大跨度連續梁轉體施工平衡稱重分析

舒 康，王常峰，秦 凱

（煙臺大學，山東 煙臺 264005）

大跨度連續梁轉體施工平衡稱重分析

舒 康，王常峰，秦 凱

（煙臺大學，山東 煙臺 264005）

青連鐵路工程牟家村跨同三高速公路特大橋，上跨兗日鐵路，采用了轉體的施工方法，在橋梁轉體之前對轉動體進行了稱重試驗以保證橋梁安全順利轉動。采用了平衡稱重的試驗方法，對測試結果進行了分析，提出了對轉體梁的平衡配重方案，為正式轉體牽引力大小的確定提供了基本參數。轉體過程表明，橋梁的配重合適，橋梁轉體過程進展順利。

大跨度連續梁；轉體施工；稱重試驗；不平衡力矩；配重

0 引言

隨著我國交通運輸業的飛速發展，各類型的跨線橋越來越多，橋梁轉體施工方法在跨越既有線施工的同時又能保證既有交通運輸的暢通，而且轉體施工方法可以將在障礙上空的作業轉換到無障礙一側進行施工，極大地降低了施工難度，因而近年來轉體施工也得到了快速推廣[1]。為了使橋梁轉體過程更加安全可靠，很多學者對橋梁轉體之前的稱重試驗做了大量研究。魏峰、陳強、馬林[2]提出球鉸摩擦面簡化為平面計算摩阻系數的條件。蔡軍田[3]得出采用平衡稱重和配重的方式，極大地減小轉體所需的牽引力。尚高科[4]提出澆筑梁體掛籃拆除不對稱時，在稱重之前對梁體進行預配重。王繼紅[5]給出了彎斜T構的糾偏措施。寶成德、向中富[6，7]等提出，一個理想的轉動體必須具備安全穩定和易于轉動這兩個基本條件。郭恒[8]提出球鉸是整個轉體系統最關鍵構件，摩阻系數直接影響著轉體所需牽引力的大小。譚雷平[9]指出在大噸位拱橋轉體施工中平衡稱重試驗數據能對施工起到較好的指導效果。對于轉體梁而言，梁體混凝土分布差異（鋸齒塊分布不對稱，橋梁縱坡以及混凝土澆筑過程中的誤差）、邊跨及中跨鋼筋的用量不同、預應力張拉程度的差異等均會導致中跨及邊跨梁體的自重和剛度不對稱，從而產生不平衡力矩。為了保證連續梁始終能夠保持安全、平穩，在梁體轉動前必須對連續梁進行不平衡力矩測試試驗（即稱重試驗）以確定連續梁轉動過程中的受力狀態，同時計算出轉動體的摩擦系數、偏心距及不平衡力矩等參數，為后續轉體過程選擇機械設備、施工處理措施以及轉體的安全性能評估提供必要的技術依據。本文以青連鐵路牟家村跨同三高速公路（40+64+40）m連續梁橋轉體施工為例，對轉體梁的稱重試驗進行了論述。

1 工程概況

新建青連鐵路工程ZQ-3標段牟家村跨同三高速公路特大橋（40+64+40）m連續梁橋上跨兗日鐵路，為三跨混凝土連續梁橋，全橋長144 m，轉體過程中采用兩墩同步轉體的施工方法。連續梁梁體為單箱單室、變高度、變截面直腹板結構。箱梁頂寬8.1 m，箱梁底寬4.4～5.4 m。全聯在端支點、中跨中及中支點處共設5個橫隔板，橫隔板設有過人孔洞，供檢查人員通過。頂板厚度除梁端外均為35 cm，底板厚度由跨中的40 cm按二次拋物線變化至根部的70cm，腹板厚40～60 cm、60～80 cm，按折線變化。梁體截面梁高最厚為5 m，最薄為3 m，按二次拋物線變化。

轉體系統由上下轉盤、球鉸及動力系統組成。上轉盤是轉體的重要結構，在整個轉體過程中形成多向、立體的受力狀態，為八邊形，高2.0 m；轉臺直徑7.6 m，高度為0.8 m。下盤為支撐轉體結構全部重量的基礎，轉體完成后與上轉盤通過后封C50混凝土共同形成橋梁基礎承臺。上球鉸直徑4 200 mm，下轉盤球鉸直徑3 000 mm，厚度均為40 mm。18#、19#轉體墩總重量均為30 000 kN，轉體角度為48°。兩轉體墩采用同步逆時針一次性轉體到位。

2 稱重分析方法

2.1 稱重原理

（1）稱重測試原理

該橋采用球鉸轉動法測試梁體不平衡力矩，這種方法是通過剛體位移突變來確定轉動體的各種相關參數。此方法優點主要在于只考慮轉體梁的剛體效應，排除了結構發生位移突變之前撓度等因素的影響，因而得出的結果較為準確[10]。連體在拆除支架和砂箱后，整個T構會出現兩種情況的平衡方式，MZ定義為摩阻力矩，MG為不平衡力矩。兩種平衡方式如下：

方式一：MZ＜MG，在此種情況下，梁體在不平衡力矩作用下會在豎平面內發生剛體轉動直至撐腳與滑道面接觸，此時撐腳參與受力。

假設重心在右側：從大里程側升頂時，P1L大-MG-MZ=0；從大里程測落頂時，P2L大-MG-MZ=0；。聯立方程可求得：MG=（P1+P2）L大/2，MG=（P1-P2）L大/2。

方式二：MZ＞MG，這種受力狀況下，結構摩擦力矩抵消了不平衡力矩，在豎平面內梁體不發生剛體轉動，撐腳不會參與受力此狀態稱之為自平衡狀態。

假設重心在右側：大里程側頂升時，P3L大-MGMZ=0；小里程側頂升時，P4L大-MG-MZ=0。聯立方程可求得：MG=（P3L大+P4L小）/2,MG=（P3L大-P2L小）/2。

（2）球鉸摩擦系數計算原理

稱重試驗時，梁體在豎平面內發生順時針、逆時針的微小轉動。摩擦力矩為上下球鉸面每個微面積上的摩擦力矩之和(見圖1)。

圖1 轉動體球鉸靜摩擦系數計算示意圖

球鉸的靜摩擦力矩dMZ=RcosθdF，dF=μ0σdA，dA=2πrds，r=Rsinθ，σ=σ豎cosθ,σ豎=N（/πR2sin2α），則

將球鉸參數代入得：α=14.479°，球鉸靜摩阻系數μ0=MZ/（0.985NR），摩擦面按平面計算時，球鉸靜摩阻系數μ0=MZ/（NR）。計算結果兩者相差1.5%，因此若球鉸的球面半徑較大而矢高比較小時，可將球鉸摩擦面簡化為平面來計算摩阻系數。

2.2 測點布置及測量參數

橋梁正式轉體前，應進行試轉，試轉嚴格控制在鐵路限界邊以外。試轉前，需進行稱重平衡試驗，測試轉體部分的不平衡力矩、偏心矩、摩阻力矩及摩擦系數等參數，實現橋梁轉體的配重要求。在上轉盤下用千斤頂施加力，分別用位移計測出球鉸由靜摩擦狀態到動摩擦狀態的臨界值，上轉盤兩側的力差即為不平衡重量。

根據該狀態的測試方法，在兩幅梁的承臺底面布置4臺400 t的千斤頂，縱向距球鉸中心為4.09 m，橫向距球鉸中心為3.06 m。在上轉盤邊緣布置4個百分表測量轉體墩的豎向位移。具體布置如圖2和圖3所示。

圖2 千斤頂布置立面圖（單位：m）

圖3 千斤頂布置平面圖

2.3 試驗步驟

轉體梁稱重步驟如下：

（1）在所選斷面處布置位移傳感器和頂升千斤頂；

（2）千斤頂同步逐級加力，記錄位移傳感器的微小位移，直到位移出現突變，為保證數據的可靠性，每側頂升兩次，并校核記錄的數據；

（3）繪制出轉體梁P-Δ曲線；

（4）重復以上試驗；

（5）對轉體梁縱向和橫向分別進行頂升試驗；

（6）確定梁體不平衡力矩、偏心距、球鉸摩阻系數；

（7）確定梁體的配重量、位置。

3 稱重結果分析

梁體脫架后，分別對18#墩和19#墩的撐腳進行觀察，兩橋墩撐腳與滑道之間的間距均只發生微小的變化，可以判斷兩轉體墩的不平衡模式屬于第二種情形，即轉體墩球鉸摩擦力的力矩大于梁體不平衡力矩，撐腳沒有受力，摩擦力矩與梁體的不平衡力矩維持了整個轉體梁的穩定。

3.1 18#墩試驗結果

18#墩實測位移和頂力的關系曲線如圖4～圖7所示，千斤頂在上轉盤上的作用點距離球鉸中心點縱向的等效力臂為L1=L2=4.09 m，橫向等效力臂為L3=L4=3.06 m。

圖4 18#墩縱向小里程側頂力-位移曲線

圖5 18#墩縱向大里程側頂力-位移曲線

圖6 18#墩橫向左側頂力-位移曲線

圖7 18#墩橫向右側頂力-位移曲線

由圖可知，梁體發生剛體位移突變，小里程側頂升力為2 000 kN，大里程側頂升力為3 200 kN，橫向左側頂升力為3 200 kN，右側頂升力為34 000 kN。根據相關公式可得出18#墩縱向不平衡力矩MG= 2 454 kN·m；球鉸縱向摩阻力矩MZ=10 634 kN·m；縱向偏心距е=0.082 m，縱向滑動時球鉸靜摩阻系數μ0=0.060；橫向不平衡力矩MG=306 kN·m；鉸縱向摩阻力矩MZ=10 098 kN·m；縱向偏心距е=0.010 m，縱向滑動時球鉸靜摩阻系數μ0=0.057。

3.2 19#墩試驗結果

19#墩實測位移和頂力的關系曲線如圖8～圖11所示，千斤頂在上轉盤上的作用點距離球鉸中心點縱向的等效力臂為L1=L2=4.09 m，橫向等效力臂L3=L4=3.06 m。

圖8 19#墩縱向小里程側頂力-位移曲線

圖9 19#墩縱向大里程側頂力-位移曲線

圖10 18#墩橫向左側頂力-位移曲線

圖11 18#墩橫向右側頂力-位移曲線

由圖可知，梁體發生剛體位移突變，小里程側頂升力為3 200 kN，大里程側頂升力為2 200 kN，橫向左側頂升力為3 400 kN，右側頂升力為36 000 kN。根據相關公式可得出18#墩縱向不平衡力矩MG= 2 045 kN·m；球鉸縱向摩阻力矩MZ=11 043 kN·m；縱向偏心距е=0.051 m，縱向滑動時球鉸靜摩阻系數μ0=0.062；橫向不平衡力矩MG=306 kN·m；鉸縱向摩阻力矩MZ=10 710 kN·m；縱向偏心距е=0.010 m，縱向滑動時球鉸靜摩阻系數μ0=0.060。

3.3 配重

轉體墩在脫架后在不平衡力矩和球鉸的摩擦力矩的作用下處于自平衡狀態，梁體的不平衡力矩較小，采用質量平衡轉體配重，此種配重方法操作簡單方便，所需配重較小，由于轉體墩的整個質量都由球鉸承擔，撐腳和滑道之間分離開，有效地減小了轉體過程中的摩擦阻力，減小了轉體所需的牽引力。通過對18#墩、19#墩稱重結果分析可知，18#墩轉動體不平衡力矩偏向大里程側，需要在大里程側進行配重，19#墩轉動體不平衡力矩偏向小里程側，需要在小里程進行配重。配重量的計算可根據以下公式確定：

所需配重（G）=不平衡力矩（MG）/配重力臂（L）

為了盡量減小梁體的配重同時保證安全，梁體上的配重布置在距離梁端2 m的位置，則配重力臂L=28 m。

18#墩小里程配重重量為G=2 454/28.0=87.6 kN，布置在小里程側距梁端2 m處。

19#墩大里程配重重量為G=2 045/28.0=73 kN，布置在大里程側距梁端2 m處。

18#墩、19#墩橫向不平衡力矩均很小，可以不進行配重。

4 結 語

（1）轉體T構兩側構造上的不對稱以及在混凝土澆筑過程中的誤差、球鉸安裝等誤差，梁體存在不平衡力矩。通過稱重試驗，可以確定轉體T構的偏心矩、摩阻系數，確保轉體順利安全進行，這些參數都是至關重要的。因而，在轉體之前做稱重試驗是很有必要的。

（2）通過稱重試驗，可以快速對轉動體進行配重，確保T構兩側大致平衡，在轉動過程中使撐腳與滑道脫離，有效減小了轉體所需的牽引力。

（3）18#墩T構縱向和橫向摩擦系數相差0.003，19#墩T構縱向和橫向摩擦系數相差0.002，可以認為球鉸接觸面在縱向和橫向是均勻的。

（4）此次對青連鐵路跨同三高速公路特大橋（48+ 64+48）m連續梁的稱重試驗的試驗步驟及試驗方法，可為今后同類型橋梁的稱重試驗提供一些參考。

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[3]蔡軍田.客專大跨度連續梁轉體施工平衡稱重分析[J].城市道橋與防洪,2013(2):69-71.

[4]尚高科.連續梁橋平轉施工稱重試驗研究[J].研究與設計,2012 (S1):30-31,8.

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[7]向中富.橋梁施工控制技術[M].北京：人民交通出版社,2001.

[8]郭恒.北盤江大橋12000t轉體球鉸的研制與應用[J].材料開發與應用.2001,16(5):36-39.

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U445

B

1009-7716（2016）12-0116-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.12.034

2016-09-30

舒康（1990-），男，湖北黃岡人，碩士研究生，主要研究方向為橋梁抗震。