市政道路高架橋轉體施工不平衡稱重試驗研究

代 濤,顏 升,曾 琪

(1.武漢光谷建設投資有限公司，湖北 武漢 430205； 2.中南財經政法大學，湖北 武漢 430073)

橋梁轉體施工是一項綜合性、技術性強的施工項目，是指在偏離設計位置將橋梁澆筑或拼裝成型，然后借助動力將橋梁轉動就位的一種施工方法。具有可利用地形，方便預制；施工不影響交通；施工設備少，裝置簡單；節省施工用料的特點[1-2]。常用的轉體施工方法有豎向轉體施工法(The vertical transfer method)、平面轉體施工法(The flat transfer method)、平豎轉結合施工法三種(The methods of combining the vertical transfer and the vertical transfer)[3]。

轉體法施工始于20世紀40年代，由法國第一次將轉體法施工技術應用于一座拱橋修建[4]。與國外相比，我國橋梁轉體施工技術發展相對滯后，直至1977年在四川才首次使用平轉法施工建成跨度為70 m的箱肋拱橋[5]。1988年，四川省交通科學研究院為充分利用兩岸地形，采用拱橋雙箱對稱同步轉體施工完成建造了跨徑達200 m的涪陵烏江大橋[6-7]。平豎轉結合施工法的施工技術也逐漸應用于橋梁轉體建造中，橋梁的建造跨徑也在不斷地增大，轉體重量也從最開始的幾千噸提升到了幾萬噸，發生了質的變化[8-11]。1981年，貴州完成的魚塘大橋轉體質量1 630 t。2001年，貴州修建的北盤江鋼管拱橋轉體質量達1萬 t。2015年1月，山東鄒城30 m上跨鐵路立交轉體橋完成合攏，其主橋轉體質量2.24 t，打破了轉體橋梁重量的紀錄。2018年，河北唐山跨津山鐵路斜拉轉體橋完成42.3°的轉體成功合攏，該橋總質量達到了3.3萬 t，再次突破了轉體橋梁重量的世界紀錄。經過多年的學習與發展，我國在橋梁轉體施工技術方面已具有獨特的優勢，轉體法施工成橋數量已突破200例[12-13]。

目前，隨著我國社會經濟的高速發展和城市道路網絡的大規模建設，為了減少施工對周圍交通及居民所帶來的影響，橋梁轉體法被廣泛應用于跨鐵路、公路、航道等的橋梁施工中，而不平衡稱重又是橋梁轉體施工中的關鍵步驟[14]。保證橋梁轉體的正常進行需在橋梁轉體前進行轉動體稱重實驗，測量計算轉動體的不平衡力矩、摩阻力矩、靜摩擦系數及偏心距等參數，避免因施工中存在的誤差使橋梁導致在轉體過程中橋墩兩側懸臂梁段產生不平衡力矩而引發的安全事故[15]。本文以武漢光谷大道快速化改造工程跨鐵路段工程為背景，總結施工過程中不平衡稱重的試驗原理與過程。

1 工程概況

武漢光谷大道快速化改造工程跨鐵路段工程主線高架施工總平面布置如圖1所示，主線高架采用一跨跨越南環鐵路及余花聯絡線，主橋采用2×62.5 m 轉體鋼箱梁跨越鐵路，引橋采用預應力現澆箱梁結構。主橋(83號～85號)上部結構采用變高度鋼箱梁跨越南環鐵路，公鐵交角87.1°；橋跨采用2×62.5 m跨徑布置，全長125 m。鋼箱梁端部梁高2.8 m，中支點梁高6.0 m，腹板外緣保持與引橋一致，為斜腹板結構，梁底模板采用二次拋物線過渡；鋼箱梁頂寬40 m，底寬30.17 m～32.6 m。頂板采用U肋加勁，底板采用倒T形肋加勁，橫隔板標準間距2.8 m，兩道橫隔板之間設置一道豎向加勁肋，鋼箱梁梁段連接采用焊接方式，頂板、腹板、底板及其加勁肋均采用焊接。

考慮到工程施工對既有鐵路運營的影響及周圍環境和條件的限制，主橋采用58.45 m+58.45 m T構轉體施工，轉體總長度為116.90 m。本橋為對稱平衡旋轉，順時針轉體92.9°就位，橋梁總質量4 400 t，如圖2所示。

2 試驗原理

在橋梁轉體施工過程中，整個轉動體系的平衡將直接影響到轉體施工的安全與質量。由于球鉸制作誤差、混凝土澆筑不均勻與施工誤差，導致橋墩兩側梁體的質量分布不均勻以及剛度不同，進而產生不平衡力矩[16]。為確保轉動體系能安全地轉體合攏，必須在轉體前對轉動體進行稱重，分析計算得出轉動體的不平衡力矩、摩阻力矩、靜摩擦系數及偏心距等參數，再根據所得數據對轉體進行平衡配重。

2.1 轉動體不平衡力矩及摩阻力矩分析

如圖3,圖4所示，當支架拆除后，整個梁體會出現梁體繞球鉸發生剛體轉動和梁體繞球鉸不發生剛體轉動兩種平衡狀態：1)當梁體繞球鉸不做剛體轉動，保持相對靜止時，轉動體球鉸摩阻力矩(MZ)大于轉動體不平衡力矩(MG)，此時球鉸體系的平衡由MZ和MG所維持；2)當梁體繞球鉸做剛體轉動時，轉動體球鉸摩阻力矩(MZ)小于轉動體不平衡力矩(MG)，此時撐腳與滑道的間隙慢慢變小直至解除，球鉸體系的平衡由MZ,MG和撐腳對球心的力矩共同維持。

1)摩阻力矩(MZ)大于不平衡力矩(MG)。

假設轉動體的重心偏向西側，此時在轉動體東側承臺施加頂力P1(如圖3所示)，并逐漸增大P1至球鉸發生微小逆時針轉動時，有：

P1L1+MG=MZ

(1)

其中，L1為頂力P1到球鉸中點間的距離,m。

然后在轉動體西側承臺施加頂力P2(如圖4所示)，并逐漸增大P2至球鉸發生微小順時針轉動時，有：

P2L2=MG+MZ

(2)

其中，L2為頂力P2到球鉸中點間的距離,m。

聯立式(1)，式(2)可得:

(3)

(4)

2)摩阻力矩(MZ)小于不平衡力矩(MG)。

假設轉動體重心偏向西側，為保持轉動體平衡，只能在轉動體西側承臺施加頂力P2(如圖4所示)，并逐漸增大P2至球鉸發生微小順時針轉動時(撐腳離地瞬間)，有：

P2L2=MG+MZ

(5)

當球鉸發生微小轉動后，讓千斤頂卸壓回落逐漸減小頂力，使球鉸發生微小逆時針轉動，設P2′為千斤頂卸壓回落過程中對轉動體西側承臺施加的頂力，則有：

(6)

聯立式(5),式(6)可得:

(7)

(8)

2.2 轉動體靜摩擦系數及偏心距分析

如圖5所示，在平衡稱重試驗中，在沿梁軸線的豎平面內，轉動體球鉸發生微小的逆時針、順時針旋轉，即小角度的豎轉。摩阻力矩MZ指摩擦面內每個微面積上的摩擦力dF對過球鉸中心豎轉法線的力矩dMZ之和[17]。

(9)

dF=μZPdA

(10)

dA=R2sinθdβdθ

(11)

(12)

其中，R為球鉸中心轉盤球面半徑,m;dA為任意一個微面積上的摩擦力dF到任意截面平面圓的圓心O′的距離,m;θ為任意一個微面積上的摩擦力dF與球鉸中心O所在z軸的夾角;β為任意一個微面積上的摩擦力dF與任意截面平面圓的圓心O′，所在x軸之間的夾角;α為θ的最大取值;μZ為球鉸靜摩擦系數;P為千斤頂所施加的頂力,kN;P豎為千斤頂所施加的頂力在豎轉法線上的分力,kN;N為轉體質量,t。

所以：

(13)

(14)

球鉸參數α=arcsin(2/8)=14°30′00″代入式(14)，可得：

(15)

(16)

2.3 配重分析

為保證轉體施工過程的順利進行，通常會進行配重。常用的配重方案有以下兩種：1)梁體絕對平衡配重方案；2)梁體縱向傾斜配重方案。方案1)的配重通常較小，啟動所需要的牽引力相對較小，但在轉動過程中轉動體易在豎平面內發生晃動，影響轉動體系的平衡；方案2)配重通常較大，使轉動體形成兩點豎向支撐，在豎平面內轉動更加平穩，但易導致偏心距較大，對梁體造成損傷。

根據工程概況綜合考慮，本項目采用梁體絕對平衡配重方案。在轉體過程中，轉動體應在梁軸線方向呈設計重心與實際重心重合的平衡態勢，即梁軸線上橋墩兩側的撐腳均抬起脫離滑道，形成轉動體單點豎向支撐。配重可按下式計算：

(17)

(18)

現場通過不平衡稱重試驗，計算出實測不平衡力矩后，根據實際情況進行合理配重。該方法可以減少轉動體在轉動過程中因不平衡力矩而造成的牽引力不相等，影響轉動體的轉動狀態均勻。為避免配重卸載對道路交通的影響，應在非跨線通道的一側進行配重，配重后應滿足偏心距e≤20 mm的要求。

3 試驗方案

3.1 測點布置

千斤頂布置如圖6所示。計劃將縱向側千斤頂布置在距墩中心距離約4.1 m處，靜摩擦系數為0.1，球鉸轉動半徑為2.0 m，轉動體重4 400 t，故此時所需千斤頂頂升力約：0.1×4 400×2.0/4.1=215 t。考慮千斤頂的安全性，需要預留一定的富裕量，即縱向稱重試驗需要200 t千斤頂2臺。橫向稱重試驗選位與縱向對稱，其頂升所需千斤頂頂升力同樣為215 t。考慮千斤頂的安全性，需要預留一定的富裕量，即橫向稱重試驗同樣需要2臺200 t千斤頂。

3.2 測試設備及性能

所使用的主要儀器設備、規格及用途見表1。

表1 主要儀器設備、規格及用途

3.3 試驗步驟

1)判斷轉動體平衡狀態。

a.解除臨時固結前，在規定位置布置傳感器，并記錄初始數據。

b.逐步對稱解除橋墩支座上的臨時支撐，進行連續測量的同時清理撐腳和滑道，并觀察臨時支撐拆除后撐腳是否連續向一側下沉，測定梁體豎向位移，以此判定轉動體的平衡狀態。

2)稱重步驟。

a.在橋梁中心線兩側分別布置2臺千斤頂并安裝位移傳感器。

b.調節千斤頂狀態，使每個千斤頂都處于設定的初始頂壓狀態，對加載體系進行預定，并記錄壓力傳感器及位移傳感器初始讀數。

c.千斤頂卸壓回落，對壓力傳感器與位移傳感器調零。

d.千斤頂頂力逐級施加，加載直到位移出現明顯突變結束，記錄壓力傳感器及位移傳感器讀數。

e.繪制出力-位移曲線，找出臨界狀態的臨界力。

f.重復兩次相同試驗，若兩次試驗結果相差懸殊，應重新進行試驗。

g.將設備移動至與橋墩中心線兩側，重復上述試驗。

h.計算得出轉動體的不平衡力矩、靜摩擦系數、摩阻力矩和偏心距。

i.按照梁體絕對平衡配重方案，計算配重重量、位置及配重后的偏心距。

j.具轉體梁稱重及配重測量結果報告。

4 結語

一般來說，當橋梁跨越既有交通線路時，轉體技術即可應用于施工中。本文依托武漢光谷大道快速改造工程，對主橋T構轉體施工中不平衡稱重試驗原理進行闡述，并根據工程概況，確定了詳細的試驗方案。在施工過程中，依據試驗方案，嚴格控制重量，順利完成主橋T構的轉體施工。未來可結合BIM和監控信息技術，為橋梁轉體施工提供技術支持。