不平衡稱重試驗及配重技術在橋梁水平轉體施工中的應用

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(中鐵十六局集團第二工程有限公司，天津 300162)

天津市四緯路工程是天津市濱海新區(漢沽區)通往天津市濱海北站的一條重要的橫向主干道。該工程中重難點工程為長2 m×73 m，寬32 m，旋轉重量1.6萬t T型剛構轉體橋。該橋跨天津至山海關繁忙鐵路客運干線——津山線，津山鐵路為上下行兩股電氣化客運鐵路線。

該工程轉體橋與津山鐵路呈46°夾角，單箱三室結構，沿津山鐵路平行方向在鐵路一側接觸網外進行支架現澆。箱梁張拉壓漿后拆除支架，進行稱配重試驗，試轉、正式轉體，合攏就位通車。轉體法施工箱梁預制階段對鐵路影響小。

1 稱重試驗的意義及目的

通常，平轉法施工是最常見的一種轉體方法。通過稱重試驗可推算出現階段梁體重心位置，通過對旋轉體配重可重新調整旋轉重心至既定位置，可有效提高轉體過程中的安全問題。

轉體施工的核心技術是轉動支座，轉動支座的制作安裝精度直接影響旋轉過程的穩定性。該支座由一種可旋轉的上下球鉸結合而成，往往在廠家組合完成。由于設計和施工誤差等客觀因素的存在，旋轉的重心位置不可能絕對位于轉動中心軸線上，旋轉過程如果出現嚴重偏心，不僅會大大增大千斤頂牽引拉力，還可能嚴重威脅工程的質量和安全，稱重試驗意義重大。

該文圍繞該橋梁的結構及施工特點，通過稱重試驗確定各項參數(摩阻系數、不平衡力矩、轉體配重、轉體偏心控制等參數)，通過對參數研究保證梁體旋轉階段的整體安全穩定，完善橋梁水平轉體施工方法。

2 稱重試驗原理及方法

臨近既有運營鐵路施工，安全要求高，橋梁轉體必須保證過程平穩安全。當箱梁支架拆除后梁體成懸臂狀態，轉體的不平衡力矩及旋轉支座的摩阻力矩共同作用成為平衡體系。通過稱重試驗可以測定轉動體部分的相關參數，通過這些參數(縱橫橋向不平衡力矩、縱橫向偏心距、支座的摩阻力矩及摩擦系數等)確定配重量大小，通過配重可將梁體轉動的中心位置調整至允許的合適位置后再進行旋轉就位。

采用千斤頂頂落過程促使支座轉動來測試旋轉體的不平衡力矩，方法簡單，效果明確。由于不考慮橋梁撓度影響，采用測試剛體位移突然變化的臨界狀態，確定各項參數。

當支架拆除后，梁體出現兩種情況:一是摩阻力矩(MZ)≥不平衡力矩(MG)。此時在支座的摩阻力矩和不平衡力矩的共同作用下保持平衡狀態，橋梁并不轉動。

假設旋轉體的中心偏向橋梁小里程的一側，應分別在大里程和小里程兩個方向分等級起頂，若同時觀察到百分表位移值突然增大，即達到臨界狀態，此時摩阻力矩、不平衡力矩、千斤頂力矩三者平衡。

此時分別有

P1·L1+MG=MZP2·L2=MG+MZ

聯立兩式可得

MG=(P2·L2-P1·L1)/2MZ=(P1·L1+P2·L2)/2

若MG是正數，則說明不平衡力矩方向與假設相同(偏向橋梁小里程的一側)，若MG是負數，則說明不平衡力矩方向與假設相同相反(偏向橋梁大里程的一側)。

二是摩阻力矩(MZ)<不平衡力矩(MG)，梁體會繞旋轉支座旋轉，當撐腳與滑道鋼板一旦接觸，轉動結束。轉動體系的平衡由3部分(摩阻力矩、不平衡力矩和鋼撐腳對支座中心的力矩)組成。

假設拆除砂箱后位于小里程一側的撐腳先落地，則旋轉中心偏向小里程一側，則需要在小里程側分別進行起頂和落頂操作，同時觀察到起頂和落頂過程中百分表位移值出現突然增大時的各項參數，此時狀態千斤頂力矩、摩阻力矩、不平衡力矩三者趨于平衡。

此時分別有

P升·L=MG+MZ；P落·L+MZ=MG

聯立兩式可得

MG=(P升·L+P落·L)/2;MZ=(P升·L-P落·L)/2

砂箱拆除之后確定稱重方式。

3 試驗內容

稱重試驗內容：主要測試相關參數(旋轉結構的偏心距、不平衡力矩、摩阻系數及摩阻力矩)并將結果和理論計算值進行比較。明確是否需要配重，以保證旋轉過程安全進行和精確合攏。

該試驗要求在橋梁試轉前進行稱重試驗，在稱重前拆除所有支撐架，測試內容包括測試旋轉部分的橫、縱向不平衡力矩；測試旋轉部分的縱、橫向偏心距；測試轉體支座的摩擦系數、摩阻力矩；完成轉體結構的縱、橫橋向配重。

4 試驗流程

4.1 測點布置

根據設計：N=155 000 kN,SR=5.4 m,μ=0.05

得到設計靜摩阻力矩為：0.98×0.05×155 000×5.4=41 013 kN·m。

在距轉體梁中心線約5.7 m(可根據現場條件進行適當調整)處各設置2臺400 t千斤頂、荷載計及4個位移計(百分表)。通過千斤頂對轉體梁進行頂放，觀察4個位移計(百分表)變化，測試轉體球鉸的轉動變化，以確定轉體梁的不平衡力矩。千斤頂的安裝位置位于撐腳之間。

4.2 所用設備

1)位移計(百分表)6只(兩只備用)；2)400 t千斤頂4套(含液壓泵站)；3)鋼板6塊，規格400 mm×400 mm×20 mm；4)鋼墊塊若干，由于上下轉盤間距往往有1 m以上，千斤頂高度不夠需用鋼墊塊填充；5)配電箱、插座；6)配重材料。

4.3 稱重試驗步驟

1)撤除梁頂所有材料、機具、設備；

2)觀測上轉盤撐腳距滑道鋼板間隙距離，測量此時梁體標高；

3)一般上下轉盤間距80 mm左右，安放千斤頂需要預先準備鋼墊塊支撐千斤頂；

4)安放千斤頂、荷載計及位移計(百分表)；

5)拆除支架后將砂箱卸荷并移出砂箱，注意拆除過程中保護好百分表防止碰撞；

6)結構穩定后，再次測量此時的梁體標高。觀測撐腳距滑道間隙及百分表讀數。根據觀測結果判斷梁體的傾斜方向；

7)根據傾斜方向及大小確定不平衡力矩的測試方式；

8)逐級施加荷載。加載過程中密切關注百分表變化，并及時記錄千斤頂、位移計數值；

9)繪制荷載-位移(P-Δ)曲線。重復4次頂升、頂落試驗；

10)確定參數、計算配重位置、配重噸位及配完重后的偏心距；

11)依據試驗結果配重。

4.4 稱重試驗結果

通過現場監測發現，該橋梁大里程側的撐腳已與滑道接觸，判斷為轉動體不平衡力矩大于轉動體支座摩阻力矩，重心偏向大里程側。此時順橋向摩阻力矩小于不平衡力矩，因此應在橋梁大里程側進行頂升、頂落。

表1 稱重試驗結果

從表1可以看出：1)根據稱重試驗，得出橋梁的偏心距為偏大里程側16.5 cm，偏遠離鐵路側0.498 cm。2)為保證橋梁穩定旋轉，小里程側的偏心距應盡可能控制在5～15 cm之間。根據此要求，取偏心距e=6.5 cm。經計算，應在橋梁的小里程側配重3 580 t·m的力矩。根據稱重結果，對小里程側(14#墩方向)距離15#中心60 m位置放置59.7 t配重，配重后結構的偏心由大里程側16.5 cm變為小里程側6.5 cm，滿足范圍要求。配重前后全橋應力分布云圖見圖1、圖2。

5 不平衡配重方法

梁體旋轉施工方案的總體思路是在梁體旋轉過程中重心盡量位于梁軸線附近，保證旋轉時單側撐腳著地共同參與旋轉。此時轉動體的支座及一個或兩個鋼撐腳在一個旋轉面上，這樣大大增加了轉動體在旋轉過程中的穩定性。

一般在轉體梁單側梁端進行配重，配重材料可采用水箱、預制混凝土配重塊等。配重的大小與預設的重心位置有關，應保證在5～15 cm(e為新的重心偏移量)的范圍內。偏心距最小值應保證在轉動過程中，重心位于梁體中心的一側，保證梁體向一側傾斜，呈現出支座及鋼撐腳共同支承的穩定局面。偏心距太小，可能出現梁體標高在旋轉過程上下變化搖擺不定。偏心距太大，撐腳與滑道之間壓應力太大，導致啟動力增大，有可能導致啟動旋轉困難，甚至需要增加特殊助推設備才能啟動的風險。

配重前后，在監測時段內，實測應力值總體上與理論計算值發展趨勢一致，處于平穩變化狀態，可以轉體。

6 結 語

不平衡稱重試驗技術在津秦客專濱海北站四緯路工程——跨津山鐵路轉體橋施工中成功應用，滿足施工進度及質量要求，轉體過程中安全平穩，合攏就位精度較高，取得了較好的經濟及社會效益，應用前景廣泛。