0 引言

桥梁是道路重要组成部分，大型桥梁往往是山区高速公路建设中的关键性枢纽及控制性工程，其建设工期往往决定着整条线路的工期。随着桥梁科学技术的发展，塔、墩等结构的施工工艺已日趋成熟，其施工工艺优化空间变小，此时主梁架设工艺的优化与革新无疑是缩短建设工期的唯一途径。对于山区大跨度桥梁，由于难以解决主梁节段的整体纵向运输，因此基本都采用散拼法^[1-2]进行主梁架设施工。虽然该方法起重量小，杆件的对接、调整、安装方便，但起重设备规模大，空中作业时间长，施工效率低，施工质量不易控制，工期相对较长^[3]，因此节段整体拼装法优势明显。山区桥梁节段整体拼装常采用轨索移梁工艺^[4]或缆索吊机^[5-6]架设，两种工艺均能解决主梁节段整体运输和安装问题，施工效率高，空中作业时间短，但轨索移梁工艺是针对于悬索桥研发的工艺，很难应用到山区斜拉桥的主梁施工之中；缆索吊机架设法虽在鸭池河大桥成功应用，但缆索系统的锚固要求高，设备投入巨大，且随着跨径的增大，缆索吊机施工风险增大。

节段纵移悬拼法利用小型机具设备的组合运用，可实现钢桁梁节段的整体提吊、纵向运输及对接拼装，但该工艺在国内外没有成功案例可以借鉴，且梁段自重大，构件间的连接多且复杂，工艺的可行性、各系统的安全可靠性、桁段空中整体拼装的难易程度及结构的动力响应均需要透彻的研究。为此，本文基于北盘江大桥拟定的中跨施工工艺进行了足尺模型试验^[7]，并基于耦合系统动力学理论，建立了试验结构大系统运动方程，进行了实测数据与计算模拟值的对比，以期验证该工艺的可行性、合理性及安全性。

1 系统组成及足尺模型简介 1.1 系统组成

节段纵移悬拼工艺由地面起吊系统、承重系统、运梁系统、运梁小车、临时吊点及桥面吊机组成。运梁系统，见图 1，可看成一道固定在下弦杆下方的轨道梁，其截面形式为HW350×250×9×14；运梁小车，见图 2，配置了8排轮组，每排轮组有独立电机驱动，额定吊装重量为1 200 kN，可进行遥控实现自行行走，负载时可以5~15 m/min两档运行；桥面吊机为后支点式三角桁架体系，后支点锚固于已拼装的上一节段上弦杆，主桁为1.5 m标准贝雷片，斜拉系统由1根刚性竖杆与2根斜拉螺纹钢组成，通过链条驱动位于主桁上的提升吊点实现其纵向移动，并通过横向千斤顶实现吊点横向移动。

1.2 模型试验总体布置

选取B1，B2节段作为已拼装节段，选取B3节段作为待拼装节段，将已拼装节段提升并于支架连接，并在已拼装节段上安装桥面吊机。试验共设置4台运梁小车，前、后纵移吊点分别重645.8, 318.5 kN，前、后提升吊点分别重305.5, 658.8 kN。模型试验总体布置见图 3。

1.3 试验工况及测点布置 1.3.1 试验工况

工况1：起吊。通过设置在B2节段下弦杆的卷扬机，将B3节段以1 m/min的速度整体提升至预定高度。

工况2：初次吊点转换。连接纵移吊点与运梁小车，随后松开提升吊点完成初次吊点转换。

工况3：运梁小车低速挡(5 m/min)行走。

工况4：运梁小车高速挡(15 m/min)行走。

工况5：提升前吊点受力协同前移。当挑梁伸出后，利用桥机前吊点吊起B3节段前提升吊点，并与运梁小车协同前移。

工况6：二次吊点转换。将吊点由纵移吊点全部转换至提升吊点。

工况7：桥机吊点前移。桥机吊点吊起B3节段以5 m/min的速度前移，直至B3节段完全挑出。

工况8：整体提升。利用桥面吊机整体提升B3节段至预定高度。

工况9：对接。利用桥面吊机的三向微调功能实现B3节段与B1节段的对接。

工况10：高强螺栓安装。

1.3.2 测点布置

(1) 加速度测点

加速度传感器位于轨道梁、已拼装节段主桁架及桥面吊机端部，测点布置见图 4。

(2) 应变测点

单条轨道梁共布置7个应变测点，按运梁方向依次为G1~G7，其中G3测点位于1.5 m跨跨中，测点布置见图 5。

2 试验过程结构动力响应分析

当待拼装节段提升与前移时，系统可简化为两自由度的弹簧-质量块振动系统，待拼装节段考虑竖向位移和点头2个自由度，运梁系统可简化为多自由度的弹簧振动系统，钢管支架可视为一刚度、阻尼很大的弹簧^[8-10]。各工况的系统动力模型见图 6，其中图 6(c)~(e)中未标示出钢管支架的刚度与阻尼。

在图 6中，t为时间，m₁^j, m₂^j(j=1, 2, 3, 4, 5，为状态编号，下同)分别为前、后支承点(卷扬机、运梁小车)质量; M₁^j, M₂^j分别为前、后吊点重量; K₁^j, C₁^j分别为前吊点钢丝绳的刚度和阻尼; K₂^j、C₂^j分别为后吊点钢丝绳的刚度和阻尼；K_s, C_s分别为钢管支架刚度和阻尼; M_a^j, M_jb^jj, M_c^j分别为钢管支架分配的既有结构(包括已拼装钢桁梁与桥机)质量; y_a^j, y_b^j, y_c^j分别为支架弹簧的竖向位移；k_t, c_t分别为单组螺纹钢的刚度和阻尼; l_{δ, δ+1}为第δ组螺纹钢与第δ+1组螺纹钢间距；k_t1, k_t2^[11]分别为前、后运梁小车车轮刚度；M_q1^j, M_q2^j分别为桥机前、后锚固点分配的重量; y_q1^j, y_q1^j分别为桥机前、后锚固点与钢桁梁大节点相对竖向位移；L₁^j, L₂^j分别为待拼装节段前、后吊点与节段重心距离; I_j为惯性矩; v_j为移动速度; y₃^j为竖向位移; θ_j为转角; y₁^j, y₂^j分别为前、后吊点所在支承点挠度。此时运梁小车动力平衡方程为：

(1)

(2)

(3)

(4)

当为提升工况时，式(3)、(4) 中R₁^j, R₂^j为卷扬机与下弦杆或桥机挑臂的作用力向量；当为纵移工况时，R₁^j, R₂^j为运梁小车与轨道梁的作用力向量，且R₁^j=k_t1r₁，R₂^j=k_t2r₂，r₁, r₂为前后运梁小车所在轨道位置的不平度，方向以向上为正；当为协同前进工况时，R₁^j为卷扬机与下弦杆或桥机挑臂的作用力向量，R₂^j为运梁小车与轨道梁的作用力向量。

设运梁系统有n组螺纹钢，第δ组螺纹钢仅承受其前后一半跨度的轨道梁重量，该部分重量为m_δ，即：

(5)

式中γ₀为轨道梁线容重。

第δ组螺纹钢所在轨道梁截面的挠度为，轨道梁承受的外部作用力为F_t，可得轨道系统的动力平衡方程为：

(6)

桥机动力平衡方程为：

(7)

(8)

式中F_s-q1^j，F_s-q2^j为桥机前、后锚固点与钢桁梁耦合作用力向量。

钢管支架系统动力平衡方程为：

(9)

式中F_s-v^j为卷扬机或运梁小车与既有结构耦合作用力向量。

式(1)~(4) 与式(6)~(9) 可写成如下矩阵形式：

(10)

式中，j=1, 2, 3, 4，分别为4个不同工况；M，C，K和F分别为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和荷载向量; u，和ü分别为位移向量、速度向量和加速度向量; 下标v, t, q, s分别为运梁小车、运梁系统、桥机和钢管支架结构。为减少计算量，在桥机或运梁系统未参与工作的工况中仅考虑它们对整体结构的质量贡献，此时可将式(10) 的对应矩阵式去除即可。式(10) 可采用Newmark积分法进行求解，其中阻尼采用Rayleigh阻尼，忽略钢丝绳、螺纹钢的α阻尼，其他构件则需同时考虑α阻尼及β阻尼，阻尼比取0.02^[12-13]。

3 试验结果 3.1 加速度

测点加速度幅值见表 1，由于公路桥梁规范中对于加速度的限值规定较少，此处引用在秦沈客运专线综合试验段(设计时速300 km)桥梁的研究和设计中提出的跨中最大允许竖向振动加速度0.35g作为对比值，g为重力加速度。

由表 1可知，测点的加速度幅值与其所在位置有关，相同工况下不同测点的加速度幅值差异性较大，同时，相同测点在不同工况下的加速度幅值也有一定差别；轨道梁测点的最大实测加速度幅值均表现为纵向，并于工况4达到最大，此时J1, J2测点幅值分别为664.9, 966.9 mm/s²；钢桁梁测点的最大实测加速度幅值均表现为竖向，并于工况7达到最大，此时J3, J4测点幅值分别为339.3, 176.7 mm/s²；由于桥面吊机为悬臂结构，其悬臂端部测点振动较大，实测加速度幅值于工况7达到最大，为4 089.4 mm/s²，表现为竖向，最大竖向加速度为0.212g，小于0.35g。同时，工况4较工况3各测点加速度幅值明显增大，其中工况4中J1, J2的纵向加速度实测幅值较工况3增大约54%，竖向加速度实测幅值增大约51%，J3的纵向加速度实测幅值较低速档增大约31%，竖向加速度实测幅值增大约36%，这说明运梁小车移动速度对结构的冲击效应影响较为显著，且结构不同位置、不同方向对运梁小车移动速度的敏感程度不同；测点理论计算所得竖向加速度幅值与实测幅值吻合较好，相差最大的为工况3的J3测点，误差为5.6%。

3.2 应力

工况3，4的轨道梁各应变测点实测峰值与理论值对比见图 7。

由图 7可知，轨道梁最大应力峰值出现在G3测点，工况3时G3实测应力峰值为114.7 MPa，最大应力理论值为105.6 MPa，工况4时G3实测应力峰值为118.3 MPa，最大应力理论值为108.7 MPa；测点应力峰值与其所处轨道梁跨度基本呈正比例关系，轨道梁各测点实测应力峰值均在安全范围内，运梁系统能满足高速载重行走，且理论应力峰值与实测值吻合较好。工况4与工况3应力峰值之比见表 2。

由表 2可知，运梁小车高速档运行时轨道梁应力峰值均较低速档有所增大，轨道梁不同应力测点对车速的敏感程度不同，其中G3测点对车速相对最为敏感，其高速档应力峰值约为低速档的1.03倍，G2，G6测点对车速相对不敏感，其高速档应力峰值约为低速档的1.02倍。

3.3 试验消耗及过程描述

足尺模型试验各工况所消耗时间及工人数见表 3。

由表 3可知，工况10耗时最长，且需要16人配合施工，但螺栓安装属于常规施工，并不是施工工艺能够改善的；由于前提升吊点原设计复杂，导致工况6耗时138 min，存在较大优化空间；桥面吊机三向微调功能可实时调整钢桁梁的空间位置，为钢桁梁整体对接的快速、顺利完成提供了基础，整个对接作业仅耗时23 min；运梁小车稳定、可靠，在行进过程中速度均匀，未出现停车、蛙跳及不同步现象。此外，试验过程平稳，工况间的衔接顺利、连贯性较好；施工组织流程合理，整节段地面提升、运输、拼装可在一天内完成，较散件拼装法工期优势明显。

4 结论

足尺模型试验于2014年12月开始架设试验支架，并于2015年8月2日至2015年8月20日进行了试验。通过此次足尺模型试验可以得出以下结论：

(1) 主梁节段提升后交给运梁小车，运梁小车将节段运送至安装位置，桥面吊机完成整体提升及对接拼装，施工组织流程合理。同时结构加速度幅值较小，试验过程平稳，工序间的衔接顺利，验证了节段纵移悬拼法的可行性、合理性及安全性，节段纵移及整体对接耗时短，较散拼法工期优势明显。

(2) 运梁小车机动性能良好，实现了梁段运输的自动化，运梁系统稳定性较好，能满足小车载重高速行走；桥面吊机的三向微调功能在节段整体对接过程中起到了关键作用。

(3) 测点理论竖向加速度幅值、理论轨道梁应力峰值与实测值吻合较好，验证了理论模型的准确性，运梁小车高速挡行走时对结构的冲击效应较低速挡大，不同测点对车速的敏感程度不同，桥机吊点前移过程中系统的振动最为显著。

(4) 由于前提升吊点构造复杂，在二次吊点转换中耗费了较多时间，存在较大优化空间。