大噸位鐵路連續梁橋轉體施工不平衡稱重試驗研究

龔漢兵

(中鐵城建集團第二工程有限公司，廣東廣州 510000)

預應力混凝土連續梁橋具有剛度大、變形小、行車平順、伸縮縫少以及抗震能力強等突出優點，在鐵路路網中被廣泛采用。轉體施工法是預應力混凝土連續梁橋跨越既有線時的常用施工方法，其中，轉體時的不平衡配重是轉體施工法的關鍵技術參數。

不平衡配重通常采用現場實測法獲得，關于橋梁的轉體施工法許多學者進行了深入研究。文獻[1]指出雖然我國橋梁設計與施工水平已經躋身國際先進行列，但在橋梁施工技術發展過程中，對橋梁施工新工藝的研究較發達國家還不夠成熟，比如橋梁轉體施工。文獻[2-5]指出傳統的橋梁施工方法對既有線路的正常運行有較大的影響，橋梁轉體施工方法在對跨越現有公路或鐵路有較大的優勢。文獻[6]研究了平轉法轉體施工時不平衡力測試方法，總結了球鉸轉動法、撓度法和應變法三種方法的優缺點。文獻[7]指出客運專線鐵路跨越一般公路的斜交橋梁可采用剛構連續梁結構形式，不影響道路通行。文獻[8]對跨越多股道高密度行車線連續梁轉體橋施工技術展開研究。文獻[9]對高速鐵路大跨徑自錨上承式拱橋轉體施工技術進行了研究。文獻[10]研究了T型剛構橋水平轉體施工技術。上述研究成果主要聚焦于剛構連續梁和拱橋的轉體施工方法，而針對鐵路預應力連續梁橋跨越既有高速公路時，不平衡力矩、球鉸摩阻力矩對轉體結構穩定性的影響還鮮有報道。

本文以某(40+56+40) m的鐵路預應力單線連續梁橋為工程背景，現場進行不平衡稱重試驗。在水平轉動施工前，測試轉動體的不平衡力矩、偏心距、摩阻力矩及摩擦系數等參數，作為制定施工方案的重要依據，最終總結了大噸位鐵路連續梁橋轉體施工不平衡配重的現場實測方法。

1 工程概況

懷邵衡鐵路懷化南下行聯絡線上跨繞城高速大橋0～3#墩為設計跨度(40+56+40) m的鐵路預應力混凝土單線連續梁，主跨跨越懷化南繞城高速公路，與繞城高速公路交叉角約為69 °。通過采用平轉法施工可減少對既有線路的影響，主梁先在平行于現有高速公路處進行掛籃現澆施工，再進行順時針同時同步平轉轉體，最后現澆合龍段，見圖1和圖2。該橋轉體部分懸臂長54 m，與1#、2#墩中心對稱，轉體重量理論值為3 500 t，通過轉體牽引系統轉動上轉盤使梁體軸線與設計位置重合。0#塊梁段設計長10 m，重323.44 t，此段梁高為4.02 m，梁寬7 m，腹板寬度0.6 m，梁高按二次拋物線變高,采用兩副掛籃對稱施工。

圖1 橋址位置示意

圖2 橋址縱正面示意

球鉸半徑5 m，球面投影半徑1.75 m，環形滑道中心直徑為7 m，寬度0.8 m，設2個牽引力反力座，轉臺直徑為8.3 m，高度為1.0 m，設8組撐腳，牽引索為4根普通鋼絞線，埋入轉臺內5 m。

文獻[11]指出平轉法施工必須保證轉體上部結構在轉動過程中的平穩性，轉動體上部懸臂結構絕對平衡會引起梁端轉動過程中發生抖動，且幅度較大。為此，通過稱重使實際重心偏離理論重心5～10 cm，配重后使轉體橋前進端有微小翹起，并使得轉體橋的兩對撐腳與滑道平面近似發生接觸，從而增加轉動體在轉動過程中的平穩性和安全性。因此，高精度的不平衡配重測試對于降低轉體橋的施工風險至關重要。

根據本工程的結構和施工特點，本文將在轉體梁的不平衡力矩、轉體配重、摩擦系數、偏心矩控制等方面開展工作。對該橋的轉體不平衡稱重進行現場試驗，以保證轉體施工階段的結構安全，提高施工質量。為類似轉體橋梁的設計和施工積累經驗和數據，為橋梁運營期間的技術管理和技術評估提供依據。達到進一步完善橋梁水平轉體施工方法、提升企業施工技術能力的目的。

本試驗在施工支架完全拆除后和轉體前進行，測試內容主要包括[6]：

(1)轉動體部分的縱橋向不平衡力矩。

(2)轉動體部分的縱向偏心距。

(3)轉體球鉸的摩阻力矩及摩擦系數。

(4)完成轉體梁的配重。

2 試驗原理

目前，通常采用球鉸轉動方法測試轉體的不平衡力矩，這種方法采用測試剛體位移突變的方法進行測試，受力明確，而且只考慮剛體作用，不涉及撓度等影響因素較多的參數，結果比較準確。當支架完成后，橋梁的平衡表現為兩種形式：

(1)轉動體球鉸摩阻力矩(Mz)大于轉動體不平衡力矩(MG)。此時，梁體不發生繞球鉸的剛體轉動，體系的平衡由球鉸摩阻力矩和轉動體不平衡力矩所保持。

(2)轉動體球鉸摩阻力矩(Mz)小于轉動體不平衡力矩(MG)。此時，梁體發生繞球鉸的剛體轉動，直到撐腳參與工作，體系的平衡由球鉸摩阻力矩、轉動體不平衡力矩和撐腳對球心的力矩所保持。

2.1 轉體梁摩阻力矩大于轉動體不平衡力矩

此情況下，轉體梁不沿著縱向發生繞球鉸的剛體運動，不平衡力矩則由摩阻力矩所平衡。假定轉體梁整體重心偏向大里程側，在小里程側承臺施加向上推力P1，則轉動體在沿梁軸線的豎平面內發生順時針方向微小轉動(圖3)。當推力P1由0逐漸增加到使布置在大里程側的位移計變化較為明顯時，說明此時球鉸發生微小剛體轉動，有：

P1×L1+MG=MZ

(1)

式中：P1為位于小里程側承臺處千斤頂向上推力；L1為位于小里程側千斤頂軸心位置與轉體梁豎向對稱軸之間的距離；MZ為靜摩阻力矩；MG為轉動體不平衡力矩，MG=GQ×LQ-GB×LB；GQ為位于大里程側轉體梁的重量；GB為位于小里程側轉體梁的重量；LQ為位于大里程側轉體梁的重心與轉體豎向對稱軸間的距離；LB為位于小里程側轉體梁的重心與轉動體豎向對稱軸間的距離。

圖3 重心偏向大里程側施加P1轉動體的平衡狀態

位于小里程側頂推的千斤頂緩慢卸載至0，假定轉動體重心偏向大里程側，在大里程側承臺施加向上推力P2，則轉動體在沿梁軸線的豎平面內發生逆時針方向微小轉動，見圖4。當推力P2由零逐漸增加到使布置在小里程側的位移計變化較為明顯時，說明此時球鉸發生微小剛體轉動，有：

P2×L2=MZ+MG

(2)

式中：P2為位于大里程側承臺處千斤頂向上推力；L2為位于大里程側千斤頂軸心位置與轉體梁豎向對稱軸之間的距離。

圖4 重心偏向大里程側施加P2轉動體的平衡狀態

由式(1)、式(2)可推導出靜摩擦力矩(Mz)及轉體梁不平衡力矩(MG)的計算式分別為：

(3)

(4)

2.2 轉體梁摩阻力矩小于轉動體不平衡力矩

此情況下，轉體梁在拆除支架后將發生繞球鉸的剛體運動，撐腳與滑道發生接觸，體系的平衡由球鉸摩阻力矩、轉動體不平衡力矩和撐腳對球心的力矩所保持。假定轉動體重心偏向大里程側，此種情況下，只能在大里程側承臺施加向上推力P3，則轉動體在沿梁軸線的豎平面內發生逆時針方向微小轉動(圖5)。當推力P3(由撐腳離地的瞬間算起)逐漸增加到位移計示數變化較為明顯時，球鉸發生微小的剛體轉動，有：

P3×L2=MZ+MG

(5)

式中：P3為位于大里程側承臺上千斤頂向上推力。

圖5 重心偏向大里程側施加P3轉動體的平衡狀態

當千斤頂頂升到位后，此時球鉸將發生微小轉動，使得千斤頂緩慢回落，則轉動體在沿轉體梁軸線的豎平面內發生順時針方向微小轉動。當布置在小里程側的位移計的變化較為明顯時，球鉸發生了反向微小的剛體運動(圖6)，則：

P4×L2=MG-MZ

(6)

式中：P4為球鉸發生微小轉動時的推力。

圖6 重心偏向大里程側P4卸載轉動體的平衡狀態

由式(5)、式(6)可推導出靜摩擦力(Mz)及轉動體不平衡力矩(MG)的計算式分別為：

(7)

(8)

2.3 摩阻系數及偏心距

文獻[12]指出轉動體球鉸靜摩擦系數是設計轉動設備的重要依據，可通過稱重試驗對其進行評估。在稱重試驗時，對轉動體球鉸靜摩擦系數進行分析計算，轉動體球鉸在沿梁軸線的豎平面內發生逆時針、順時針方向微小轉動，即微小角度的豎轉。摩阻力矩為摩擦面每個微面積上的摩擦力對過球鉸中心豎轉法線的力矩之和。轉動體球鉸繞Z軸轉動靜摩擦系數計算示意見圖7。

圖7 轉動體球鉸繞Z軸轉動摩擦系數計算示意

(9)

dF=μzPsdA

(10)

(11)

dA=Rsinθ·dβ·R·d

(12)

PS=Pcosθ

(13)

(14)

由式(9)～式(14)聯立，可得：

(15)

可得到：

所以，當球鉸面半徑比較大，而矢高比較小時，即可將摩擦面按平面近似計算。

文獻[6]指出根據現有的研究成果及工程實踐，使用四氟乙烯片并填充黃油的球鉸靜摩阻系數和偏心距可用下列各式：

球鉸靜摩阻系數：

(16)

轉動體偏心距：

(17)

3 試驗過程及結果

3.1 試驗設備及測點布置

根據該橋設計，通過計算可得轉體梁重35 000 kN，球鉸半徑R=5m，球鉸摩阻系數μ0=0.02，則設計靜摩阻力矩為：

0.98×0.02×35000×5=3430kN·m

設置1臺3 000 kN的千斤頂位于距轉體梁中心線3.8 m處，則千斤頂推力為：

3430÷3.8=902.6kN

在上轉盤底處設置4個百分表，測試球鉸的微小轉動。由于上、下承臺的剛度很大，變形很小，容易使球鉸發生微小轉動，且操作相對簡單，安全性高，千斤頂布置見圖8。

圖8 千斤頂布置立面

3.2 不平衡稱重試驗過程

該橋按以下步驟進行不平衡稱重試驗：

(1) 在選定斷面處放置液壓千斤頂,上轉盤處放置4個位移計百分表。

(2) 調整千斤頂并給油，使所有液壓千斤頂處于設定的初始頂壓狀態。

(3) 液壓千斤頂逐級加載，紀錄位移計百分表的微小位移，直到位移計百分表出現突變。

(4)液壓千斤頂回落，在另一側重復(1)～(3)等步驟。

(5) 根據記錄的荷載與位移值并繪制出P-Δ曲線，曲線斜率突變處即為計算所需荷載值。

(6) 通過計算確定不平衡力矩、靜摩阻力矩、摩阻系數、偏心距等參數。

(7) 確定配重重量、位置及新偏心距。

(8) 出具轉體梁稱重試驗報告。

3.3 1#墩測試結果分析及配重方案

3.3.1 1#墩稱重測試結果

根據反復測試得知，在小里程端(邊跨側)利用千斤頂1加載，當荷載P1逐級加載到1 017.7 kN時，可使轉動體克服最大靜摩擦繞水平軸轉動；在大里程端(中跨側)利用千斤頂2加載，當荷載P2逐級加載到997.7 kN時，可使轉動體克服最大靜摩擦繞水平軸轉動，見圖9。

圖9 1#墩稱重試驗千斤頂布置

由此分析出，不平衡力矩為：

轉動體摩阻力矩為：

轉動體偏心距為：

偏向于邊跨側，依據經驗公式，球鉸靜摩阻系數為：

3.3.2 1#墩配重方案

根據實測結果可知，1#墩梁體系原偏心距為-0.11 cm，偏向邊跨側。一般情況下，如果采用不平衡轉體，則配重的大小應保證新的重心偏移量滿足目標值em。5cm≤em≤10cm的要求。因此，1#墩的配度GP1應為：

GP1=35000×(0.025-0.0011)/(27-4)=36.4kN

如圖10所示，在邊跨(小里程側)距離梁端4 m處，配置重量36.4 kN，即3.64 t。此時，轉動體偏心距e=2.5cm，偏向邊跨側。

圖10 1#墩配重方案示意

3.4 2#墩測試結果分析及配重方案

3.4.1 2#墩稱重測試結果

根據反復測試得知，在大里程端(邊跨側)利用千斤頂1加載，當推力P1逐漸加載到813.0 kN時，可使轉體梁克服最大靜摩擦繞水平軸轉動；在小里程端(中跨側)利用千斤頂2加載，當荷載P2逐級加載到1 006.33 kN時，可使轉體梁克服最大靜摩擦繞水平軸轉動，圖11為2#墩稱重試驗千斤頂布置圖。

圖11 2#墩稱重試驗千斤頂布置

由此分析出，不平衡力矩為：

轉動體摩阻力矩為:

轉動體偏心距為:

偏向于中跨側，依據經驗公式，球鉸靜摩阻系數：

3.4.2 2#墩配重方案

根據實測結果可知，2#墩梁體系原偏心距為0.96 cm，偏向中跨側。理論上偏心距很小，可以不進行配重，但為了進一步確保轉體過程的安全，可將目標偏心距取定為2.5 cm，偏向邊跨側。因此，2#墩的配重GP2為：

GP2=35000×(0.025+0.0096)/27-4)=52.72kN

如圖12所示。

圖12 2#墩配重方案示意

4 結束語

懷邵衡鐵路懷化南下行聯絡線跨繞城高速大橋(40+56+40) m連續梁的轉體施工，涉及眾多技術環節，其中轉體施工中的不平衡稱重試驗是確保轉體順利完成的關鍵。根據現場的不平衡稱重試驗結果，可得出以下幾點結論：

(1) 在邊跨(小里程側)距離梁端4 m處，需配置重量36.4 kN，即3.64 t。此時，轉動體偏心距為2.5 cm，偏向邊跨側。

(2) 2#墩梁體原偏心距為0.96 cm，偏向中跨側。理論上偏心距很小，可以不進行配重，但為了進一步確保轉體過程的安全，可將目標偏心距取定為2.5 cm，偏向邊跨側。

對于橋梁轉體施工過程中橫向偏心的調整，受到結構幾何尺寸的制約，很難實現在結構上施加大質量的荷載。經查驗，本項目進行縱向配重時，橫向撐腳處于脫空狀態，存在橫向偏心，在轉體施工前可不進行配重。在轉體過程中，若出現橫向偏移，則撐腳著地，摩擦力變大，造成對所施加的牽引力的影響，在轉體后可利用千斤頂調整梁底橫向的高低不平。本文的研究成果可為同類工程的轉體施工提供參考。