之后直至2
#块钢筋张拉完成之后，总体上应
力值呈减小的变化趋势，这是梁段下部支架的支撑作用
图1
　0#
块应力观测纵断面示意图
图3　施工阶段应力变化
图2　应力观测点横断面图
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2023/05 CHINA RAILWAY
及从0#块到2#块，梁断面重量及高度减小叠加混凝土收缩综合作用的结果；拆架过程中应变值持续增大，这是因为梁段下部支撑减少直至完全消除，各梁节段重量累积，造成应变的持续增大。

0#块浇筑后底板应力增大，这也是底部支架支撑作用和混凝土收缩综合作用的结果，而在此后的施工阶段，直至拆架完成，底板测点应变值持续下降，除了与顶板测点应力变化相同的影响因素外，还与该测点位于梁断面中性轴以下有关。

2.2　模型与实测数据对比　
建立该桥梁的Midas Civil 模型，提取模型中应变测点位置应力数据，并与实测值进行对比，以验证模型的适用性（见图4、图5）。

可见在部分施工阶段梁断面上下测点应力变化的模型值与实测值存在差异，在梁体平转完成后，模型
与实测值的应力变化差值最大，为5.18 MPa ；应力变化差值最小为0。

但转体前各施工过程中的应力变化趋势基本一致，由此可知模型可以大致预测该桥梁在建造过程中不同施工阶段的应力变化趋势，但未能可靠地预测各施工阶段具体的应力变化数值，分析原因为对施工过程中各参数的模拟不够精确。

3 转体过程动力分析
平转桥主墩球铰上下接触面非绝对平顺，若配重后未达到绝对平衡，转体偏心距不为0，偏心力矩大于转体动摩擦力矩，结构向一侧倾斜导致撑脚落地，会在转体过程中产生竖直方向激振。

振动向上传递至主梁，振动幅值在主梁上沿纵桥向放大，并在悬臂端达到最大，故对转体过程进行振动监测与理论分析十分必要。

3.1　有限元模态分析　
对主梁采用Midas Civil 建立杆系有限元模型，对上述转体结构进行模态分析。

由于激振方向为竖直方向且结构竖向刚度远大于水平方向刚度，故只关注纵桥向立面内的振动。

由于主墩刚度远远大于主梁刚度，
且墩长较短，故不模拟柱墩，主墩约束墩顶节点的位移。

模态参数见表1，模态分析结果中转体结构前3阶振型见图6。

3.2　振动实测数据　
3.2.1　时程分析　
将三向振动传感器安装至主梁悬臂端，分别监测主梁竖向振动、转体的直径方向振动（径向振动）、转体的切线方向振动（切向振动），振动速度-时程曲线见图7。

0~3 420 s 为匀速转体期，此时转动牵引力为固
定值；3 420~3 480 s 为点动转体期，此时主梁接近转体
终点，为防止过转情况发生，转动牵引力由恒定不变转为间歇性施加；3 480 s 转体完成，梁体状态恢复静
图4
　小里程2号传感器应力变化量对比
图5　小里程5号传感器应力变化量对比
表1
　模态参数
注：TRAN-X 为纵桥向平动自由度；ROTN-Y 为转动自由度；TRAN-Z 为竖直方向平动自由度。

2023/05
CHINA RAILWAY 止。

梁体以竖向振动为主，竖向振动在第0~3 420 s 幅值较大，最大幅值达0.001 664 m/s ，截取匀速转体期第3 000~3 200 s 内的波形图（见图8），在竖向波形图中可明显观察到有波形叠加现象，固有自振波基础上叠加了周期较长、幅值较大的波，叠加波产生的原因为球铰在转动过程中由于不平顺产生的竖向激振。

在第
3 420~3 480 s 点动转体期，竖向振动幅值开始减小，最大峰值减小至0.000 99
4 m/s ，且叠加波仅在点动瞬间出
现随后迅速衰减（见图9）。

在第3 480 s 后竖向振动叠加波完全消失（见图10），此时桥梁振动完全由环境激扰所致。

由图7可知，竖向振动速度最大值约为水平向振动的6.35倍，在径向与环向波形图中无明显波形叠加现象，原因是主梁在径向与环向上无激振源，且主梁沿横向与轴向刚度较大，竖向振动比其他方向振动剧烈。

径向与切向振动受转体影响很小，在转体过程中与转体后波形无明显变化，径向与切向振动最大幅值均为0.000 262 m/s 。

3.2.2　频谱分析　
通过频谱分析的方法分析振动信号，即将时域信
（a ） 梁端竖向振动
（
b ） 梁端径向振动
（c ） 梁端切向振动
图7
　转体时梁端三向振动时程曲线
（a ）
第1阶振型
（b
） 第2阶振型
（c ） 第3阶振型图
6　转体结构前3阶振型
图9
　点动期梁端竖向振动时程曲线
（a ） 梁端竖向振动
（
b ） 梁端径向振动
（c ） 梁端切向振动
图8　第3 000～3 200 s 梁端三向振动时程曲线
--69
号通过FFT 方法转换为频域信号。

由专业振动处理软件处理测点振动信号数据，利用其绘图功能输出各监测点竖向、径向及切向振动频谱图（见图11—图13）。

通过分析各监测点径向及垂向振动频谱图可得：振动信号的频带分布较窄且具有单峰值特征，其主频占据优势。

振动以竖向振动为主，竖向振速幅值为2×10-4 m/s ，主频为7.32×10-2 Hz ，径向振速幅值为6×10-6 m/s ，主频为7.32×10-2 Hz ，切向振速幅值为1.4×10-5 m/s ，主频为4.883×10-1 Hz 。

4 结论
通过对T 型钢构桥转体前中墩两侧主梁各施工阶段的应力与转体过程中悬臂端部的振动进行分析，得出：
（1）由有限元模型和实际工程的不同施工阶段应力变化规律可知，不同施工阶段测点应力的变化是支架支撑，梁体重量和混凝土收缩、应变测点所在位置等因素综合作用的结果；模型可以较为准确地预测实际工程对应测点位置应力变化趋势，但未能可靠预测各施工阶段具体的应力变化数值。

（2）结构3阶自振模态第1阶为主梁对称弯曲，第2阶与第3阶均为主梁反对称弯曲；转体振动现场实测效果良好，桥梁转体过程中振动以竖向振动为主，原因为主墩球铰上下接触面非绝对平顺导致转体过程中产生竖直方向激振，且主梁沿横向与轴向刚度较大；振动信号的频带分布较窄且具有单峰值特征，其主频占据优势。

参考文献
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发展［J ］.黑龙江交通科技，2014，37（3）：90-91.［2］ 巴怀强，王飞，李绍勇，等.昆楚高速大德大桥转体
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70-74.
［4］ 陈宝春，孙潮，
陈友杰.桥梁转体施工方法在我国的
图10　转体完成后梁端竖向振动时程曲线
图11　转体时梁端竖向振动频谱
图13　转体时梁端切向振动频谱
图12　转体时梁端径向振动频谱
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责任编辑李葳
收稿日期 2023-01-26
Stress of Main Beam and Dynamic Characteristic of Swivel Process in
Construction Stage of Horizontal Swivel Bridge
TAN Shengyong
(Railway-related Engineering Office, China Railway Jinan Group Co., Ltd., Jinan Shandong 250000, China) Abstract: A T-shaped rigid frame bridge is cast in situ in sections by the support method, and plane swivel is carried out after the frame is erected. This construction method directly changes the bridge from the support state to the maximum cantilever state. The stress of the beam near the cantilever intermediate pier will increase sharply in a short time, and the vibration of the beam will aggravate the stress in the beam during the swivel process, which will have an adverse impact on the safety of bridge construction. Therefore, strain gauges are installed on the main girder sections on both sides of the intermediate pier to record and analyze the strain and stress at each construction stage of the main measuring points before the swivel, and vibration sensors are arranged at the cantilever ends to carry out modal analysis and vibration monitoring of the swivel process, so as to judge the safety of bridge construction. The results show that after 0# block is poured, the stress values of the top and bottom plate measuring points increase. After 0# block is poured until the prestressed reinforcement of 2# block is tensioned, the top plate stress shows a downward trend on the whole, and the stress of the top plate measuring point continues to increase during the removal process. After 0# block is poured until the removal is completed, the bottom plate stress shows a downward trend on the whole; the first-order mode shows symmetrical bending of the main beam, and the second-order and third-order modes show antisymmetrical bending of the main beam. The adverse effects of vibration on the beam body during the swivel process are limited, which will not threaten the safety of the beam body.
Keywords: horizontal swivel; stress monitoring; vibration monitoring; dynamic response; modal analysis
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