高速公路跨鐵路立交橋連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工不平衡稱重分析

王學(xué)彥，秦立朝，譚春騰

(湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南衡陽(yáng) 421002 )

1 工程概況

利川至萬(wàn)州高速公路跨滬蓉鐵路立交橋位于利川市涼霧鄉(xiāng)旗桿村彭家院子附近，樞紐互通A匝道和B匝道并行，在公路里程AK1+186.894處與滬渝高速交叉，在公路里程AK1+270.26處與滬蓉鐵路交叉，順設(shè)計(jì)線方向滬渝高速公路路邊至鐵路下行線距離為72 m。橋位處公路路線為直線，與鐵路的交角為73 °。

考慮到工程施工對(duì)既有鐵路運(yùn)營(yíng)的影響，A、B匝道跨鐵路主跨采用(44+33) mT型剛構(gòu)，采用轉(zhuǎn)體法施工，A、B匝道T構(gòu)在鐵路的兩側(cè)分別預(yù)制，分兩次要點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)體施工，兩座橋轉(zhuǎn)體角度均為73 °，轉(zhuǎn)體方向均為順時(shí)針，轉(zhuǎn)體重量為7 600 t和7 400 t。轉(zhuǎn)體完成后，支架現(xiàn)澆另一孔33 m，與轉(zhuǎn)體箱梁連接成為連續(xù)梁。新建立交橋梁底至鐵路軌頂凈空最小為12 m，滿足8.20 m要求。

連續(xù)梁T構(gòu)部分為預(yù)應(yīng)力混凝土變高度箱梁，箱梁采用單箱雙室直腹板箱型截面，根部高4.5 m，端部高2.5 m，梁底線形按二次拋物線變化。箱梁頂板寬15.1 m，底板寬10 m，兩側(cè)懸臂板長(zhǎng)各2.55 m，懸臂板端部厚20 cm，根部厚60 cm；箱梁體頂、底板傾斜形成橋面橫坡。采用支架現(xiàn)澆后轉(zhuǎn)體施工[1]。

連續(xù)梁現(xiàn)澆部分為預(yù)應(yīng)力混凝土等高度箱梁，箱梁采用單箱雙室直腹板箱型截面，梁高2.5 m。箱梁頂板寬15.1 m，底板寬10 m，兩側(cè)懸臂板長(zhǎng)各2.55 m，懸臂板端部厚20 cm，根部厚60 cm；箱梁體頂、底板傾斜形成橋面橫坡。采用支架現(xiàn)澆。鋼球鉸直徑為φ3 500 mm，厚度為40 mm，分上下兩片。是平轉(zhuǎn)法施工的轉(zhuǎn)動(dòng)體系，而轉(zhuǎn)動(dòng)體系的核心是轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸，它是轉(zhuǎn)體施工的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，制作及安裝精度要求很高，必須精心制作，精心安裝。

為抵抗轉(zhuǎn)體過程中的不平衡力矩，在轉(zhuǎn)臺(tái)和滑道間對(duì)稱均勻的設(shè)置八組撐腳。在撐腳下方的下轉(zhuǎn)盤頂面設(shè)置1.1 m寬的環(huán)形滑道，滑道中心線半徑3.8 m，轉(zhuǎn)體時(shí)撐腳在滑道頂面滑動(dòng)，以保持轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平穩(wěn)。為保證轉(zhuǎn)體的順利實(shí)施，要求滑道面在同一水平面內(nèi)，其相對(duì)高差不大于2 mm，同時(shí)為減小轉(zhuǎn)體過程中的滑動(dòng)摩阻力，在滑道面板鋪設(shè)一層4 mm厚的四氟乙烯滑板。

連續(xù)T構(gòu)梁(33 m+44 m)位于大橋A2(B2)#至A4(B4)#墩上，T構(gòu)梁主墩為A3(B3)#墩。T形剛構(gòu)梁采用平面轉(zhuǎn)體施工，沿鐵路方向在支架上現(xiàn)澆，在第一層承臺(tái)與第二層承臺(tái)間設(shè)置轉(zhuǎn)盤，T構(gòu)通過連續(xù)千斤頂牽引裝置逆時(shí)針轉(zhuǎn)向73 °到設(shè)計(jì)位置后進(jìn)行永久固結(jié)，轉(zhuǎn)體重量約為7 600(7 400) t。轉(zhuǎn)體完成后，支架現(xiàn)澆另一孔33 m，與轉(zhuǎn)體箱梁連接成為連續(xù)梁。

2 平衡稱重目的與內(nèi)容

轉(zhuǎn)體施工的關(guān)鍵構(gòu)件就是承載整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)體重量的轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸，而轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸摩擦系數(shù)的大小直接影響著轉(zhuǎn)體時(shí)所需牽引力矩的大小。轉(zhuǎn)體橋梁在橋梁縱軸線的豎平面內(nèi)，由于球鉸體系的制作誤差、梁體質(zhì)量分布差異以及預(yù)應(yīng)力張拉程度差異，可能導(dǎo)致橋墩兩側(cè)懸臂梁段質(zhì)量分布不同以及剛度不同，從而產(chǎn)生不平衡力矩。在施工支架完全拆除后及橋梁轉(zhuǎn)體過程中，轉(zhuǎn)動(dòng)體的配重平衡對(duì)施工過程的安全性起著至關(guān)重要的作用。

因此，為了保證橋梁轉(zhuǎn)體的順利進(jìn)行，及時(shí)為大橋轉(zhuǎn)體階段的指揮和決策提供依據(jù)，有必要在轉(zhuǎn)體前進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)體稱重試驗(yàn)[3]，測(cè)試轉(zhuǎn)動(dòng)體的不平衡力矩、偏心距、摩阻力矩及靜摩擦系數(shù)，并按橋梁轉(zhuǎn)體的要求進(jìn)行配重。本試驗(yàn)在施工支架完全拆除后、轉(zhuǎn)體之前進(jìn)行，測(cè)試內(nèi)容主要包括：

(1)轉(zhuǎn)動(dòng)體部分的縱向不平衡力矩和縱向偏心距；

(2)轉(zhuǎn)體球鉸的摩阻力矩及靜摩擦系數(shù)；

(3)完成轉(zhuǎn)體梁的配重方案。

3 試驗(yàn)原理

稱重試驗(yàn)假設(shè)梁體可以繞球鉸發(fā)生剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，通過對(duì)梁體施加轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，并測(cè)試球鉸的切向轉(zhuǎn)動(dòng)位移，得到二者的關(guān)系曲線，當(dāng)位移發(fā)生突變時(shí)，所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)為靜摩擦與動(dòng)摩擦的臨界狀態(tài)。因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)力矩與豎向頂力，切向轉(zhuǎn)動(dòng)位移與豎向位移之間存在固定的比例關(guān)系，因此，可以直接繪制頂力-位移曲線，找出臨界點(diǎn)。

3.1 球鉸摩阻力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)體不平衡力矩計(jì)算

當(dāng)脫架完成后，整個(gè)梁體的平衡狀況可能出現(xiàn)下列兩種形式：(l)轉(zhuǎn)動(dòng)體球鉸摩阻力矩(MZ)大于轉(zhuǎn)動(dòng)體不平衡力矩(MG)。此時(shí)，梁體不發(fā)生繞球鉸的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，體系的平衡由球鉸摩阻力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)體不平衡力矩所保持；(2)轉(zhuǎn)動(dòng)體球鉸摩阻力矩(MZ)小于轉(zhuǎn)動(dòng)體不平衡力矩(MG)。

此時(shí)，梁體發(fā)生繞球鉸的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，直到撐腳參與工作，體系的平衡由球鉸摩阻力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)體不平衡力矩和撐腳對(duì)球心的力矩所保持。本橋由于采用左右不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所有只需考慮轉(zhuǎn)動(dòng)體球鉸摩阻力矩(MZ)小于轉(zhuǎn)動(dòng)體不平衡力矩(MG)這一情況。

設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)體重心偏向北側(cè)，此時(shí)，只能在北側(cè)承臺(tái)實(shí)施頂力P2(圖1)，當(dāng)P2(由撐腳離地的瞬間算起)逐漸增加到使球鉸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬間，有：

P2·L2=MG+MZ

(1)

當(dāng)頂升到位(球鉸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng))后，使千斤頂回落，設(shè)P2′為千斤頂逐漸回落過程中球鉸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的力，則有：

P2′·L2=MG-MZ

(2)

聯(lián)立式(1)、式(2)得

(3)

(4)

圖1 梁體的平衡狀態(tài)

3.2 球鉸靜摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)體偏心矩計(jì)算

稱重試驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)體球鉸在沿梁軸線的豎平面內(nèi)發(fā)生逆時(shí)針、順時(shí)針方向微小轉(zhuǎn)動(dòng)，即微小角度的豎轉(zhuǎn)。摩阻力矩為摩擦面每個(gè)微面積上的摩擦力對(duì)過球鉸中心豎轉(zhuǎn)法線的力矩之和(圖2)。

圖2 摩擦系數(shù)計(jì)算

由圖2可得：

所以：

(5)

(6)

式中:R為球鉸中心轉(zhuǎn)盤球面半徑；N為轉(zhuǎn)體重量。

也可按下式計(jì)算復(fù)核：

μ=3M/2RG

式中：μ為摩擦系數(shù)；M為轉(zhuǎn)動(dòng)力矩(kN·m);R為球鉸平面半徑(m);G為轉(zhuǎn)臺(tái)總重量(kN)。

設(shè)計(jì)靜摩擦系數(shù)為0.1，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.06，若測(cè)出的摩擦系數(shù)較設(shè)計(jì)出入較大，應(yīng)分析查找原因，并做出相應(yīng)地處理。

3.3 配重計(jì)算

配重的目的是使轉(zhuǎn)動(dòng)體達(dá)到平衡狀態(tài)，提高轉(zhuǎn)體過程的穩(wěn)定性。常用的配重方案有兩種：(1)梁體絕對(duì)平衡配重方案；(2)梁體縱向傾斜配重方案。絕對(duì)平衡配重對(duì)轉(zhuǎn)體的平穩(wěn)反而不利，目前一般采用第(2)種方案。

該配重方案的思路是：在轉(zhuǎn)體過程中轉(zhuǎn)體梁應(yīng)在梁軸線方向略呈傾斜態(tài)勢(shì)，即梁軸線上橋墩一側(cè)的撐腳落下接觸滑道，另一側(cè)的撐腳抬起離開滑道。這樣做的好處：使轉(zhuǎn)動(dòng)體形成兩點(diǎn)豎向支承，增加了轉(zhuǎn)動(dòng)體在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中豎平面內(nèi)的穩(wěn)定性。配重可按下式計(jì)算：

(7)

配重后偏心距

(8)

為了保證配重卸載的安全，配重應(yīng)設(shè)置在非跨鐵路孔一側(cè)，配重的大小應(yīng)保證配重后的偏心距滿足5cm≤e≤15cm的要求[2]。

4 平衡稱重分析方法

4.1 測(cè)點(diǎn)布置

本項(xiàng)目的轉(zhuǎn)體平面布置如圖3所示，該橋轉(zhuǎn)體73 °。

圖3 梁位平面

4.1.1 千斤頂布置

千斤頂數(shù)量估算：轉(zhuǎn)體梁重按7 600t估算，球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)半徑4.2m，千斤頂距中心距離約為3.65m，靜摩阻系數(shù)按0.1考慮，則千斤頂頂力=0.1×7600×4.2/3.65=875t，考慮一定的富裕量，需要600t千斤頂2臺(tái)。

4.1.2 位移傳感器布置

在千斤頂對(duì)側(cè)撐腳處設(shè)置應(yīng)變式位移傳感器(圖4)。

4.2 測(cè)試設(shè)備及性能

(1)位移傳感器：量程50mm的機(jī)電百分表4個(gè)，精度1/100mm。(2)位移采集系統(tǒng)：采用東華測(cè)試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DH3817靜動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣頻率200Hz；單機(jī)8通道。(3)數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)：采用DH3817專用的數(shù)據(jù)處理軟件。該軟件包能實(shí)現(xiàn)本次測(cè)試中相關(guān)數(shù)據(jù)的處理及分析，并能做到實(shí)時(shí)處理。(4)壓力傳感器：長(zhǎng)沙金碼生產(chǎn)的JMZX-3360AT六弦智能型壓力傳感器1臺(tái)，量程6 000kN，精度1kN。(5)壓力采集系統(tǒng)：長(zhǎng)沙金碼JMZX-3006智能綜合測(cè)試儀1臺(tái)。(6)聯(lián)想筆記本電腦1臺(tái)。所需要的主要儀器設(shè)備及數(shù)量如表1所示。

(a)平面圖 (b)立面圖

表1 主要儀器設(shè)備及規(guī)格

4.3 試驗(yàn)步驟

4.3.1 判斷轉(zhuǎn)體平衡狀態(tài)

逐步解除臨時(shí)固結(jié)措施過程中，在撐腳處布置位移傳感器(圖5)。測(cè)試步驟：

(1)兩幅梁施工完成后，布置傳感器，讀取初讀數(shù)。(2)清理?yè)文_及滑道，逐步對(duì)稱解除支座處的臨時(shí)支撐(砂箱)，進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，并觀察撐腳是否隨砂箱拆除連續(xù)向一側(cè)下沉。判斷轉(zhuǎn)體體系的平衡狀態(tài)[4]。

(a)平面圖 (b)立面圖

4.3.2 稱重步驟

(1)在選定斷面處安裝位移傳感器和千斤頂。(2)調(diào)整千斤頂，使所有頂升千斤頂處于設(shè)定的初始頂壓狀態(tài)，記錄壓力傳感器及位移傳感器讀數(shù)。(3)千斤頂逐級(jí)加力，記錄位移傳感器和壓力傳感器數(shù)值，直到位移出現(xiàn)突變。(4)繪制出P-Δ曲線，判斷臨界力(同樣試驗(yàn)重復(fù)兩次)。(5)移動(dòng)設(shè)備至另一側(cè)，重復(fù)以上試驗(yàn)。(6)計(jì)算確定不平衡力矩、摩阻力矩、摩阻系數(shù)、偏心距。(7)按梁體縱向傾斜配重方案，計(jì)算配重重量、位置及配重后的偏心距。(8)出具供鐵路有關(guān)部門審批用的轉(zhuǎn)體梁稱重配重試驗(yàn)報(bào)告。

5 結(jié)束語(yǔ)

在梁橋轉(zhuǎn)體的施工過程中，特別是轉(zhuǎn)體重量較大的橋梁，轉(zhuǎn)體T構(gòu)兩側(cè)的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，混凝土澆筑和球鉸安裝中的誤差，使得梁體內(nèi)存在不平衡力矩。通過稱重試驗(yàn)，可以確定T構(gòu)的偏心力矩和摩擦系數(shù)，保證轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)、安全。這些參數(shù)是非常重要的。因此，有必要在轉(zhuǎn)彎前對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行稱重，以保證轉(zhuǎn)動(dòng)的安全性。