稱重技術在沈陽四環跨秦沈客專轉體橋中的應用

陳建強++黃平++曹選珠

摘要：研究目的：為了確保秦沈客專既有線行車安全和減少對鐵路運營的干擾，沈陽四環快速路秦沈客專公鐵分離立交橋采用2-80mT型鋼構轉體工藝。轉體橋轉體，最重要的是保證轉動的平穩性，理論上水平轉體應該對保證轉體中心支點兩端重量一致，保證轉體橋兩端達到平衡狀態。在轉體過程中，轉動體的自平衡或配重平衡對施工過程的安全性和轉體順利轉動起著至關重要的作用，本文結合該工程對轉體橋施工中重要的稱重原理及簡要操作步驟進行闡述。

研究結論：在轉體橋施工中，其技術核心是轉體，而轉體橋實施轉體的關鍵在稱重，通過稱重，測試轉體部分的不平衡力矩、摩阻力矩、偏心距、上下球鉸間的摩擦系數等參數，通過參數測定與計算，判定轉體橋的平衡與穩定狀況，如果轉體橋體經稱重計算梁體兩端重量不平衡，則需通過配重來調整梁體重心，使梁體的重心位置居中，從而已達到梁體平衡，保證轉體順利與安全。

關鍵詞：轉體橋 稱重試驗 沈陽四環

1 概述

2012年9月25日，沈陽四環快速路轉體橋成功轉體，該橋于K3+667.4處同既有秦沈客專（K679+420處）交叉，轉體角度52°，梁端轉動長度63.530m。上部結構為2孔80mT型剛構連續箱梁，箱梁頂寬17.1m，梁高3.6m～7m，梁底為二次拋物線，單幅橋轉體重量11800t。本文結合該工程對轉體橋施工中非常重要的稱重原理及簡要操作步驟進行闡述。

平衡轉體橋作為近年來一種新工藝發展較快，因在施工支架完全拆除后以及在轉體過程中，轉動體的自平衡或配重平衡對施工過程的安全性和轉體順利實施起著至關重要的作用。為確保轉體的順利實施，對其結構進行稱重試驗，測試轉動體部分的不平衡力矩、摩阻力矩、偏心距、摩擦系數，并完成配重。

2 稱重試驗原理

2.1 轉動體球鉸摩阻力矩MZ大于轉動體不平衡力矩MG

采用球鉸轉動測試不平衡力矩，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，而不涉及撓度等影響因素較多的參數，結果比較準確。

當脫架完成后，整個梁體的平衡表現為兩種形式之一：

①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。

當轉動體球鉸摩阻力矩MZ小于轉動體不平衡力

矩MG時，意味著支架拆除后，轉動體部分在自身的不平衡力矩作用下即發生轉動。以沈陽四環轉體橋為例，此時進行不平衡稱重試驗，轉動體東側支點落頂，使轉動體在沿梁軸線的豎平面內發生順時針方向微小轉動，同時西側支反力為零。然后東側支點升頂，發生逆時針方向微小

轉動，同時西側支反力為零。記錄轉動過程中百分表讀

數。（圖1）

假設轉動體重心偏向東（邊跨）側，

東側落頂時有P落·L落+MZ=MG，

東側升頂時有P升·L東=MG+MZ，

則MG=■，MZ=■。

式中：MG——轉動體不平衡力矩，

MZ——轉動體球鉸摩阻力矩，

P落、P升——梁體東側落頂、升頂時支點支反力，

L東、L西——梁體東、西側支點距轉動球鉸幾何中心的距離。

當轉動體球鉸摩阻力矩MZ大于轉動體不平衡力矩MG時，意味著支架拆除后，轉動體部分在自身的不平衡力矩作用下不能發生轉動。此時進行不平衡稱重試驗，分別從轉動體東、西側支點頂梁，使轉動體在沿梁軸線的豎平面內發生逆時針、順時針方向微小轉動，記錄轉動過程中百分表讀數。（圖2）

假設轉動體重心偏向東（邊跨）側，

從東側頂梁時有P東·L東=MG+MZ，

從西側頂梁時有P西·L西+MG=MZ，

則MG=■，

MZ=■

式中：P東、P西——梁體發生微小轉動時東側、西側支點支反力。

2.2 轉動體球鉸靜摩擦系數

稱重試驗時，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球鉸中心豎轉法線的力矩之和（圖3）。

■

圖3 轉動體球鉸靜摩擦系數計算示意圖

dMZ=RcosθdF，

dF=μ0σdA，dA=2πrds，r=Rsinθ，ds=Rdθ，

σ=σ豎cosθ，σ豎=■，

則dMZ=■dθ，

MZ=■■μ0NR，

將此球鉸參數α=13.725°代入得：球鉸靜摩阻系數μ0=■，摩擦面按平面計算時：球鉸靜摩阻系數μ0=■。計算結果兩者相差1.4%，故當球鉸球面半徑較大而矢高較小時，可將摩擦面近似按平面來計算μ0。

2.3 偏心距

根據研究成果及工程實踐，使用聚四氟乙烯片并填充黃油的球鉸，其偏心距可用下列各式計算：

轉動體偏心距e=MG/N，式中：MG為不平衡力矩； N為轉體重量。

2.4 稱重試驗各項參數估算

u=Mz/0.986NR，

Mz——轉動球鉸摩阻力矩，

R——球鉸球徑為8.008m，

N——轉體重量為11800t（118000kN）。

根據研究成果及工程實踐u值約在0.02-0.04之間，故假設u=0.03，反算Mz=27951 kN.m。

Mz=（F左L左+F右L右）/2，endprint

假設F左=F右，L左=L右，取L=5.4m，

計算得F=5176kN。

稱重時千斤頂頂力約在5200kN。

2.5 梁體縱向配重

采用重量平衡轉體配重方案。該轉體方案的思路是：通過配重，使轉體梁在靜力狀態保持平衡，即轉體梁的重心線通過球鉸豎軸線。此時，配重可按下式計算：

需要配重=N·e /配重懸臂長度。

該方案的好處是配重量小，啟動所需牽引力相對較小。由于該方案中對轉動體為一點支承，在轉動過程中易導致轉體梁在豎平面內的晃動。因此，若采取該方案，應盡量減小撐腳與滑道間的間隙。

3 測點布置

在兩幅梁的承臺底面布置如圖4的千斤頂和位移傳感器，在上轉盤下用千斤頂施加力，分別用位移計測出球鉸由靜摩擦狀態到動摩擦狀態的臨界值，從而測出梁體的不平衡力矩。

■

圖4 測點布置圖

4 儀器設備及其安裝（表1）

儀器設備安裝布置圖5。

5 稱重工藝試驗分析

5.1 前期梁體施工的進度要求

①所有張拉、壓漿工作完成；

②梁體（包括梁體護欄）裝修做完，防拋網安裝完成；

③連續千斤頂作業平臺搭設完成；

④基坑、上下轉盤和反力座鑿毛，撐腳、滑道清理，基坑雜物清理完成；

⑤牽引設備安裝調試到位，鋼絞線清理穿鋼絞線并預緊；

⑥轉體牽引配電箱安裝連接到位；

⑦撐腳間隙砂子清理干凈；

⑧稱重前撤除梁頂所有材料、機具、設備；

⑨千斤頂校準完成。

5.2 梁頂標高、軸線測量準備；撐腳編號，撐腳間隙測點標示；在梁頂用白水泥線將配重塊放置區域畫出。然后測量梁頂標高、復測梁體軸線；測量撐腳間隙。安放位于上下承臺之間臨時支撐，臨時支撐銷緊。最后再次復測梁面標高、軸線及撐腳間隙。

5.3 安放稱重千斤頂，全部施加5噸預頂力，并檢查排除影響梁體轉動的障礙物。隨后拆除砂箱，測量撐腳間隙，之前配重塊和吊車需提前就位，這時方可拆除臨時固結，然后再拆除臨時支撐。

5.4 稱重前初步觀察百分表，察看梁體傾斜方向，初步判斷梁體平衡或偏移狀態；再次查看撐腳間隙。稱重時緩慢頂升，分級加載讀數。稱重時考慮從偏心側施加頂力，分級施加頂力的大小及加載步驟（見表2）；稱重時觀測梁端高程變化與千斤頂行程、壓力及百分表讀數之間的關系。

表2 稱重千斤頂加載施力等級表

■

注：此表實際應用時根據千斤頂校準報告換算為壓力表的壓力分級表。

5.5 落頂、讀數。每次完成稱重，待指針穩定后讀數、計算。計算主要內容有：e、μ、Mz、MG，同時計算出配重量并按計算結果配重。配重完成后要進行二次稱重，檢驗配重情況；直到兩端平衡。

5.6 配重完成，上臨時支撐，最后再次復測梁體標高、軸線、撐腳間隙。

5.7 試驗結果匯總。通過拆架時觀測數據表明：轉動體縱向球鉸摩阻力矩大于轉動體不平衡力矩（偏向大里程）。縱向稱重試驗實測位移、頂力數據見圖6、圖7。

①17#墩轉體縱向不平衡力矩估算為：不平衡彎矩MG=

1338.75kN·m，偏心距e=0.011m；MZ=55781.25KN·m；μ0=0.0589。

②15#墩轉體縱向不平衡力矩估算為：不平衡彎矩M=3137kN·m，偏心距e=0.026m。

6 結論

為保證轉體的同步、緩慢勻速轉動，其轉體結構的稱重、配重是該轉體施工中核心工作，通過對轉體球鉸部位摩擦力、不平衡力矩的測試，掌握梁體的穩定與平衡情況，在通過配重，使梁體達到平衡，為標高調整、變位和受力狀況提供依據，從而確保轉體結構安全。

6.1 通過以上論述發現，通過稱重，能夠準確確認轉體橋的平衡狀態，是確保轉體順利進行，確保轉體安全平穩的必要程序。

6.2 稱重前要對梁體的高程進行仔細測量，支撐的拆除要按步驟進行，實時監控，配重設備提前到位，是確保所有約束解除，這些工作要求必須在正式稱重前做好。

6.3 在施加稱重頂力時要分級逐步進行，超過摩擦平衡點時，稱重百分表會出現較大波動，此時應停止施加頂力。此時臨界狀態下的數據為有效測量數據。

參考文獻：

[1]張聯燕等.橋梁轉體施工[M].人民交通出版社，2002-3-1.

[2]魯建生，楊永宏，劉繼龍.保阜高速公路跨京廣鐵路轉體橋稱重試驗研究[J].鐵道建筑技術，2009（05）.

[3]孫士彥，張華，皮銀.轉體施工技術[J].鐵道標準設計，1998（9）：34-39.endprint

假設F左=F右，L左=L右，取L=5.4m，

計算得F=5176kN。

稱重時千斤頂頂力約在5200kN。

2.5 梁體縱向配重

采用重量平衡轉體配重方案。該轉體方案的思路是：通過配重，使轉體梁在靜力狀態保持平衡，即轉體梁的重心線通過球鉸豎軸線。此時，配重可按下式計算：

需要配重=N·e /配重懸臂長度。

該方案的好處是配重量小，啟動所需牽引力相對較小。由于該方案中對轉動體為一點支承，在轉動過程中易導致轉體梁在豎平面內的晃動。因此，若采取該方案，應盡量減小撐腳與滑道間的間隙。

3 測點布置

在兩幅梁的承臺底面布置如圖4的千斤頂和位移傳感器，在上轉盤下用千斤頂施加力，分別用位移計測出球鉸由靜摩擦狀態到動摩擦狀態的臨界值，從而測出梁體的不平衡力矩。

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圖4 測點布置圖

4 儀器設備及其安裝（表1）

儀器設備安裝布置圖5。

5 稱重工藝試驗分析

5.1 前期梁體施工的進度要求

①所有張拉、壓漿工作完成；

②梁體（包括梁體護欄）裝修做完，防拋網安裝完成；

③連續千斤頂作業平臺搭設完成；

④基坑、上下轉盤和反力座鑿毛，撐腳、滑道清理，基坑雜物清理完成；

⑤牽引設備安裝調試到位，鋼絞線清理穿鋼絞線并預緊；

⑥轉體牽引配電箱安裝連接到位；

⑦撐腳間隙砂子清理干凈；

⑧稱重前撤除梁頂所有材料、機具、設備；

⑨千斤頂校準完成。

5.2 梁頂標高、軸線測量準備；撐腳編號，撐腳間隙測點標示；在梁頂用白水泥線將配重塊放置區域畫出。然后測量梁頂標高、復測梁體軸線；測量撐腳間隙。安放位于上下承臺之間臨時支撐，臨時支撐銷緊。最后再次復測梁面標高、軸線及撐腳間隙。

5.3 安放稱重千斤頂，全部施加5噸預頂力，并檢查排除影響梁體轉動的障礙物。隨后拆除砂箱，測量撐腳間隙，之前配重塊和吊車需提前就位，這時方可拆除臨時固結，然后再拆除臨時支撐。

5.4 稱重前初步觀察百分表，察看梁體傾斜方向，初步判斷梁體平衡或偏移狀態；再次查看撐腳間隙。稱重時緩慢頂升，分級加載讀數。稱重時考慮從偏心側施加頂力，分級施加頂力的大小及加載步驟（見表2）；稱重時觀測梁端高程變化與千斤頂行程、壓力及百分表讀數之間的關系。

表2 稱重千斤頂加載施力等級表

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注：此表實際應用時根據千斤頂校準報告換算為壓力表的壓力分級表。

5.5 落頂、讀數。每次完成稱重，待指針穩定后讀數、計算。計算主要內容有：e、μ、Mz、MG，同時計算出配重量并按計算結果配重。配重完成后要進行二次稱重，檢驗配重情況；直到兩端平衡。

5.6 配重完成，上臨時支撐，最后再次復測梁體標高、軸線、撐腳間隙。

5.7 試驗結果匯總。通過拆架時觀測數據表明：轉動體縱向球鉸摩阻力矩大于轉動體不平衡力矩（偏向大里程）。縱向稱重試驗實測位移、頂力數據見圖6、圖7。

①17#墩轉體縱向不平衡力矩估算為：不平衡彎矩MG=

1338.75kN·m，偏心距e=0.011m；MZ=55781.25KN·m；μ0=0.0589。

②15#墩轉體縱向不平衡力矩估算為：不平衡彎矩M=3137kN·m，偏心距e=0.026m。

6 結論

為保證轉體的同步、緩慢勻速轉動，其轉體結構的稱重、配重是該轉體施工中核心工作，通過對轉體球鉸部位摩擦力、不平衡力矩的測試，掌握梁體的穩定與平衡情況，在通過配重，使梁體達到平衡，為標高調整、變位和受力狀況提供依據，從而確保轉體結構安全。

6.1 通過以上論述發現，通過稱重，能夠準確確認轉體橋的平衡狀態，是確保轉體順利進行，確保轉體安全平穩的必要程序。

6.2 稱重前要對梁體的高程進行仔細測量，支撐的拆除要按步驟進行，實時監控，配重設備提前到位，是確保所有約束解除，這些工作要求必須在正式稱重前做好。

6.3 在施加稱重頂力時要分級逐步進行，超過摩擦平衡點時，稱重百分表會出現較大波動，此時應停止施加頂力。此時臨界狀態下的數據為有效測量數據。

參考文獻：

[1]張聯燕等.橋梁轉體施工[M].人民交通出版社，2002-3-1.

[2]魯建生，楊永宏，劉繼龍.保阜高速公路跨京廣鐵路轉體橋稱重試驗研究[J].鐵道建筑技術，2009（05）.

[3]孫士彥，張華，皮銀.轉體施工技術[J].鐵道標準設計，1998（9）：34-39.endprint

假設F左=F右，L左=L右，取L=5.4m，

計算得F=5176kN。

稱重時千斤頂頂力約在5200kN。

2.5 梁體縱向配重

采用重量平衡轉體配重方案。該轉體方案的思路是：通過配重，使轉體梁在靜力狀態保持平衡，即轉體梁的重心線通過球鉸豎軸線。此時，配重可按下式計算：

需要配重=N·e /配重懸臂長度。

該方案的好處是配重量小，啟動所需牽引力相對較小。由于該方案中對轉動體為一點支承，在轉動過程中易導致轉體梁在豎平面內的晃動。因此，若采取該方案，應盡量減小撐腳與滑道間的間隙。

3 測點布置

在兩幅梁的承臺底面布置如圖4的千斤頂和位移傳感器，在上轉盤下用千斤頂施加力，分別用位移計測出球鉸由靜摩擦狀態到動摩擦狀態的臨界值，從而測出梁體的不平衡力矩。

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圖4 測點布置圖

4 儀器設備及其安裝（表1）

儀器設備安裝布置圖5。

5 稱重工藝試驗分析

5.1 前期梁體施工的進度要求

①所有張拉、壓漿工作完成；

②梁體（包括梁體護欄）裝修做完，防拋網安裝完成；

③連續千斤頂作業平臺搭設完成；

④基坑、上下轉盤和反力座鑿毛，撐腳、滑道清理，基坑雜物清理完成；

⑤牽引設備安裝調試到位，鋼絞線清理穿鋼絞線并預緊；

⑥轉體牽引配電箱安裝連接到位；

⑦撐腳間隙砂子清理干凈；

⑧稱重前撤除梁頂所有材料、機具、設備；

⑨千斤頂校準完成。

5.2 梁頂標高、軸線測量準備；撐腳編號，撐腳間隙測點標示；在梁頂用白水泥線將配重塊放置區域畫出。然后測量梁頂標高、復測梁體軸線；測量撐腳間隙。安放位于上下承臺之間臨時支撐，臨時支撐銷緊。最后再次復測梁面標高、軸線及撐腳間隙。

5.3 安放稱重千斤頂，全部施加5噸預頂力，并檢查排除影響梁體轉動的障礙物。隨后拆除砂箱，測量撐腳間隙，之前配重塊和吊車需提前就位，這時方可拆除臨時固結，然后再拆除臨時支撐。

5.4 稱重前初步觀察百分表，察看梁體傾斜方向，初步判斷梁體平衡或偏移狀態；再次查看撐腳間隙。稱重時緩慢頂升，分級加載讀數。稱重時考慮從偏心側施加頂力，分級施加頂力的大小及加載步驟（見表2）；稱重時觀測梁端高程變化與千斤頂行程、壓力及百分表讀數之間的關系。

表2 稱重千斤頂加載施力等級表

■

注：此表實際應用時根據千斤頂校準報告換算為壓力表的壓力分級表。

5.5 落頂、讀數。每次完成稱重，待指針穩定后讀數、計算。計算主要內容有：e、μ、Mz、MG，同時計算出配重量并按計算結果配重。配重完成后要進行二次稱重，檢驗配重情況；直到兩端平衡。

5.6 配重完成，上臨時支撐，最后再次復測梁體標高、軸線、撐腳間隙。

5.7 試驗結果匯總。通過拆架時觀測數據表明：轉動體縱向球鉸摩阻力矩大于轉動體不平衡力矩（偏向大里程）。縱向稱重試驗實測位移、頂力數據見圖6、圖7。

①17#墩轉體縱向不平衡力矩估算為：不平衡彎矩MG=

1338.75kN·m，偏心距e=0.011m；MZ=55781.25KN·m；μ0=0.0589。

②15#墩轉體縱向不平衡力矩估算為：不平衡彎矩M=3137kN·m，偏心距e=0.026m。

6 結論

為保證轉體的同步、緩慢勻速轉動，其轉體結構的稱重、配重是該轉體施工中核心工作，通過對轉體球鉸部位摩擦力、不平衡力矩的測試，掌握梁體的穩定與平衡情況，在通過配重，使梁體達到平衡，為標高調整、變位和受力狀況提供依據，從而確保轉體結構安全。

6.1 通過以上論述發現，通過稱重，能夠準確確認轉體橋的平衡狀態，是確保轉體順利進行，確保轉體安全平穩的必要程序。

6.2 稱重前要對梁體的高程進行仔細測量，支撐的拆除要按步驟進行，實時監控，配重設備提前到位，是確保所有約束解除，這些工作要求必須在正式稱重前做好。

6.3 在施加稱重頂力時要分級逐步進行，超過摩擦平衡點時，稱重百分表會出現較大波動，此時應停止施加頂力。此時臨界狀態下的數據為有效測量數據。

參考文獻：

[1]張聯燕等.橋梁轉體施工[M].人民交通出版社，2002-3-1.

[2]魯建生，楊永宏，劉繼龍.保阜高速公路跨京廣鐵路轉體橋稱重試驗研究[J].鐵道建筑技術，2009（05）.

[3]孫士彥，張華，皮銀.轉體施工技術[J].鐵道標準設計，1998（9）：34-39.endprint