陽泉市泉西路上跨石太鐵路立交橋稱重試驗分析

杜 光

（山西省交通科學研究院 黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室，山西 太原 030006）

當新建橋梁跨越繁忙的交通線路既有鐵路或高速公路時，為了減小橋梁施工對既有線路的影響，常采用轉體橋梁施工方法。同時根據橋梁結構施工時轉動方向的不同，又可分為平轉法、豎轉法以及平轉與豎轉相結合的方法[1]。由于轉體橋梁施工方法具有改善施工條件、施工設備少、操作簡便等優點，使得轉體橋梁施工法在20世紀70年代后在我國得到了廣泛應用，其中又以平轉法應用最為廣泛。本文結合陽泉市泉西路上跨石太鐵路立交橋施工，對橋梁轉體施工前的稱配重進行技術分析及探討。

1 工程背景

陽泉市泉西路工程為全定向匝道互通式立交，主線起于南大西街，終點處與既有宏成橋順接，定位為城區的南北新通道。主線泉西路橋梁全長677.8 m，主橋上跨石太鐵路上、下行線及陽泉礦正線，采用變高度T型剛構連續梁。橋梁孔跨布置：1-30 m簡支箱梁+2×60 m T構剛構+（45+50+45）m預應力混凝土連續箱梁+3-5×25 m鋼筋混凝土連續箱梁。道路等級:城市次干道；設計荷載:城-A級，跨鐵路（聯跨）孔跨荷載考慮1.3倍放大系數。轉體結構由轉體下盤、轉動球鉸、轉體上轉盤、轉動牽引系統組成。鋼球鉸直徑3 700 mm，厚度為30 mm，分上下兩片，為轉動體系的核心部分。

石太鐵路線路繁忙，為最大限度減少結構施工對交通運營的影響，本橋采用平面轉體的施工方法。即先沿鐵路南側平地搭設滿堂支架分段澆筑梁體，待混凝土強度合格拆除支架后，通過轉體就位、然后澆筑兩端合龍段，最后使全橋貫通。轉體段橋梁長55 m+55 m，轉體角度85°，轉體重量達10 000 t。原設計全梁施工節段劃分情況為：0號段（數量1）、1號段（數量 2）、2號段（數量 2）、3號段（數量 2）、4號段（數量2）、5號段（數量2）；由于季節施工工期變更等原因，全梁施工節段重新劃分情況為：A號段（數量 1）、B 號段（數量 2）、C號段（數量2）。

2 轉體施工不平衡稱重試驗

2.1 稱重試驗的目的

水平轉體施工中，能否轉的動且轉動所需的牽引力很小，并且在轉動過程中達到結構的安全穩定是橋梁成功轉體的前提條件。一個理想的轉動體系統必須同時具備以上兩個基本條件。這就需要保證轉動體系以轉軸為中心所產生的剛體不平衡力矩及摩阻系數要盡量小，然而在實際施工中，尤其是當橋梁采取滿堂支架分段現澆法施工時，往往很難做到轉軸兩側梁體重量完全一致，因此轉體結構均存在著不同程度的不平衡力矩，此時為了消除結構不平衡力矩，保證橋梁結構成功轉體，需進行結構稱重試驗，測試轉動體部分的不平衡力矩、偏心距、摩阻力矩及摩阻系數[2]。

圍繞陽泉市泉西路上跨石太鐵路立交橋結構特點，在橋梁轉體前進行稱配重試驗，測試本轉動體橋梁的縱橋向不平衡力矩、偏心距、摩阻力矩及摩阻系數，并確定轉動結構的配重方案。

2.2 稱重試驗前的準備工作

a）撤除梁頂所有材料、機具、設備，清除梁體內雜物；

b）檢查并確定上轉盤撐腳下滑板上無雜物；

c）安放千斤頂、電子位移計；

d）拆除支架、砂箱；

e）觀察轉體結構是否傾斜以及傾斜方向，確定其狀態。

3 稱重試驗測試方法及分析

當轉動梁體支架全部拆除后，整個梁體的平衡可表現為：

a）轉動體球鉸提供的摩阻力矩（MZ）大于轉動體自身不平衡力矩（MG）。此時，轉動體系會維持自身平衡，不會發生任何轉動。b）轉動體球鉸提供的摩阻力矩（MZ）小于轉動體自身不平衡力矩（MG）。此時，體系會發生繞球鉸的剛體轉動，直到撐腳著地受力，體系重新建立平衡狀態[3]。

3.1 球鉸摩阻力矩大于轉動體自身不平衡力矩

設轉動體重心偏向太原側，此時在石家莊側上承臺施加頂力P1（見圖1）。當頂力P1增大到足以使結構體系發生轉動時，此時可得平衡方程式（1）：

圖1 石家莊側施加頂力

在太原側上承臺實施頂力P2（見圖2）。當頂力P2增大到足以使結構體系發生轉動時，此時可得平衡方程式（2）：

圖2 太原側施加頂力

解方程（1）和（2），可得不平衡力矩及摩阻力矩計算式。

3.2 球鉸摩阻力矩小于轉動體不平衡力矩

設轉動體重心偏向太原側，此時，由于撐腳著地只能在太原側上承臺實加頂力P2（見圖2）。當頂力P2增大到足以使結構體系發生轉動時，此時可得平衡方程式（5）：

當千斤頂頂升到位（使球鉸發生微小轉動）后，使千斤頂回油，設P3為千斤頂回落過程中使球鉸再次發生微小轉動時的頂力，此時可得平衡方程式（6）：

解方程（5）和（6），可得不平衡力矩和摩阻力矩表達式。

3.3 摩阻系數及偏心距

根據相關理論推導球鉸靜摩阻系數及轉動體偏心距計算式為：

式中：R為球鉸轉盤球面半徑；N為轉動梁體重量[4]。

3.4 試驗步驟

a）根據梁體脫架后所處形式確定采用何種方式進行稱重，在預先擬定好位置處水平安放好壓力傳感器和位移傳感器。

b）調整配套千斤頂和油表到初始位置，注意保持頂升時兩臺千斤頂頂力同步施加，并做好現場同步記錄。

c）千斤頂逐級緩慢加載，保持兩側頂力平衡，避免橫向不平衡力矩的產生。

d）密切注視位移傳感器的微小變化，直到位移出現較大突變為止；現場整理試驗數據，用筆記本電腦同步匯制荷載-位移變化曲線。

e）根據試驗測試數據代入以上計算公式，從而得到偏心距、摩阻系數和不平衡力矩。

f）通過測試結果，對轉體結構提出配重方案。

3.5 試驗所用儀器設備

a）400 t油壓千斤頂兩臺，用于施加頂力。

b）應變式位移傳感器6支，用于測試球鉸微小轉動所產生的結構豎向位移。

c）壓力傳感器兩臺，主要技術指標：量程5000kN，測試精度1 kN。

d）智能綜合測試儀一臺，用于采集壓力傳感器讀數，測試精度1 kN。

e）數據采集系統，采用日本生產的TDS-530數據采集系統，用于采集應變式位移傳感器的信號。

f）筆記本電腦一臺，用于現場數據處理。

4 試驗結果分析及配重方案

4.1 稱重試驗結果

本次試驗梁體脫架完成后，發現石家莊側正東方向一處撐腳已與滑道鋼板接觸，說明此時梁體的平衡處于上面所講第二種平衡形式。根據該狀態的測試方法，在石家莊側上承臺底面布置如圖3所示的千斤頂和位移傳感器。

圖3 設備布置示意圖（單位：m）

通過石家莊側加載情況下的荷載-位移變化曲線可以看出，P=4 700 kN為荷載-位移變化曲線的拐點，由此判斷出頂升時的臨界力P2=4 700 kN。

在石家莊側落頂情況下的荷載-位移變化曲線可以看出，P=1 113 kN為荷載-位移變化曲線的拐點，由此判斷出落頂時的臨界力P3=1 113 kN。

圖4 頂升時力與位移關系曲線

圖5 落頂時力與位移關系曲線

將表1中計算參數按狀態2分別代入計算式（7）～式（10）中，可分別求得不平衡力矩、摩阻力矩、摩阻系數及偏心矩。計算結果見表2。

表1 縱向不平衡力矩、摩阻力矩計算參數

表2 縱向不平衡力矩、摩阻力矩、偏心距及靜摩阻系數

4.2 配重方案

本次配重采用質量平衡配重的方法。質量平衡配重方案的思路是轉動體系在靜力狀態下保持自身平衡：即根據稱重試驗結果，通過在T構非偏心一側箱梁頂上配置一定質量重物，使配重后新的結構體系重心與球鉸豎向重心相重合，這樣結構體系所有撐腳均不與滑道鋼板接觸，從而撐腳也均不參與受力。此時結構體系的配重量計算式為：

所需配重=N·e/（懸臂長度－配重距梁端距離）.

該方案最大的優點是減小了配重所需重物質量，從而也減小了T構轉體時所需的千斤頂牽引啟動力。此時結構體系重心正好落在球鉸上，可近似看作單點支撐，因此在轉動過程中如遇大風等惡劣天氣或外力不平衡狀態時，較易出現梁體的晃動。因此，在轉動過程中盡量減小了撐腳與滑道的間隙。按該方案轉體梁的配重計算結果見表3。

表3 梁體平衡配重方案

5 結論

本次橋梁稱重試驗過程中，力與位移關系變化曲線拐點明顯，臨界力確定準確，為大橋準確配重成功轉體提供了理論和技術支撐，通過75 min的勻速轉動，陽泉市泉西路上跨石太鐵路立交橋順利到達即定位置，成功跨越石太鐵路線與兩端現澆梁平穩對接，為今后同類轉體橋梁工程施工積累了實踐經驗。