跨滬蓉高速轉體橋梁的稱重試驗技術

孟文節

(常州市市政工程設計研究院有限公司，江蘇 常州 213003)

0 引 言

轉體施工分為平面轉體、豎向轉體及平面加豎向混合轉體，一般多見為平轉和豎轉。轉體施工核心是要保證轉動體的平衡，理論上使得上部結構的重心在轉動球鉸的容許范圍內。而實際因兩側平衡段混凝土澆筑量不同、轉動球鉸安裝誤差、以及其他施工誤差造成轉體段存在一定偏心，為保證順利轉體，通常須在試轉前通過稱重試驗，必要時布置配重調整轉體段偏心使其符合施工要求。稱重試驗的目的是為獲得轉動體的不平衡力矩、偏心矩、摩阻力以及摩擦系數等轉動參數，一是為后續實施轉體的牽引力、輔助千斤頂提供依據，二是轉體段布置平衡配重，保證球鉸支撐穩定的依據。根據稱重實驗結果，當轉動體的不平衡偏心距<150 mm時，可不進行平衡配重[1]。

1 項目背景

常州新建大明路(龍錦路—常鄭路)工程跨滬蓉高速公路采用(56+90+56)m連續梁跨越，橋梁總寬25 m，為城市主干道。線路于K0+832.09處跨越滬蓉高速，與滬蓉高速公路中心線斜交70.96°，轉體段在滬蓉公路兩側平行于公路方向滿堂支架現澆87 m梁段后，順時針旋轉70.96°至規劃橋位，兩邊跨各布置9.42 m長現澆段，施工邊跨3 m合龍段，最后施工中跨3 m合龍段完成全橋合龍。

主橋上部結構為三跨預應力混凝土變截面連續箱梁，縱向采用變高度：中支點梁高5.3 m，跨高比1/17；邊支點梁高2.6 m，跨中梁高2.6 m，跨高比1/34.6。箱梁采用單箱三室直腹板形式，箱梁頂寬25 m，底寬17.4 m，懸臂板長度3.8 m。

本橋采用平面轉體施工，橋梁轉體段長度為87 m，轉體重量達10 076.4 t，為滬蓉高速蘇南段最大轉體橋梁。

2 轉體稱重試驗

2.1 抗傾覆穩定

T構施工完成時，轉體梁段與橋墩通過臨時支座墩梁固結，梁與上承臺采用臨時柱固結，整個轉動體依靠球鉸、撐腳、臨時砂箱保持穩定，因此不存在傾覆穩定問題。進入轉體階段，撤除臨時砂箱及撐腳墊板，整個轉動體由穩定狀態變為不穩定狀態，須復核轉動體的傾覆穩定性。

轉體前一般都已清除臨時施工荷載，因此影響穩定性主要因素是風力，按百年一遇的基本風速產生的風壓考慮[2]。轉動體的抗傾覆穩定系數為整體自重產生的抗傾覆力矩與基本風壓產生的傾覆力矩的比值。按規范要求抗傾覆穩定系數不小于1.3[3]。計算轉動體縱向抗傾覆穩定系數為5.04，橫向抗傾覆穩定系數為16.0，均滿足要求。

2.2 球鉸轉動法測試原理

本項目采用球鉸的微小轉動測試不平衡力矩的方法，這種方法采用剛體位移突變進行測試，受力明確，受干擾因素小，而且只考慮剛體作用，結果比較準確。實際操作比較簡單，所需設備也較少，便于工地現場實施。

測試的原理是假設轉動體可以繞球鉸進行剛體轉動，當轉體段形成后，整個轉動體的平衡表現為兩種形式之一。

(1)當轉動體球鉸摩阻力矩MZ>不平衡力矩MG，此時轉動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不平衡力矩所保持。在轉動體一側放置千斤頂，使得轉動體在沿梁軸線的豎向平面內發生逆時針微小轉動，并記錄轉動過程中千斤頂頂力P1和力臂L1以及位移計讀數，回落時轉動體不發生轉動；在轉動體另一側放置千斤頂，使得轉動體在沿梁軸線的豎向平面內發生順時針微小轉動，并記錄轉動過程中千斤頂頂力P2和力臂L2以及位移計讀數，回落時轉動體不發生轉動，見圖1。對中心取矩，則有

圖1 摩阻力矩MZ>不平衡力矩MG

(1)

通過式(1)可知，不平衡力矩MG為正值時，表示轉體重心偏于P1側；不平衡力矩MG為負值時，表示轉體重心偏于P2側。

(2)當轉動體球鉸摩阻力矩MZ<不平衡力矩MG，見圖2，此時轉動體發生繞球鉸的剛體轉動，直至撐腳參與工作，體系的平衡由球鉸摩阻力矩、不平衡力矩和撐腳對球鉸中心的力矩所保持。在轉動體偏心一側放置千斤頂，加壓使得轉動體在沿梁軸線的豎向平面內發生逆時針微小轉動，并記錄轉動過程中千斤頂頂力P1和力臂L1以及位移計讀數；回落時轉動體發生順時針微小轉動，并記錄轉動過程中千斤頂頂力P2和力臂L1以及位移計讀數，見圖2。對中心取矩，則有公式(2)。

圖2 摩阻力矩MZ<不平衡力矩MG

(2)

2.3 球鉸靜摩擦系數及偏心距

稱重試驗時，球鉸在軸線豎直平面內發生微小轉動，摩阻力矩MZ為球鉸摩擦面每個四氟滑片上摩擦力對球鉸中心的力矩總和。球鉸靜摩擦系數μ=MZ/(R·G)，轉動體偏心距e=MG/G，其中R為球鉸半徑；G為轉動體總重量[1]。

2.4 稱重試驗準備及流程

(1)拆除支架、模板，撤除梁段上所有材料、機具、設備。

(2)拆除砂箱，解除上下承臺間的聯系鋼筋。

(3)檢查上轉盤撐腳下承臺間隙，測量梁體標高。

(4)安放千斤頂、百分表。

(5)逐級施加荷載，并記錄千斤頂及百分表的讀數。

(6)根據測試結果，計算摩阻力矩、偏心距、摩擦系數等相關參數。

(7)通過計算綜合現場情況確定是否進行配重。

2.5 試驗結果分析

(1)拆除撐腳墊板及臨時砂箱后，6#墩邊跨側撐腳接觸滑道，初步判斷不平衡力矩大于球鉸摩阻力矩，在邊跨側軸線撐腳兩邊各布置一臺400 t千斤頂，同時對稱各布置一套百分表。

頂升時按每級800 kN加載，從3 200～4 000 kN 時百分表突變，重新卸載至3 200 kN，按每級160 kN加載，從3 840～4 000 kN時百分表突變，取平均值3 920 kN作為上頂滑力P1。

回落時按每級800 kN卸載，從1 600～800 kN時百分表突變，重新加載至1 600 kN，按每級160 kN卸載，從960～800 kN時百分表突變，取平均值880 kN作為回落滑力P2。計算得

不平衡力矩：MG=(3 920+880)/2×5.5=13 200 kN·m；

摩阻力矩：MZ=(3 920-880)/2×5.5=8 360 kN·m；

轉動體偏心距：e=13 200/100 764=0.131 m；

球鉸摩阻系數：μ=8 360/(7×100 764)=0.012。

結論：6#墩轉動體偏心距為131 mm<150 mm，且偏向于邊跨側，依據計算結果綜合現場實際情況，確定轉動體不配重。

(2)拆除撐腳墊板及臨時砂箱后，7#墩邊跨側撐腳接觸滑道，初步判斷不平衡力矩大于球鉸摩阻力矩，考慮結構與6#墩一致，預估上頂滑力為3 920 kN。在邊跨側軸線撐腳兩邊各布置一臺400 t 千斤頂，同時對稱各布置一套百分表。

頂升時按每級800 kN加載，從2 400～3 200 kN 時百分表突變，重新逐級卸載，發現梁體并未同步回落，因此判斷7#墩不平衡力矩小于球鉸摩阻力矩，在中跨側軸線撐腳兩邊各加設一臺400 t 千斤頂，如圖3所示。

圖3 7#墩千斤頂和測點布置圖

設備調試后，中跨側千斤頂按每級800 kN加載，至1 600 kN 時百分表突變，重新逐級卸載，發現梁體并未同步回落。考慮不平衡力矩MG最大時，取P1為3 200 kN，P2為800 kN，計算得

不平衡力矩：MG=(3 200-800)/2×5.5=6 600 kN·m；

摩阻力矩：MZ=(3 200+800)/2×5.5=11 000 kN·m；

轉動體偏心距：e=6 600/100 764=0.065 m；

球鉸摩阻系數：μ=11 000/(7×100 764)=0.016。

結論：7#墩轉動體偏心距為65 mm<150 mm，計算偏心距較小，考慮施工無須再精確測試頂力，以減少現場等待時間，依據計算結果綜合現場實際情況，確定轉動體不配重?？紤]兩側相同結構、同一品牌球鉸及相同施工條件，7#墩摩阻系數稍大于6#墩，而平衡分屬兩種不同形式，反映出實際施工質量控制較好。

3 結 語

采用球鉸的微小轉動測試不平衡力矩的方法，理論依據充分，操作簡便，快速，對現場施工要求低。雖然6#墩偏心距131 mm稍大，但仍滿足要求，故采用不配重轉體，以減少現場施工流程并降低費用，本橋在2019年6月19日、20日在無配重情況下先后平順完成轉體施工，為大噸位轉體施工技術積累了寶貴經驗。