跨304國(guó)道及大鄭鐵路轉(zhuǎn)體橋精確稱重技術(shù)研究

王海雷

摘要：本文以通遼客專TLSG-2標(biāo)跨304國(guó)道及大鄭鐵路特大橋轉(zhuǎn)體施工為實(shí)例，闡述轉(zhuǎn)體橋梁稱重試驗(yàn)的必要性、原理及具體稱重配重過(guò)程，為國(guó)內(nèi)類似工程施工提供參考經(jīng)驗(yàn)。

Abstract： In this paper， taking swing construction of super major bridge for Tongliao passenger dedicated TLSG-2 crossing 304 National Road and Da Zheng railway as an example， elaborate the necessity of swivel bridge weighing test， principle and specific weighing process， which provides reference for similar domestic engineering construction.

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)體橋梁；稱重試驗(yàn)；配重方案

Key words： swivel bridge；weighing test；counterweight scheme

中圖分類號(hào)：U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）22-0125-03

0 引言

橋梁的轉(zhuǎn)體施工過(guò)程復(fù)雜、技術(shù)難度大、施工精度要求高，是全橋施工的關(guān)鍵步驟。在轉(zhuǎn)體橋梁施工領(lǐng)域，已經(jīng)形成較成熟的理論體系，但對(duì)于不同的橋梁，必須根據(jù)其具體的結(jié)構(gòu)形式、施工工法和場(chǎng)地及環(huán)境條件等特點(diǎn)制定出合理可行的轉(zhuǎn)體方案，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和強(qiáng)度要求。

1 工程概況

通遼至新民北客運(yùn)專線跨304國(guó)道及大鄭鐵路特大橋全長(zhǎng)3785.9m，86#-90#墩為主橋部分，長(zhǎng)為231.5m，上部結(jié)構(gòu)為（45+70+70+45）m連續(xù)箱梁。主橋同時(shí)跨越304國(guó)道及大鄭鐵路，其中大鄭鐵路每日通行客貨運(yùn)列車100余次。

箱梁中支點(diǎn)處梁高6.5m，邊支點(diǎn)及跨中梁高3.5m，梁面寬12.2m。為降低對(duì)運(yùn)營(yíng)鐵路及公路的影響，采用轉(zhuǎn)體法施工，其中87#墩為非轉(zhuǎn)體主墩，88#、89#墩為轉(zhuǎn)體主墩。88#、89#墩T構(gòu)先平行于鐵路方向采用支架法完成T構(gòu)現(xiàn)澆，逆時(shí)針轉(zhuǎn)體到位，最后進(jìn)行中跨合龍。

主橋軸線與鐵路夾角為32度，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)體重量為47860kN，理論計(jì)算的啟動(dòng)牽引力為598.3kN，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中所需牽引力359.0kN。主橋具體孔跨布置如圖1所示。

因88#與89#墩T構(gòu)結(jié)構(gòu)形式完全一致，本文僅以88#墩轉(zhuǎn)體T構(gòu)為例進(jìn)行轉(zhuǎn)體橋稱重研究。

2 稱重試驗(yàn)方法概述

2.1 稱重試驗(yàn)的目的及必要性

轉(zhuǎn)體橋梁在施工過(guò)程中由于球鉸安裝、梁體施工、防護(hù)結(jié)構(gòu)等施工誤差原因，以及橋梁縱坡、預(yù)應(yīng)力張拉的影響，造成梁體重量分布不均，且實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)中心與理論轉(zhuǎn)動(dòng)中心出現(xiàn)偏差，從而產(chǎn)生不平衡力矩。

根據(jù)本橋的結(jié)構(gòu)形式，轉(zhuǎn)體T構(gòu)總長(zhǎng)為68m，懸臂34m，在豎平面內(nèi)由于不平衡力矩使球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)體系產(chǎn)生0.01°的微小轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)體懸臂段的端部就會(huì)產(chǎn)生大約5.93mm的豎向位移。所以有必要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工，確保轉(zhuǎn)體橋施工線型符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

不平衡力矩及有關(guān)的偏心距、摩阻力矩及摩擦系數(shù)在不同的橋梁結(jié)構(gòu)中數(shù)值各不相同。其中摩擦系數(shù)亦隨正壓力大小變化同步變動(dòng)，不能將其他轉(zhuǎn)體案例中得出的摩擦系數(shù)直接引用在本橋上。必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)稱重試驗(yàn)，然后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析計(jì)算獲得以上參數(shù)，從而確定不平衡力矩消除的措施、配重參數(shù)、配重加載位置并付諸實(shí)施，最終達(dá)到保證轉(zhuǎn)體施工階段的結(jié)構(gòu)安全，提高施工質(zhì)量的目的。

2.2 稱重試驗(yàn)基本原理

當(dāng)轉(zhuǎn)體梁T構(gòu)支架拆除后，整個(gè)梁體的平衡表現(xiàn)必定為以下兩種形式之一：

①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)。

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。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，88#墩轉(zhuǎn)體梁T構(gòu)支架拆除后，有一側(cè)2個(gè)滑道撐腳受力，故本橋轉(zhuǎn)體T構(gòu)受力情況明顯屬于第二種，球鉸處有轉(zhuǎn)動(dòng)，T構(gòu)處于撐腳與球鉸共同維持T構(gòu)的穩(wěn)定性的狀態(tài)。

本橋采用了球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)法測(cè)試不平衡力矩，該方法采用測(cè)試剛體位移突變的方式進(jìn)行測(cè)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(shù)，結(jié)果比較準(zhǔn)確。

2.3 不平衡力矩和摩阻力矩的測(cè)定

在稱重試驗(yàn)時(shí)，假定球鉸、上承臺(tái)、墩身及墩頂T構(gòu)為剛體。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)體球鉸摩阻力矩小于轉(zhuǎn)動(dòng)體不平衡力矩，轉(zhuǎn)動(dòng)體重心偏向北側(cè)，此種情況下，在北側(cè)承臺(tái)實(shí)施頂力P1（如實(shí)施頂力T構(gòu)受力示意圖）。當(dāng)頂力P1（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：P1·L2=MG+MZ。

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（如頂力回落過(guò)程T構(gòu)受力示意圖）為千斤頂逐漸回落過(guò)程中球鉸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的力，有：P2·L2=MG-MZ

解方程得到MG 和MZ 值：

不平衡力矩：MG=■ ；

摩阻力矩：MZ=■

2.4 摩阻系數(shù)及偏心距計(jì)算方法

①摩阻系數(shù)計(jì)算。

轉(zhuǎn)動(dòng)體球鉸靜摩擦系數(shù)的分析計(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?lè)较蛭⑿∞D(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(guò)球鉸中心豎轉(zhuǎn)法線的力矩之和（見圖4）。

由圖4可以得到：

dM=■dF

dF=μzPdA dA=Rsinθ·dβ·R·dθ

P豎=Pcosθ P豎=■

所以：Mz=μz■■cosθsinθ■dβdθ=■μzNR

式中，R為球鉸中心轉(zhuǎn)盤球面半徑；N為轉(zhuǎn)體重量；dM為任意點(diǎn)摩阻力矩；dF為任意點(diǎn)摩擦力；dA為有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)瞬間兩剛體任意點(diǎn)接觸面積；P豎為任意點(diǎn)正壓力；μZ為摩阻系數(shù)。

本橋球鉸球面半徑R=6m，球鉸平面半徑r=1.5m，可得：α=sin-1（■）=14.48°，將該數(shù)據(jù)代入公式進(jìn)行積分可以得到球鉸靜摩阻系數(shù)：μz=■。

②偏心距計(jì)算。

轉(zhuǎn)動(dòng)體偏心距為：e= ■

3 稱重試驗(yàn)

3.1 施力設(shè)備及測(cè)點(diǎn)布置

為保證304國(guó)道及大鄭線路安全運(yùn)營(yíng)，88#墩頂轉(zhuǎn)體T構(gòu)大里程側(cè)預(yù)先進(jìn)行了擋砟墻澆筑。擋砟墻方量為0.46m3/延米，順橋梁對(duì)稱均勻布置，因擋砟墻澆筑引起的不平衡力矩為6253kN·m。

在距離88#墩中心線26.5m小里程側(cè)左右對(duì)稱加載了10塊經(jīng)過(guò)稱重的1m3砼塊，預(yù)配重增加彎矩為-6232kNm，施工擋砟墻造成的不平衡彎矩已基本抵消，符合試驗(yàn)要求。

根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的參數(shù)，N=47860kN，R=6m，μ=0.1；算得設(shè)計(jì)靜摩阻力矩為：0.984×0.1×47860×6=28256.544

kN·m。

擬在距轉(zhuǎn)體中心線3.8m處設(shè)置2臺(tái)5000kN的千斤頂，每臺(tái)千斤頂需要的頂力為28256.544/（2×3.8）=3717.96kN。千斤頂布置可滿足試驗(yàn)要求。

千斤頂處放置壓力傳感器（BLR-3型），千斤頂對(duì)面位置布置位移傳感器（百分表），如圖6。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析圖表

試驗(yàn)時(shí)，千斤頂荷載達(dá)到3506kN之前，百分表讀取的相對(duì)位移變化較小，且隨荷載值呈線型變化，在荷載大于該值后，相對(duì)位移變化速度突然加快，而荷載則變化緩慢，可知臨建力P1為3506kN。

落頂時(shí)，在荷載大于336kN之前，相對(duì)位移變化較小，且基本隨荷載值呈線性變化，在荷載小于該值后，相對(duì)位移變化加快，而荷載值變化緩慢，得出臨界力P2為336kN。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄圖表如圖7、圖8。

現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)得到L2=3.8m。

代入公式計(jì)算，88#墩轉(zhuǎn)體T構(gòu)順橋向基本數(shù)據(jù)如下：

MG=7299.8kN·m；MZ=6023.0kN·m；μZ=0.021；e=15.2cm。

由于該T構(gòu)屬于直線段橋梁，梁體設(shè)計(jì)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，橫橋向不平衡力矩基本可忽略不計(jì)，配重過(guò)程中不再考慮橫橋向影響。

4 配重方案

通過(guò)在箱梁頂板上配置一定重量，T構(gòu)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)自身即能維持平衡，不再需要借助撐腳支撐，從而間接達(dá)到減小啟動(dòng)牽引力的目的。

配重量×g=N·e/（懸臂長(zhǎng)度-配重端至梁端長(zhǎng)度），將配重放在距梁端3.7m處，算得配重質(zhì)量=47860×0.152/（34-3.7）/9.8T=24T，共需放置1m3配重塊10塊。

需要特別注意的是，如果配重后二次稱重發(fā)現(xiàn)不平衡力矩偏大時(shí)需要二次配重。

5 轉(zhuǎn)體施工效果評(píng)價(jià)

根據(jù)88#墩稱重試驗(yàn)結(jié)果在箱梁頂增加配重塊后，88#墩31min轉(zhuǎn)體到位，暫停進(jìn)行精調(diào)。轉(zhuǎn)體速度為1°/min，啟動(dòng)與停止過(guò)程中梁體平穩(wěn)可靠，無(wú)明顯晃動(dòng)情況出現(xiàn)，轉(zhuǎn)體過(guò)程梁端最大高程偏差為11mm，轉(zhuǎn)體結(jié)束后梁端高程偏差為6mm，符合設(shè)計(jì)及驗(yàn)收規(guī)范要求，轉(zhuǎn)體施工成功結(jié)束。

6 結(jié)束語(yǔ)

本次稱重試驗(yàn)在頂升及落頂過(guò)程，位移突變明顯，臨界力確認(rèn)清晰。稱重試驗(yàn)為轉(zhuǎn)體施工策劃及決策提供了有效可靠的數(shù)據(jù)，保證了轉(zhuǎn)體施工的順利進(jìn)行，可作為其他轉(zhuǎn)體梁施工參考。

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