橋梁平轉(zhuǎn)施工稱重試驗及啟動牽引力計算探討

陳順超，黃平明，王吉磊

(1.長安大學(xué) 橋梁與隧道陜西省重點實驗室，西安 710064;

2.西南林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，昆明 650224;3.中鐵十局 濟鐵公司，濟南 250001)

當(dāng)新建橋梁跨越交通繁忙的既有鐵路或高速公路時，為了最大限度地減小橋梁施工對交通運營的影響，首選方案就是平面轉(zhuǎn)體施工。平面轉(zhuǎn)體施工的關(guān)鍵部位是轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，它由上轉(zhuǎn)盤、下轉(zhuǎn)盤及牽引系統(tǒng)組成。目前的橋梁轉(zhuǎn)體施工，轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)普遍采用凹形預(yù)制鋼球鉸，外加鋼管混凝土撐腳作為保險支腿;牽引系統(tǒng)普遍采用預(yù)埋鋼鉸線索、牽引反力座及電腦控制同步連續(xù)千斤頂［1-4］。

橋梁轉(zhuǎn)體要想順利、安全、平穩(wěn)，就必須保證梁體在轉(zhuǎn)動過程中始終處于平穩(wěn)狀態(tài)，并且牽引系統(tǒng)能提供充足、穩(wěn)定的牽引力。要做到這兩點，必須通過稱重試驗測試轉(zhuǎn)動體的不平衡力矩以及靜摩阻系數(shù)，從而制定相應(yīng)的配重方案，并根據(jù)實際支承情況計算啟動牽引力，確保牽引系統(tǒng)的動力安全系數(shù)滿足要求。目前，稱重試驗雖已在轉(zhuǎn)動體不平衡狀況識別中普遍采用，《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 041—2000)也提供了啟動牽引力的計算公式，但仍然存在不完善之處。本文將結(jié)合濱州—德州高速公路上跨京滬鐵路立交橋轉(zhuǎn)體施工監(jiān)控實踐，對轉(zhuǎn)體橋稱重試驗及啟動牽引力計算進行探討。

1 轉(zhuǎn)體稱重試驗的討論

轉(zhuǎn)體稱重試驗的目的是測試轉(zhuǎn)動體的不平衡力矩、靜摩阻力矩及靜摩阻系數(shù)，并據(jù)此制定相應(yīng)的不平衡配重方案。絕大多數(shù)情況，球鉸的摩阻力矩大于不平衡力矩，砂箱拆除后，撐腳并不落地，轉(zhuǎn)動體處于球鉸單獨支承狀態(tài)。

稱重試驗的原理是假設(shè)轉(zhuǎn)動體能繞球鉸發(fā)生剛體轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)動體發(fā)生轉(zhuǎn)動位移突變時，轉(zhuǎn)動體在施加的轉(zhuǎn)動力矩、不平衡力矩及靜摩阻力矩三者作用下剛好處于力矩平衡的臨界狀態(tài)。目前通常的做法如圖1所示，分別在轉(zhuǎn)動體的兩個相對方向施加豎向頂升力，并同時測試梁體的豎向位移，繪制位移—力曲線，從中判斷出拐點，拐點所對應(yīng)的力即為臨界力 P1，P2，頂升力作用點至球鉸中心距離分別為 L1，L2，根據(jù)下述公式(1)～公式(3)即可計算得到不平衡力矩、靜摩阻力矩及靜摩阻系數(shù)。

圖1 稱重試驗常規(guī)做法原理示意

其中，R球為球鉸球面半徑;G為轉(zhuǎn)動體總重量。

從上述分析可見，稱重試驗的關(guān)鍵是如何較準(zhǔn)確地確定轉(zhuǎn)動體由靜止到轉(zhuǎn)動的臨界點，這又涉及到力和位移兩個方面的因素，下面分別來分析。

1.1 作用力的影響

稱重試驗最理想的方式是直接施加轉(zhuǎn)動力矩，但實際只可能通過力的施加來產(chǎn)生力矩。當(dāng)力作用于剛體時，其作用效應(yīng)可分為轉(zhuǎn)動力矩和力兩部分，其中轉(zhuǎn)動力矩屬于有效部分。為了潤滑，上、下球鉸之間充填有一定厚度的黃油四氟粉，如圖2所示。當(dāng)有頂升力作用時，同側(cè)的黃油壓力會減小，空隙變大，相對一側(cè)的黃油會被壓迫、擠出，空隙減小。并且頂升力越大，此效應(yīng)越顯著?？梢?，豎向力的作用對球鉸的均勻轉(zhuǎn)動是不利因素，在保證轉(zhuǎn)動力矩的情況下，力越小，越接近球面轉(zhuǎn)動的理想狀態(tài)。所以，從提高測試精度的角度考慮，作用力的力臂越長越好。

圖2 豎向力對球鉸影響的示意

作用力的施加位置位于懸臂端部是最理想的狀況，這存在兩種可能。一是在梁端的下部用小型千斤頂頂升，這種方式實際不可行。因為梁下需要搭設(shè)支架才能有著力點，支架的穩(wěn)定性成問題，而且梁端下部頂升將使懸臂根部斷面的底板受拉，有可能損壞梁體。二是在梁端上部壓重，在懸臂根部產(chǎn)生的負彎矩剛好由頂板的預(yù)應(yīng)力鋼束承擔(dān)。以濱德高速為例，轉(zhuǎn)體T構(gòu)長76 m，要克服不平衡力矩 +摩阻力矩，偏安全地考慮需要在距梁端2 m處壓重450 kN。則上緣最大拉應(yīng)力、下緣最大壓應(yīng)力增量分別約為0.7 MPa，0.82 MPa，且壓重完成后所有截面均為壓應(yīng)力，足夠安全。壓重橫向位置只要不集中于頂板中央，對箱梁局部也不會造成損壞。

梁端壓重的加載方式，由于豎向力小，其試驗精度顯然優(yōu)于常用的墩底頂升的方案，安全性也能保證，唯一的缺點是吊裝工作量較大?，F(xiàn)場吊裝條件允許時，可優(yōu)先考慮采用。

1.2 位移測試

目前，稱重試驗通常測試球鉸的豎向位移，其實并不合理。由于豎向力的影響，豎向位移并非完全由球鉸的轉(zhuǎn)動引起，實際上前期位移主要是黃油層受壓或減壓所導(dǎo)致的豎向位移。位移大小與黃油層的厚度有關(guān)，且位移與力之間也并非呈線性關(guān)系。反映在位移—力曲線上表現(xiàn)為曲線微凸，拐點不明顯，難以判斷。從稱重試驗的原理來看，既然是球面轉(zhuǎn)動，則應(yīng)該是測試沿球鉸邊緣切線方向的位移最為合理，如圖2所示。當(dāng)然安置百分表時，如果沿切線方向安置，容易造成接觸點打滑，影響測試結(jié)果。但是由于切線的水平夾角較小，通過測試水平位移，也能消除黃油層豎向位移的不利影響，起到與測試斜向位移同樣的效果。

為了探究豎向位移與水平位移的不同，在濱德高速公路上跨京滬鐵路立交橋轉(zhuǎn)體稱重試驗中對兩者進行了對比研究。圖3為同一次試驗對應(yīng)的位移—力曲線圖。由圖3中豎向位移曲線可知，突變前豎向已產(chǎn)生較大位移，實際反映了黃油層的影響;而圖3中水平位移曲線在球鉸轉(zhuǎn)動之前幾乎沒有位移，且突變更明顯。豎向位移—力曲線在突變前微凸，表現(xiàn)為非線性的性質(zhì)，可以想象黃油層越厚，非線性將越明顯;而水平位移則受黃油層的影響很小，拐點更容易判斷。由圖3中豎向位移曲線可得臨界力為3 326 kN，由圖3中水平位移曲線可得臨界力為3 342 kN，采用時應(yīng)以后者為準(zhǔn)。

圖3 位移—力曲線

由上述分析可見，測試水平位移能消除黃油層的不利影響，較測試豎向位移更為合理。實際測試時，應(yīng)以水平位移測試為準(zhǔn)，或兩者同時測試，綜合分析。

2 啟動牽引力的計算

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 041—2000)，轉(zhuǎn)體牽引力的計算公式為［5］

式中，T為牽引力;G為轉(zhuǎn)體總重量;R為下球鉸平面半徑;D為牽引力偶臂;f為靜摩阻系數(shù)，可由稱重試驗得到。

公式(4)推導(dǎo)的前提是整個轉(zhuǎn)體重量由球鉸單獨承擔(dān)。不考慮中間轉(zhuǎn)軸的影響，支承面可簡化為圓形，圓可看成由無數(shù)個圓心角無限小的等腰三角形組成，而三角形的重心位于垂線的2/3處，則容易得到公式(4)。

目前的轉(zhuǎn)體系統(tǒng)普遍采用球鉸+撐腳保險腿的形式，轉(zhuǎn)體時最理想的狀況是球鉸單獨支承，而撐腳與滑道處于若即若離的狀態(tài)，僅起保險的作用。實際上，這種理想狀況是不可能存在的，因為撐腳下要放入四氟滑片，擠入黃油，實際已經(jīng)受力。而且為了防止平轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)體豎向“大翻身”，普遍采用的是不平衡配重方案。為了保險，還在翹起的一側(cè)施加頂升力，使撐腳產(chǎn)生一定的壓力。因為撐腳摩阻力的力臂更大，此時如仍然按公式(4)計算啟動牽引力，則顯然會偏小。所以，比較合理的計算方法，應(yīng)該考慮撐腳參與受力的實際情況。撐腳參與受力后，轉(zhuǎn)動體實際處于超靜定結(jié)構(gòu)狀態(tài)，要精確考慮撐腳的受力狀態(tài)是不可能的，也沒有必要。轉(zhuǎn)前配重完成后，對翹起一側(cè)繼續(xù)頂升，這時轉(zhuǎn)動體實際已出現(xiàn)轉(zhuǎn)動位移突變，由于撐腳和球鉸下黃油的蠕變，其最終趨勢是趨向于球鉸和一側(cè)的撐腳共同承載。所以，承載的面積可考慮為球鉸全部面積加上半數(shù)撐腳的面積，如大部分設(shè)計是6個撐腳，即可考慮3個撐腳參與受力。

撐腳底板的形狀為扇形，如圖4所示。設(shè)撐腳摩阻力合力為F，合力臂為R撐腳，撐腳內(nèi)外側(cè)平面半徑分別為 R1、R2，摩阻系數(shù)為 f，撐腳底壓應(yīng)力為 σ，扇形所對應(yīng)圓心角為φ，則有

則轉(zhuǎn)體牽引力的計算公式為

圖4 撐腳摩阻力臂計算示意

濱德高速公路上跨京滬鐵路立交橋轉(zhuǎn)體系統(tǒng)采用環(huán)道與中心支承相結(jié)合的球鉸轉(zhuǎn)動體系，單幅轉(zhuǎn)體質(zhì)量約4 500 t;下球鉸平面直徑3.0 m，上球鉸平面直徑3.7 m，中心轉(zhuǎn)軸直徑0.26 m，球鉸球面半徑6.02 m，轉(zhuǎn)臺直徑6.60 m;撐腳內(nèi)、外側(cè)半徑分別為2.45 m，3.25 m，六個撐腳對稱布置于縱軸線兩側(cè)，每組撐腳由2個直徑600 mm的鋼管混凝土圓柱狀結(jié)構(gòu)組成，撐腳下鋼板面積為1.16 m2;實測靜摩阻系數(shù)為0.041。轉(zhuǎn)前對轉(zhuǎn)動體進行了頂升，使得撐腳接觸滑道，根據(jù)頂升情況考慮3個撐腳參與受力。實測啟動牽引力為467 kN，式(4)和式(6)計算結(jié)果分別為274 kN和444 kN。按規(guī)范公式(4)計算的啟動牽引力比實測值偏小很多，而按簡化公式(6)的計算值與實測值則較吻合。因此，應(yīng)考慮撐腳參與受力的實際情況，按公式(6)計算啟動牽引力，具體參與的程度應(yīng)視撐腳接觸的情況具體考慮，一般可考慮為半數(shù)撐腳參與受力。

3 結(jié)論與建議

1)梁端壓重代替千斤頂頂升，能保證結(jié)構(gòu)安全，豎向力的作用效應(yīng)更小，更接近球面轉(zhuǎn)動的理想狀況，測試結(jié)果更準(zhǔn)確。但吊裝工作量較大，現(xiàn)場條件允許時，可優(yōu)先考慮。

2)稱重試驗測試轉(zhuǎn)體水平位移，能消除黃油層豎向變形的影響，位移突變更明顯，臨界力的判斷更準(zhǔn)確、更容易。因此，位移測試應(yīng)以水平位移為主，或水平和豎向位移結(jié)合，綜合判斷臨界力。

3)規(guī)范提供的啟動牽引力計算公式只考慮球鉸支承，計算值偏小，偏于不安全。比較合理的計算方法應(yīng)考慮球鉸和撐腳共同支承的實際情況，球鉸考慮為全部受力，撐腳一般可考慮為半數(shù)參與受力。

［1］張聯(lián)燕，程懋方，譚邦明，等.橋梁轉(zhuǎn)體施工［M］.北京:人民交通出版社，2002:12-25.

［2］陳寶春，孫潮，陳友杰.橋梁轉(zhuǎn)體施工方法在我國的應(yīng)用和發(fā)展［J］.公路交通科技，2001，18(2):24-28.

［3］魏峰，陳強，馬林.北京市五環(huán)路斜拉橋轉(zhuǎn)動體不平衡重稱重試驗分析［J］.鐵道建筑，2005(4):4-6.

［4］余常俊.轉(zhuǎn)體法施工轉(zhuǎn)動體系設(shè)計、加工與安裝技術(shù)研究［J］.鐵道建筑，2010(6):1-3.

［5］中華人民共和國交通部.JTJ 041—2000 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2000.