橋梁初始偏心下橋梁平衡轉體稱重實驗原理研究

翟鵬程 劉 濤 鄒 汛

(1.山西交通控股集團有限公司晉城高速分公司 晉城 048000；2.武漢理工大學土木工程與建筑學院 武漢 430070； 3.武漢馬房山理工工程結構檢測有限公司 武漢 430070)

橋梁轉體施工[1]始于20世紀40年代，是由于場地限制或者為了跨越鐵道線路，而在其兩側通過支架搭建或利用現場地形進行現場澆筑，再通過結構的轉動將梁體合龍的施工方法。我國已建的轉體施工橋梁約有100余座[2]。轉體施工中為保證橋梁轉體的安全平穩，則需要進行稱重實驗來確定橋梁的偏心情況，并加以配重保證轉體橋球鉸中心承重，同時確定球鉸的摩擦系數及啟動牽引力。

關于稱重實驗的原理現已有很多研究成果[3-5]。顏華惠等[6]對現行稱重實驗測量球鉸靜摩阻力進行了改進，但未考慮初始偏心的影響。郭寧等[7]在計算啟動牽引力的時候，考慮了滑道對轉動的影響，但未考慮初始偏心距對轉體系統的影響。本文基于現有稱重實驗原理，考慮初始偏心距的影響，并用實際工程進行計算分析，驗證考慮初始偏心距計算方法的優越性。

1 稱重實驗原理

橋梁轉體要順利、安全、平穩，必須保證梁體在轉動過程中始終處于平穩狀態,并且牽引系統能提供充足、穩定的牽引力。

通過轉體重心計算偏心距，由于各參數無法全部精確控制獲取，會存在實際偏心與理論計算不一致的情況，因此，需要在轉體前進行稱重試驗，以了解結構的實際偏心狀態，通過稱重試驗測試轉動體的不平衡力矩及靜摩阻系數，從而制定相應的配重實驗方案，并根據實際支承情況計算啟動牽引力，確保牽引系統的動力安全系數滿足要求。

1.1 摩阻力矩大于轉動不平衡力矩

1) 考慮初始偏心距對結果的影響。在轉動梁體左側用千斤頂進行頂升，當頂升力矩等于摩阻力矩及不平衡力矩之和，再加大頂升力時，梁體由原先的靜摩阻力變為動摩阻力，此時，梁體球鉸產生微小轉動，如圖1所示，圖中假設偏心在左側。

圖1 左側頂升

此時平衡方程為

P1(L1-e)-Ge=MZ

(1)

式中：P1為沿縱軸線左側千斤頂頂推過程中使球鉸產生微小轉動瞬間的頂力；L1為頂推力至球鉸中心處力臂長度；e為橋梁重心偏心距；G為橋梁重量；MZ為摩阻力矩。

在轉動梁體右側用千斤頂進行頂升，當頂升力矩及不平衡力矩之和等于摩阻力矩，再加大頂升力時，梁體由原先的靜摩阻力變為動摩阻力，此時，梁體球鉸產生微小轉動，受力示意見圖2。

圖2 右側頂升

此時平衡方程為

P2(L2+e)+Ge=MZ

(2)

式中：P2為沿縱軸線右側千斤頂頂推過程中使球鉸產生微小轉動瞬間的頂力；L2為頂推力至球鉸中心處力臂長度。

結合式(1)與式(2)，即可得到

(3)

(4)

Mg=Ge

(5)

(6)

式中：Mg為轉動不平衡力矩；μ為靜摩擦系數；R為球鉸球面半徑。

根據現行規范，可得到轉體啟動牽引力

(7)

式中：D為啟動牽引力偶臂。

2) 不考慮初始偏心距的影響。若不考慮初始偏心距，得e與MZ為

(8)

(9)

1.2 摩阻力矩小于轉動不平衡力矩

1) 考慮初始偏心距對結果的影響。當MZ

當撐腳與滑道接觸時，此時只能在撐腳落地一側施加頂推力，當頂升力矩等于摩阻力矩及不平衡力矩之和，再加大頂升力時，梁體由原先的靜摩阻力變為動摩阻力，此時，梁體球鉸產生微小轉動，如圖3所示，圖中仍假設偏心在左。

圖3 左側頂升

此時平衡方程為

P1(L1-e)-Ge=MZ

(10)

繼續試驗，此時左側千斤頂開始卸載回落，當頂升力矩與摩阻力矩之和等于不平衡力矩，再減小頂升力時，梁體由原先的靜摩阻力變為動摩阻力，此時，梁體球鉸產生微小轉動，如圖4所示。

圖4 右側頂升

此時平衡方程為

Ge-P(L1-e)=MZ

(11)

式中：P為千斤頂回落過程中球鉸產生瞬時轉動的頂力。

結合(10)與(11)，即可得到

(12)

(13)

其他參數計算，均同于式(5)～(7)。

2) 不考慮初始偏心距的影響。若不考慮初始偏心距，則得出結果e與MZ為

(14)

(15)

2 工程實例分析

2.1 工程概況

本橋為漢十高鐵65 m+100 m+65 m懸臂施工預應力連續梁橋，其跨越下方鐵路交通系統，轉體系統橋梁布置見圖5，轉體部分主要參數見表1。

圖5 主橋布置圖(單位：cm)

表1 轉體系統主要參數

2.2 測點布置

稱重試驗測試儀器布置見圖6、圖7。

圖6 稱重試驗儀器布置立面圖(單位：cm)

圖7 稱重試驗球鉸處儀器布置平面圖(單位：cm)

在橋梁轉動體兩側對稱于橋梁中心線布置4臺4 000 kN千斤頂，用以在稱重試驗時對轉動體進行頂放，測試試驗過程中臨時支點的反力值。

如圖8、圖9所示，在兩側撐腳處位置布置4個豎向百分表，記錄每級加載時相應的豎向位移。在相鄰位置布置4個水平向百分表記錄每級加載時相應的水平位移，用以綜合判斷球鉸轉動的臨界狀態，合理確定臨界力值。

圖8 百分表橫向布置大樣圖(單位：cm)

圖9 百分表豎向布置大樣圖(單位：cm)

2.3 測試結果及分析

取319號墩測試結果，如表2 、表3所示。

表2 中跨側加載位移數據

注：表中豎向位移值正號為上升，負號為下降；橫向位移以十堰方向為正，以武漢方向為負。

表3 邊跨側加載位移數據

注：表中豎向位移值正號為上升，負號為下降；橫向位移以十堰方向為正，以武漢方向為負。

根據表2繪制中跨力-位移曲線，見圖10。

圖10 中跨側頂升力-位移變化圖

由圖10可知，中跨側突變值P1=1 241.3 kN。

根據表3繪制邊跨力-位移曲線見圖11。

圖11 邊跨側頂升力-位移變化圖

由圖11可知，邊跨側突變值P2=2 342.6 kN。

由于頂升之前，轉體系統沒有滑落，則可知摩阻力矩大于不平衡力矩，則通過考慮初始偏心距可計算出結果，并匯總于表4。

表4 考慮初始偏心距結果

若運用不考慮初始偏心距的公式計算，則結果匯總于表5。

表5 不考慮初始偏心距結果

由于實際啟動牽引力為400 kN，考慮初始偏心其結果誤差為13.1%，而規范算法為71.7%，因此，考慮初始偏心距算法在精度上有明顯提升。

3 結論

1) 靜摩擦系數計算精度提升，從而提升了啟動牽引力的精確度，確保了橋梁轉體啟動的安全性。

2) 現場由于啟動操作等誤差存在，有可能導致實驗數據精確度不足，因而在算法上需要更加精確。考慮初始偏心距更加符合工程情況。