高速公路跨鐵路立交橋連續梁轉體施工不平衡稱重分析

王學彥，秦立朝，譚春騰

(湖南高速鐵路職業技術學院，湖南衡陽 421002 )

1 工程概況

利川至萬州高速公路跨滬蓉鐵路立交橋位于利川市涼霧鄉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，順設計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 °。

考慮到工程施工對既有鐵路運營的影響，A、B匝道跨鐵路主跨采用(44+33) mT型剛構，采用轉體法施工，A、B匝道T構在鐵路的兩側分別預制，分兩次要點進行轉體施工，兩座橋轉體角度均為73 °，轉體方向均為順時針，轉體重量為7 600 t和7 400 t。轉體完成后，支架現澆另一孔33 m，與轉體箱梁連接成為連續梁。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。

連續梁T構部分為預應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，兩側懸臂板長各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。采用支架現澆后轉體施工[1]。

連續梁現澆部分為預應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，兩側懸臂板長各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。采用支架現澆。鋼球鉸直徑為φ3 500 mm，厚度為40 mm，分上下兩片。是平轉法施工的轉動體系，而轉動體系的核心是轉動球鉸，它是轉體施工的關鍵結構，制作及安裝精度要求很高，必須精心制作，精心安裝。

為抵抗轉體過程中的不平衡力矩，在轉臺和滑道間對稱均勻的設置八組撐腳。在撐腳下方的下轉盤頂面設置1.1 m寬的環形滑道，滑道中心線半徑3.8 m，轉體時撐腳在滑道頂面滑動，以保持轉體結構平穩。為保證轉體的順利實施，要求滑道面在同一水平面內，其相對高差不大于2 mm，同時為減小轉體過程中的滑動摩阻力，在滑道面板鋪設一層4 mm厚的四氟乙烯滑板。

連續T構梁(33 m+44 m)位于大橋A2(B2)#至A4(B4)#墩上，T構梁主墩為A3(B3)#墩。T形剛構梁采用平面轉體施工，沿鐵路方向在支架上現澆，在第一層承臺與第二層承臺間設置轉盤，T構通過連續千斤頂牽引裝置逆時針轉向73 °到設計位置后進行永久固結，轉體重量約為7 600(7 400) t。轉體完成后，支架現澆另一孔33 m，與轉體箱梁連接成為連續梁。

2 平衡稱重目的與內容

轉體施工的關鍵構件就是承載整個轉動體重量的轉動球鉸，而轉動球鉸摩擦系數的大小直接影響著轉體時所需牽引力矩的大小。轉體橋梁在橋梁縱軸線的豎平面內，由于球鉸體系的制作誤差、梁體質量分布差異以及預應力張拉程度差異，可能導致橋墩兩側懸臂梁段質量分布不同以及剛度不同，從而產生不平衡力矩。在施工支架完全拆除后及橋梁轉體過程中，轉動體的配重平衡對施工過程的安全性起著至關重要的作用。

因此，為了保證橋梁轉體的順利進行，及時為大橋轉體階段的指揮和決策提供依據，有必要在轉體前進行轉動體稱重試驗[3]，測試轉動體的不平衡力矩、偏心距、摩阻力矩及靜摩擦系數，并按橋梁轉體的要求進行配重。本試驗在施工支架完全拆除后、轉體之前進行，測試內容主要包括：

(1)轉動體部分的縱向不平衡力矩和縱向偏心距；

(2)轉體球鉸的摩阻力矩及靜摩擦系數；

(3)完成轉體梁的配重方案。

3 試驗原理

稱重試驗假設梁體可以繞球鉸發生剛體轉動，通過對梁體施加轉動力矩，并測試球鉸的切向轉動位移，得到二者的關系曲線，當位移發生突變時，所對應的狀態為靜摩擦與動摩擦的臨界狀態。因為轉動力矩與豎向頂力，切向轉動位移與豎向位移之間存在固定的比例關系，因此，可以直接繪制頂力-位移曲線，找出臨界點。

3.1 球鉸摩阻力矩和轉動體不平衡力矩計算

當脫架完成后，整個梁體的平衡狀況可能出現下列兩種形式：(l)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；(2)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。本橋由于采用左右不對稱結構，所有只需考慮轉動體球鉸摩阻力矩(MZ)小于轉動體不平衡力矩(MG)這一情況。

設轉動體重心偏向北側，此時，只能在北側承臺實施頂力P2(圖1)，當P2(由撐腳離地的瞬間算起)逐漸增加到使球鉸發生微小轉動的瞬間，有：

P2·L2=MG+MZ

(1)

當頂升到位(球鉸發生微小轉動)后，使千斤頂回落，設P2′為千斤頂逐漸回落過程中球鉸發生微小轉動時的力，則有：

P2′·L2=MG-MZ

(2)

聯立式(1)、式(2)得

(3)

(4)

圖1 梁體的平衡狀態

3.2 球鉸靜摩擦系數和轉動體偏心矩計算

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過球鉸中心豎轉法線的力矩之和(圖2)。

圖2 摩擦系數計算

由圖2可得：

所以：

(5)

(6)

式中:R為球鉸中心轉盤球面半徑；N為轉體重量。

也可按下式計算復核：

μ=3M/2RG

式中：μ為摩擦系數；M為轉動力矩(kN·m);R為球鉸平面半徑(m);G為轉臺總重量(kN)。

設計靜摩擦系數為0.1，動摩擦系數為0.06，若測出的摩擦系數較設計出入較大，應分析查找原因，并做出相應地處理。

3.3 配重計算

配重的目的是使轉動體達到平衡狀態，提高轉體過程的穩定性。常用的配重方案有兩種：(1)梁體絕對平衡配重方案；(2)梁體縱向傾斜配重方案。絕對平衡配重對轉體的平穩反而不利，目前一般采用第(2)種方案。

該配重方案的思路是：在轉體過程中轉體梁應在梁軸線方向略呈傾斜態勢，即梁軸線上橋墩一側的撐腳落下接觸滑道，另一側的撐腳抬起離開滑道。這樣做的好處：使轉動體形成兩點豎向支承，增加了轉動體在轉動過程中豎平面內的穩定性。配重可按下式計算：

(7)

配重后偏心距

(8)

為了保證配重卸載的安全，配重應設置在非跨鐵路孔一側，配重的大小應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 測點布置

本項目的轉體平面布置如圖3所示，該橋轉體73 °。

圖3 梁位平面

4.1.1 千斤頂布置

千斤頂數量估算：轉體梁重按7 600t估算，球鉸轉動半徑4.2m，千斤頂距中心距離約為3.65m，靜摩阻系數按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。

4.1.2 位移傳感器布置

在千斤頂對側撐腳處設置應變式位移傳感器(圖4)。

4.2 測試設備及性能

(1)位移傳感器：量程50mm的機電百分表4個，精度1/100mm。(2)位移采集系統：采用東華測試技術有限公司生產的DH3817靜動態數據采集系統，采樣頻率200Hz；單機8通道。(3)數據分析軟件系統：采用DH3817專用的數據處理軟件。該軟件包能實現本次測試中相關數據的處理及分析，并能做到實時處理。(4)壓力傳感器：長沙金碼生產的JMZX-3360AT六弦智能型壓力傳感器1臺，量程6 000kN，精度1kN。(5)壓力采集系統：長沙金碼JMZX-3006智能綜合測試儀1臺。(6)聯想筆記本電腦1臺。所需要的主要儀器設備及數量如表1所示。

(a)平面圖 (b)立面圖

表1 主要儀器設備及規格

4.3 試驗步驟

4.3.1 判斷轉體平衡狀態

逐步解除臨時固結措施過程中，在撐腳處布置位移傳感器(圖5)。測試步驟：

(1)兩幅梁施工完成后，布置傳感器，讀取初讀數。(2)清理撐腳及滑道，逐步對稱解除支座處的臨時支撐(砂箱)，進行連續測量，并觀察撐腳是否隨砂箱拆除連續向一側下沉。判斷轉體體系的平衡狀態[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)調整千斤頂，使所有頂升千斤頂處于設定的初始頂壓狀態，記錄壓力傳感器及位移傳感器讀數。(3)千斤頂逐級加力，記錄位移傳感器和壓力傳感器數值，直到位移出現突變。(4)繪制出P-Δ曲線，判斷臨界力(同樣試驗重復兩次)。(5)移動設備至另一側，重復以上試驗。(6)計算確定不平衡力矩、摩阻力矩、摩阻系數、偏心距。(7)按梁體縱向傾斜配重方案，計算配重重量、位置及配重后的偏心距。(8)出具供鐵路有關部門審批用的轉體梁稱重配重試驗報告。

5 結束語

在梁橋轉體的施工過程中，特別是轉體重量較大的橋梁，轉體T構兩側的結構不對稱，混凝土澆筑和球鉸安裝中的誤差，使得梁體內存在不平衡力矩。通過稱重試驗，可以確定T構的偏心力矩和摩擦系數，保證轉動平穩、安全。這些參數是非常重要的。因此，有必要在轉彎前對轉子進行稱重，以保證轉動的安全性。