小曲線半徑轉體橋梁不平衡力矩研究

王博妮

摘 要：對于小曲線半徑轉體橋梁，由于存在曲線效應，結構重心會偏向曲線內側，產生不平衡力矩。這是設計和施工過程中均需要重視的一個問題。從設計方面入手，簡要介紹了通過結構構造糾偏、橫向預設偏心等技術消除不平衡力矩的方法。因為施工偏差、轉體系統安裝誤差等，在轉體施工前，還需進行轉動體稱重實驗，科學配重。因此，介紹了不平衡力矩測試方法，從設計和施工措施方面入手，以保證轉體工程的順利實施。

關鍵詞：轉體橋梁；小曲線半徑；不平衡力矩；稱重實驗

中圖分類號：U442.5 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.10.125

橋梁轉體施工法是指在非設計軸線上將橋梁結構澆筑或拼裝成形后再轉體就位的一種施工方法。隨著我國鐵路事業的發展，與鐵路交叉的項目越來越多，采用轉體施工法只需短暫封鎖鐵路，可以大大降低對鐵路運營的影響，減少安全隱患，縮短工期，從而獲得較好的社會效益和經濟效益。

在特殊情況下，受地形、地物的限制，橋位處平曲線半徑比較小。采用轉體施工法時，鑒于曲線效應，橋梁內外側不平衡力矩會比較大。在轉體過程中，平衡是設計、施工時都必須重視的一個關鍵性問題。本文主要探討了小曲線半徑轉體橋梁設計中不平衡力矩的處理措施，并介紹了轉體施工前不平衡力矩的測試方法，以期為今后小曲線橋梁的轉體提供一定的理論參考。

1 設計技術措施

在采用平轉法施工的各階段的體系轉換中，梁體脫架形成大懸臂最關鍵，所以，在設計時，要重點考慮安全問題。對于小曲線橋梁，由于曲線半徑小、懸臂大，結構重心會偏向曲線內側，產生橫向不平衡力矩，嚴重影響轉體安全。為了消除不平衡力矩，在設計過程中，可以采取以下幾種措施。

1.1 構造糾偏處理法

構造糾偏處理法是從結構構造入手調整結構偏心，使結構重心盡量接近于轉體系統中心。在具體實施過程中，可采取以下措施：①在設計轉體部分的梁段時，可將曲線內、外側腹板設計成不等厚結構；②切除轉體結構梁端曲線內的部分梁段，待轉體就位后進行澆筑施工；③轉體內側部分橋面防撞護欄暫不澆筑，待轉體就位后再施工。

對于橋寬較小的橋，曲線外側腹板加厚對調整結構橫向偏心作用不大；相反，還會增加結構自重，使球鉸尺寸增大，而且設計也較為煩瑣，所以，不推薦采用。

1.2 橋面配載及臨時桁架糾偏處理法

橋面配載法即在轉體前，在橋面適當位置堆碼加沙袋，或采取其他方式增加配重，使結構內外側達到平衡。但是，當橋寬比較小時，直接在橋面上加載很難調整結構偏心。因此，可以在結構上設臨時桁架增加力臂，并在其上加載，以調整結構偏心，具體如圖1所示。

在設計過程中，要充分考慮臨時桁架的強度及其轉體過程中的穩定性，同時，結構自重也會明顯增加，球鉸的尺寸會增大，總體造價也會提高。

1.3 橫向偏心布置

通過上部結構精確計算出結構的橫向偏心后，可將轉體系統中心置于上部結構整體橫向偏心位置，如圖2所示，使上部結構重心與球鉸中心位于同一鉛垂線上，進而有效保證結構轉體過程中的穩定性。

由于橋梁橫橋向配重的空間和力臂比較小，所以，準確計算橫向偏心是非常重要的。橫向偏心建模計算時，應考慮梁體內齒塊的布置情況和橋面護欄的質量等。

綜上所述，對于小半徑曲線轉體橋梁，可采取結構構造糾偏、轉動體系預設偏心、適當加大球鉸、上下轉盤優化設計等措施保證轉體的穩定性。

2 轉體不平衡力矩稱重方法

從設計上考慮曲線效應并采取相關措施后，理論認為，轉體結構處于平衡狀態。但是，由于預應力張拉程度不同，轉體系統安裝誤差、施工偏差、梁體不均勻分布等因素使得轉體結構中存在一定的不平衡力矩，無法有效保證轉體過程中的安全性和平穩性。因此，在轉體施工前，需對轉體結構進行稱重，科學配重。在施工過程中，采取的不平衡力矩測試方法有以下幾種。

2.1 球鉸轉動測試法

球鉸轉動測試法：將轉體結構作為剛體，通過頂升剛體將靜摩擦轉為動摩擦，建立剛體的力學平衡方程，從而推算出不平衡力矩。待橋梁脫架后，整個轉動體系的平衡狀態表現為2種形式：①不平衡力矩大于球鉸的靜摩阻力，梁體發生轉動，直至一側撐腳落至滑道。此時，轉動體的平衡由撐腳、不平衡力矩和球鉸的摩阻力矩來保持。②不平衡力矩小于球鉸的靜摩阻力矩，梁體不發生轉動。此時，轉動體的平衡由不平衡力矩和球鉸的摩阻力矩保持。具體測試方法是：在球鉸兩側的對稱位置布設千斤頂，用于頂升轉動體，同時，布設荷重傳感器和百分表來記錄頂力和球鉸的轉動情況，繪制力—位移關系曲線，根據轉動體在升頂和落頂時發生剛體位移時的荷重傳感器讀數建立剛體力學方程，推算出轉動體的不平衡力矩和球鉸的摩阻力矩。

利用球鉸轉動法能獲得不平衡力矩、摩擦系數、摩阻力矩和偏心距等較多的力學參數，操作方便，而且只考慮轉動體為剛體，不涉及其他影響因素，所以，結果比較可靠。

2.2 砂箱應力測試法

砂箱應力測試法：將球鉸下混凝土截面與砂箱外套筒截面等效成一個截面。基于平截面假定，利用偏心受壓構件壓應力分布規律反推上部結構的不平衡力矩。在梁體落架前，不平衡力矩由支架承擔；在梁體落架后，不平衡力矩由球鉸和砂箱共同承擔。

式（1）（2）中：σ1為截面最大壓應力，由壓力產生的壓應力和彎矩產生的壓應力疊加；σ2為截面最小壓應力，由壓力產生的壓應力和彎矩產生的拉應力疊加；N為恒載在球鉸處產生的軸力值；A為砂箱的總面積；M為恒載在球鉸處產生的彎矩值；y為砂箱應變測試區至球鉸中心的距離；I為砂箱截面關于球鉸中心繞M方向的慣性矩。

拆架前，要在砂箱上安裝應變片，測試砂箱的初始應變值；拆架后，再次測試砂箱的應變值，通過應變差值推算不平衡力矩。

2.3 球鉸下應力評估法

梁體拆架前，支架承擔不平衡力矩，而不平衡力矩對球鉸處應力沒有影響。此時，球鉸處應力為初始應力。待梁體脫架后，不平衡力矩由球鉸承擔，球鉸處應力變化明顯。球鉸下應力評估法即在各工況下比較球鉸處應力和初始應力，以此估算各階段梁體的平衡狀態。在此過程中，要注意以下2點：①利用球鉸轉動測試法可以獲得不平衡力矩、偏心距、摩阻力矩和摩擦系數等較多的力學參數，結果比較準確；②在現場，可采取其他方法初步判定不平衡力矩，待部分配重后再采用球鉸轉動法稱重。

3 結論與建議

經過相關分析，針對這項工作提出了幾點建議：①從理論上講，轉體中心兩側結構的質量應完全一致。但是，實踐證明，在絕對平衡的狀態下，在轉體過程中，梁體極易發生抖動，而微平衡轉體有利于保證轉體過程中的穩定性。由相關經驗可知，一般需要在梁體重心與結構中心之間設置5～15 cm的預偏量。②在設計過程中，應準確計算結構自重，精確模擬各項荷載，以保證偏心值計算的準確度。③對于小曲線半徑橋梁，在選用轉體系統時，應盡量選用承載能力稍大的球鉸，以保證其安全性。④在設計方面，還應充分考慮所采取的各項糾偏措施對橋梁結構成橋運營階段受力的影響。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕