張呼鐵路跨京包線鐵路墩頂轉體橋不平衡稱重試驗研究

董剛

摘要：新建張呼鐵路懷安站特大橋跨京包鐵路連續梁采用墩頂轉體法施工，為了保證橋梁轉體順利進行，需對T構進行不平衡稱重試驗分析。本文通過工程實例，闡述不平衡稱重試驗方法和應用過程中的技術難題，對墩頂轉體梁轉動體不平衡力矩、偏心距、摩阻力矩及轉動球鉸靜摩擦系數的測試分析和稱配重方法等關鍵技術做了介紹，為類似連續梁橋上轉體工程提供借鑒。

Abstract： Pier-top rotation construction method is adopted in the construction of Huaian Railway Station Grand Bridge which overpasses the existing Beijing-Baotou railway in the newly-built Zhangjiakou-Huhehaote Railway. To ensure the safety and smooth the operation of the rotating process，the counterbalanced weighting test was carried out for the bridge before the rotating operation. Based on the project case which the institute undertakes，both the counterbalanced weighting test and the difficulties are stated，the testing and analysis for the counterbalanced moment of force，eccentricity，frictional resistance moment of force，friction coefficient of the rotor part and counterweight technologies are introduced，to provide references for simialar projects.

關鍵詞：墩頂轉體施工；不平衡稱重；試驗研究

Key words： pier-top rotation construction；counterbalanced weighting；experimental study

中圖分類號：U445.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）33-0146-04

0 引言

隨著我國鐵路建設的飛快發展，對工程建設施工安全要求越來越高，為了減少橋梁上部結構施工對既有鐵路行車安全和運營的影響，跨越既有線橋梁越來越多要求采用轉體法施工[1]，目前下轉體平轉技術得到了廣泛的應用，隨著橋梁技術的發展，墩頂轉體通過在墩頂與梁體之間設置轉體系統，在轉體時只需要轉動橋梁梁體即可，這樣大大減輕了轉體質量，并且經濟安全，其在轉體橋施工中有很大的應用前景。為了墩頂橋梁轉體達到順利、安全、平穩的目標，就必須確保梁體在轉動過程中達到平衡狀態[2]，需通過不平衡稱重試驗確定轉動體的不平衡力矩以及靜摩阻系數，再根據測試結果制定合理的配重方案，通過平衡配重將轉動體重心調整至目標狀態[3]。本文以新建張呼鐵路懷安站特大橋跨京包鐵路（60+100+60）m連續梁為實例，簡要地介紹下本橋不平衡稱重實驗的關鍵技術。

1 工程概述

新建張呼鐵路懷安站特大橋連續梁為（60+100+60）m現澆預應力混凝土連續箱梁，跨Ⅰ級雙線電氣化既有京包鐵路，屬繁忙干線。立面圖見圖1。梁體為單箱單室、變高度、變截面結構。支點處粱高7.29m，跨中梁高4.69m，底板厚度和梁高按二次拋物線變化。箱梁頂寬12.2m，箱梁底寬6.4m。

為了盡最大可能減少鄰近營業線施工對既有鐵路正常運輸的干擾，該橋計劃采用懸臂梁段現澆+墩頂整體旋轉施工技術，以確保既有電氣化鐵路行車和上跨橋施工安全[4]。即先在鐵路兩側墩頂懸臂澆筑梁體（49+49）m，待梁體懸臂施工完后，接著進行整體對稱梁段轉體支承體系的轉換，使得上轉盤支承于安設好的球鉸上，隨后施加轉動力，使轉臺繞球鉸中心軸轉動，轉體到位后，精確測量其平面位置、標高，在均符合設計位置后臨時鎖定梁體，按照“先邊跨、后中跨”的順序進行合龍段施工，最后完成支座體系的轉換。

墩頂轉體結構共由四部分組成，分別為下轉盤、球鉸、上轉盤和轉體牽引系統，球鉸中心轉盤球面半徑R=3.645m，上轉盤平面半徑2.55m，下轉盤平面半徑為2.44m，轉體約53.6噸重，轉體角度60°。為確保在既有鐵路要求的有限天窗時間內完成轉體施工，應通過不平衡試驗得到相關參數，滿足橋梁轉體的配重要求，消除可能影響轉動體平穩順利轉動的未知因素，為該橋轉體施工的控制和決策提供重要依據[5]。

2 墩頂轉體關鍵試驗技術

2.1 墩頂轉體不平衡測試理論原理 本橋用測試轉體位移突變的方法進行不平衡力矩的計算，以在稱重過程中對稱梁體可以繞球鉸中心軸發生剛體轉動為前提，對稱梁體在測試過程中施加轉動力的同時要對球鉸的切向轉動位移進行監測，并根據監測數據繪制出二者的關聯曲線，靜摩擦與動摩擦的臨界狀態為位移發生突變時所對應的狀態，采用繪制頂力與位移曲線的方法找出臨界點。在測試剛體位移突變時一般均采用不平衡力矩法，因其具有受力明確，且不涉及撓度等較多參數等因素的影響，結果比較準確，使用的測試設備比較簡單等特點，在實踐中具有較強的實用性和有效性[6]。

2.1.1 球鉸摩阻力矩和轉動體不平衡力矩計算 解除上下轉盤臨時固結和撐腳后，轉動體T構會出現以下兩種不同的平衡狀態。

2.2 判斷不平衡狀態

2.2.1 理論配重 轉體前，由于本橋邊跨和中跨梁體預應力鋸齒塊偏差、合龍段吊架、施工誤差和其他荷載等因素影響，在解除臨時固結和砂箱時，轉體兩端不平衡力矩過大，考慮到解除臨時固結和卸砂箱時轉動體的安全，需對轉動體進行理論偏心計算[8]，計算出理論不平衡力矩，再根據不平衡力矩進行相應的理論配重。本橋計算得出結果表明52#、53#墩轉體配重前縱橋向不平衡力矩分別為452t·m、1016t·m（向中跨方向偏心）。稱重試驗前在邊跨側距梁端4m位置放置10.4t、26t試塊作為配重。

2.2.2 平衡狀態判斷 理論配重完成后，在逐步解除臨時固結措施過程中，位移傳感器應分別平均布設于下轉盤四周，以探測和判別當拆卸砂箱時轉體的平衡狀態。本次共布設了8個百分表于橋墩下轉盤四周，百分表依次編號如圖4所示。測試判斷步驟：①測試并安裝好傳感器，并做好初始數據記錄。②將撐腳及滑道內的雜物徹底清理干凈，支座臨時性支撐應對稱依次拆除，并跟蹤測量與持續觀測，期間應著重觀察撐腳是否隨著臨時性支撐裝置的拆除連續向一側下沉，以此判定轉動體體系的平衡狀態。砂箱卸載前后百分表讀數如表1所示。

據表1轉體砂箱在卸載前后的百分表讀數值可以判斷，52#、53#墩轉體存在向邊跨方向縱向的偏心，無橫向偏心，但撐腳未接觸到滑道，說明轉動體不平衡力矩小于摩阻力矩。

2.3 試驗測試儀器布置 首先是千斤頂數量的估算：轉體重量暫按5360t估算，球鉸轉動半徑3.645m，估算千斤頂距中心距離約3.7m，根據經驗得出靜摩阻系數，取值范圍0.03～0.06，本次取0.05，則千斤頂頂力=靜摩阻系數×轉動體的重量×球鉸轉動半徑/千斤頂距中心距離，得千斤頂頂力為2640.2kN，考慮一定的富余量，需要500t千斤頂4臺。

因52#、53#墩轉體卸載后撐腳碰觸滑道的情況未出現，不存在橫向偏心，依據試驗方案進行了稱重試驗，T構撐腳未著地，此種情況下，兩側分別進行施加頂力。本試驗于墩頂上轉盤上施加頂力，分別對轉體梁中心線兩側進行頂放，通過油壓表讀數以及所提供的回歸方程得到反力值，同時在上轉盤底周圍布置4個位移傳感器，用以測試球鉸的微小轉動。測試儀器布置方式如圖5所示。

2.4 試驗測試數據分析

根據選定斷面處對千斤頂逐級加力與預先安裝的位移傳感器記錄的現場數據，確定出位移出現突變的拐點，即球鉸處于克服靜摩阻力的臨界狀態；最后移動設備至另一側，重復以上試驗，繪制P-△曲線，判斷臨界力[9]。52、53號墩測試數據詳見表2，根據表2繪制頂力和位移關系圖，見圖6，由圖可知，52、53號墩邊跨方向施加頂力時，當頂力分別為2400kN時，百分表位移出現拐點；中跨方向施加頂力時，當頂力分別為1600kN、2800kN時，百分表位移出現拐點，則各拐點即為相應轉動體發生微小轉動時的臨界力。

2.5 轉體試驗參數計算

根據試驗測試結果，該梁的平衡狀態屬于轉動體球鉸摩阻力矩大于轉動體不平衡力矩情況，按照上述的不平衡稱重原理理論公式分別求出摩阻系數、摩阻力矩、不平衡力矩和偏心矩。本橋的試驗參數計算結果見表3。

3 二次配重

本橋采用梁體縱向傾斜配重方案[10]，該方案在轉體梁的一側梁端實施配重，配重的大小應保證新的重心偏移量滿足《高速鐵路橋涵工程施工技術規程》Q/CR9603-2015第13.5.4條要求，即配重的大小應保證配重后的偏心矩滿足5cm≤e≤15cm[11]。同時為了保證配重卸載的安全，配重應設置在非跨鐵路孔一側，使轉體不平衡力矩偏向非跨鐵路孔。配重后偏心距可按下式計算：

式中，F為配重；L為配重距球鉸數值軸距離；e為配重后偏心距；N為考慮配重后的總重量。本橋分別在52、53號墩邊跨側42.1m和41.5m的位置配重2.6t和5.2t后，轉體不平衡力矩偏向非跨鐵路孔，且偏心距為5cm和5.5cm，配重滿足規范要求。

4 結論

本橋在轉體實施過程中，52號墩，啟動牽引力406kN，轉動牽引力110kN；53號墩，啟動牽引力417kN，轉動牽引力115kN，均小于理論設計值（啟動牽引力538.53kN，轉動牽引力323.12kN），滿足要求。同時轉體時間比既有鐵路天窗給點時間提前一半轉體到位，轉體施工取得了圓滿成功。總結本次轉體橋稱重試驗的經驗，對轉體橋不平衡稱重試驗技術應注意以下幾點：①稱重試驗前應做好各階段方案的研究與編制，同時加強理論計算分析，做好現場數據的采集工作，實現稱重試驗的目標，確保轉體平穩順利進行[12]。②稱重實驗之前，應該對轉動體理論不平衡重進行分析，進行合理的理論配重，確保解除臨時固結和拆卸砂箱時轉動體結構的安全。③拆除砂箱前，在下轉盤四周布置百分表，通過百分表讀數變化來直觀的判斷轉動體的不平衡狀態。④卸落砂箱之前，應做好清障檢查，清除所有雜物和轉體過程中不需要的施工機具和材料，減少轉動體總重量和避免出現橫向偏心；同時保證轉動體撐腳脫空，檢查轉盤下有無其它支撐點，避免影響試驗測試結果的正確性。⑤配重時應做好配重材料的選擇，按配重方案要求橫向居中均勻擺放，嚴禁橫向偏心堆放，并確保配重后材料堆放的安全穩定性。⑥轉動體配重的重心偏向邊跨即非跨鐵路側，配重后偏心距宜滿足轉體施工偏心值5～15cm的要求。⑦稱重測試、配重、轉動前后分別做好橋梁線形監控和應力監測，為了校對轉動體是否發生剛體轉動，需在測試轉動體T構兩懸臂端進行高程測量，及時進行數據分析和處理，便于指導工程施工。

參考文獻：

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