大噸位鐵路連續(xù)梁橋轉(zhuǎn)體施工不平衡稱重試驗研究

龔漢兵

(中鐵城建集團(tuán)第二工程有限公司，廣東廣州 510000)

預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋具有剛度大、變形小、行車平順、伸縮縫少以及抗震能力強等突出優(yōu)點，在鐵路路網(wǎng)中被廣泛采用。轉(zhuǎn)體施工法是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋跨越既有線時的常用施工方法，其中，轉(zhuǎn)體時的不平衡配重是轉(zhuǎn)體施工法的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

不平衡配重通常采用現(xiàn)場實測法獲得，關(guān)于橋梁的轉(zhuǎn)體施工法許多學(xué)者進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[1]指出雖然我國橋梁設(shè)計與施工水平已經(jīng)躋身國際先進(jìn)行列，但在橋梁施工技術(shù)發(fā)展過程中，對橋梁施工新工藝的研究較發(fā)達(dá)國家還不夠成熟，比如橋梁轉(zhuǎn)體施工。文獻(xiàn)[2-5]指出傳統(tǒng)的橋梁施工方法對既有線路的正常運行有較大的影響，橋梁轉(zhuǎn)體施工方法在對跨越現(xiàn)有公路或鐵路有較大的優(yōu)勢。文獻(xiàn)[6]研究了平轉(zhuǎn)法轉(zhuǎn)體施工時不平衡力測試方法，總結(jié)了球鉸轉(zhuǎn)動法、撓度法和應(yīng)變法三種方法的優(yōu)缺點。文獻(xiàn)[7]指出客運專線鐵路跨越一般公路的斜交橋梁可采用剛構(gòu)連續(xù)梁結(jié)構(gòu)形式，不影響道路通行。文獻(xiàn)[8]對跨越多股道高密度行車線連續(xù)梁轉(zhuǎn)體橋施工技術(shù)展開研究。文獻(xiàn)[9]對高速鐵路大跨徑自錨上承式拱橋轉(zhuǎn)體施工技術(shù)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[10]研究了T型剛構(gòu)橋水平轉(zhuǎn)體施工技術(shù)。上述研究成果主要聚焦于剛構(gòu)連續(xù)梁和拱橋的轉(zhuǎn)體施工方法，而針對鐵路預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋跨越既有高速公路時，不平衡力矩、球鉸摩阻力矩對轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響還鮮有報道。

本文以某(40+56+40) m的鐵路預(yù)應(yīng)力單線連續(xù)梁橋為工程背景，現(xiàn)場進(jìn)行不平衡稱重試驗。在水平轉(zhuǎn)動施工前，測試轉(zhuǎn)動體的不平衡力矩、偏心距、摩阻力矩及摩擦系數(shù)等參數(shù)，作為制定施工方案的重要依據(jù)，最終總結(jié)了大噸位鐵路連續(xù)梁橋轉(zhuǎn)體施工不平衡配重的現(xiàn)場實測方法。

1 工程概況

懷邵衡鐵路懷化南下行聯(lián)絡(luò)線上跨繞城高速大橋0～3#墩為設(shè)計跨度(40+56+40) m的鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土單線連續(xù)梁，主跨跨越懷化南繞城高速公路，與繞城高速公路交叉角約為69 °。通過采用平轉(zhuǎn)法施工可減少對既有線路的影響，主梁先在平行于現(xiàn)有高速公路處進(jìn)行掛籃現(xiàn)澆施工，再進(jìn)行順時針同時同步平轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)體，最后現(xiàn)澆合龍段，見圖1和圖2。該橋轉(zhuǎn)體部分懸臂長54 m，與1#、2#墩中心對稱，轉(zhuǎn)體重量理論值為3 500 t，通過轉(zhuǎn)體牽引系統(tǒng)轉(zhuǎn)動上轉(zhuǎn)盤使梁體軸線與設(shè)計位置重合。0#塊梁段設(shè)計長10 m，重323.44 t，此段梁高為4.02 m，梁寬7 m，腹板寬度0.6 m，梁高按二次拋物線變高,采用兩副掛籃對稱施工。

圖1 橋址位置示意

圖2 橋址縱正面示意

球鉸半徑5 m，球面投影半徑1.75 m，環(huán)形滑道中心直徑為7 m，寬度0.8 m，設(shè)2個牽引力反力座，轉(zhuǎn)臺直徑為8.3 m，高度為1.0 m，設(shè)8組撐腳，牽引索為4根普通鋼絞線，埋入轉(zhuǎn)臺內(nèi)5 m。

文獻(xiàn)[11]指出平轉(zhuǎn)法施工必須保證轉(zhuǎn)體上部結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)動過程中的平穩(wěn)性，轉(zhuǎn)動體上部懸臂結(jié)構(gòu)絕對平衡會引起梁端轉(zhuǎn)動過程中發(fā)生抖動，且幅度較大。為此，通過稱重使實際重心偏離理論重心5～10 cm，配重后使轉(zhuǎn)體橋前進(jìn)端有微小翹起，并使得轉(zhuǎn)體橋的兩對撐腳與滑道平面近似發(fā)生接觸，從而增加轉(zhuǎn)動體在轉(zhuǎn)動過程中的平穩(wěn)性和安全性。因此，高精度的不平衡配重測試對于降低轉(zhuǎn)體橋的施工風(fēng)險至關(guān)重要。

根據(jù)本工程的結(jié)構(gòu)和施工特點，本文將在轉(zhuǎn)體梁的不平衡力矩、轉(zhuǎn)體配重、摩擦系數(shù)、偏心矩控制等方面開展工作。對該橋的轉(zhuǎn)體不平衡稱重進(jìn)行現(xiàn)場試驗，以保證轉(zhuǎn)體施工階段的結(jié)構(gòu)安全，提高施工質(zhì)量。為類似轉(zhuǎn)體橋梁的設(shè)計和施工積累經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，為橋梁運營期間的技術(shù)管理和技術(shù)評估提供依據(jù)。達(dá)到進(jìn)一步完善橋梁水平轉(zhuǎn)體施工方法、提升企業(yè)施工技術(shù)能力的目的。

本試驗在施工支架完全拆除后和轉(zhuǎn)體前進(jìn)行，測試內(nèi)容主要包括[6]：

(1)轉(zhuǎn)動體部分的縱橋向不平衡力矩。

(2)轉(zhuǎn)動體部分的縱向偏心距。

(3)轉(zhuǎn)體球鉸的摩阻力矩及摩擦系數(shù)。

(4)完成轉(zhuǎn)體梁的配重。

2 試驗原理

目前，通常采用球鉸轉(zhuǎn)動方法測試轉(zhuǎn)體的不平衡力矩，這種方法采用測試剛體位移突變的方法進(jìn)行測試，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。當(dāng)支架完成后，橋梁的平衡表現(xiàn)為兩種形式：

(1)轉(zhuǎn)動體球鉸摩阻力矩(Mz)大于轉(zhuǎn)動體不平衡力矩(MG)。此時，梁體不發(fā)生繞球鉸的剛體轉(zhuǎn)動，體系的平衡由球鉸摩阻力矩和轉(zhuǎn)動體不平衡力矩所保持。

(2)轉(zhuǎn)動體球鉸摩阻力矩(Mz)小于轉(zhuǎn)動體不平衡力矩(MG)。此時，梁體發(fā)生繞球鉸的剛體轉(zhuǎn)動，直到撐腳參與工作，體系的平衡由球鉸摩阻力矩、轉(zhuǎn)動體不平衡力矩和撐腳對球心的力矩所保持。

2.1 轉(zhuǎn)體梁摩阻力矩大于轉(zhuǎn)動體不平衡力矩

此情況下，轉(zhuǎn)體梁不沿著縱向發(fā)生繞球鉸的剛體運動，不平衡力矩則由摩阻力矩所平衡。假定轉(zhuǎn)體梁整體重心偏向大里程側(cè)，在小里程側(cè)承臺施加向上推力P1，則轉(zhuǎn)動體在沿梁軸線的豎平面內(nèi)發(fā)生順時針方向微小轉(zhuǎn)動(圖3)。當(dāng)推力P1由0逐漸增加到使布置在大里程側(cè)的位移計變化較為明顯時，說明此時球鉸發(fā)生微小剛體轉(zhuǎn)動，有：

P1×L1+MG=MZ

(1)

式中：P1為位于小里程側(cè)承臺處千斤頂向上推力；L1為位于小里程側(cè)千斤頂軸心位置與轉(zhuǎn)體梁豎向?qū)ΨQ軸之間的距離；MZ為靜摩阻力矩；MG為轉(zhuǎn)動體不平衡力矩，MG=GQ×LQ-GB×LB；GQ為位于大里程側(cè)轉(zhuǎn)體梁的重量；GB為位于小里程側(cè)轉(zhuǎn)體梁的重量；LQ為位于大里程側(cè)轉(zhuǎn)體梁的重心與轉(zhuǎn)體豎向?qū)ΨQ軸間的距離；LB為位于小里程側(cè)轉(zhuǎn)體梁的重心與轉(zhuǎn)動體豎向?qū)ΨQ軸間的距離。

圖3 重心偏向大里程側(cè)施加P1轉(zhuǎn)動體的平衡狀態(tài)

位于小里程側(cè)頂推的千斤頂緩慢卸載至0，假定轉(zhuǎn)動體重心偏向大里程側(cè)，在大里程側(cè)承臺施加向上推力P2，則轉(zhuǎn)動體在沿梁軸線的豎平面內(nèi)發(fā)生逆時針方向微小轉(zhuǎn)動，見圖4。當(dāng)推力P2由零逐漸增加到使布置在小里程側(cè)的位移計變化較為明顯時，說明此時球鉸發(fā)生微小剛體轉(zhuǎn)動，有：

P2×L2=MZ+MG

(2)

式中：P2為位于大里程側(cè)承臺處千斤頂向上推力；L2為位于大里程側(cè)千斤頂軸心位置與轉(zhuǎn)體梁豎向?qū)ΨQ軸之間的距離。

圖4 重心偏向大里程側(cè)施加P2轉(zhuǎn)動體的平衡狀態(tài)

由式(1)、式(2)可推導(dǎo)出靜摩擦力矩(Mz)及轉(zhuǎn)體梁不平衡力矩(MG)的計算式分別為：

(3)

(4)

2.2 轉(zhuǎn)體梁摩阻力矩小于轉(zhuǎn)動體不平衡力矩

此情況下，轉(zhuǎn)體梁在拆除支架后將發(fā)生繞球鉸的剛體運動，撐腳與滑道發(fā)生接觸，體系的平衡由球鉸摩阻力矩、轉(zhuǎn)動體不平衡力矩和撐腳對球心的力矩所保持。假定轉(zhuǎn)動體重心偏向大里程側(cè)，此種情況下，只能在大里程側(cè)承臺施加向上推力P3，則轉(zhuǎn)動體在沿梁軸線的豎平面內(nèi)發(fā)生逆時針方向微小轉(zhuǎn)動(圖5)。當(dāng)推力P3(由撐腳離地的瞬間算起)逐漸增加到位移計示數(shù)變化較為明顯時，球鉸發(fā)生微小的剛體轉(zhuǎn)動，有：

P3×L2=MZ+MG

(5)

式中：P3為位于大里程側(cè)承臺上千斤頂向上推力。

圖5 重心偏向大里程側(cè)施加P3轉(zhuǎn)動體的平衡狀態(tài)

當(dāng)千斤頂頂升到位后，此時球鉸將發(fā)生微小轉(zhuǎn)動，使得千斤頂緩慢回落，則轉(zhuǎn)動體在沿轉(zhuǎn)體梁軸線的豎平面內(nèi)發(fā)生順時針方向微小轉(zhuǎn)動。當(dāng)布置在小里程側(cè)的位移計的變化較為明顯時，球鉸發(fā)生了反向微小的剛體運動(圖6)，則：

P4×L2=MG-MZ

(6)

式中：P4為球鉸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動時的推力。

圖6 重心偏向大里程側(cè)P4卸載轉(zhuǎn)動體的平衡狀態(tài)

由式(5)、式(6)可推導(dǎo)出靜摩擦力(Mz)及轉(zhuǎn)動體不平衡力矩(MG)的計算式分別為：

(7)

(8)

2.3 摩阻系數(shù)及偏心距

文獻(xiàn)[12]指出轉(zhuǎn)動體球鉸靜摩擦系數(shù)是設(shè)計轉(zhuǎn)動設(shè)備的重要依據(jù)，可通過稱重試驗對其進(jìn)行評估。在稱重試驗時，對轉(zhuǎn)動體球鉸靜摩擦系數(shù)進(jìn)行分析計算，轉(zhuǎn)動體球鉸在沿梁軸線的豎平面內(nèi)發(fā)生逆時針、順時針方向微小轉(zhuǎn)動，即微小角度的豎轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)法線的力矩之和。轉(zhuǎn)動體球鉸繞Z軸轉(zhuǎn)動靜摩擦系數(shù)計算示意見圖7。

圖7 轉(zhuǎn)動體球鉸繞Z軸轉(zhuǎn)動摩擦系數(shù)計算示意

(9)

dF=μzPsdA

(10)

(11)

dA=Rsinθ·dβ·R·d

(12)

PS=Pcosθ

(13)

(14)

由式(9)～式(14)聯(lián)立，可得：

(15)

可得到：

所以，當(dāng)球鉸面半徑比較大，而矢高比較小時，即可將摩擦面按平面近似計算。

文獻(xiàn)[6]指出根據(jù)現(xiàn)有的研究成果及工程實踐，使用四氟乙烯片并填充黃油的球鉸靜摩阻系數(shù)和偏心距可用下列各式：

球鉸靜摩阻系數(shù)：

(16)

轉(zhuǎn)動體偏心距：

(17)

3 試驗過程及結(jié)果

3.1 試驗設(shè)備及測點布置

根據(jù)該橋設(shè)計，通過計算可得轉(zhuǎn)體梁重35 000 kN，球鉸半徑R=5m，球鉸摩阻系數(shù)μ0=0.02，則設(shè)計靜摩阻力矩為：

0.98×0.02×35000×5=3430kN·m

設(shè)置1臺3 000 kN的千斤頂位于距轉(zhuǎn)體梁中心線3.8 m處，則千斤頂推力為：

3430÷3.8=902.6kN

在上轉(zhuǎn)盤底處設(shè)置4個百分表，測試球鉸的微小轉(zhuǎn)動。由于上、下承臺的剛度很大，變形很小，容易使球鉸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動，且操作相對簡單，安全性高，千斤頂布置見圖8。

圖8 千斤頂布置立面

3.2 不平衡稱重試驗過程

該橋按以下步驟進(jìn)行不平衡稱重試驗：

(1) 在選定斷面處放置液壓千斤頂,上轉(zhuǎn)盤處放置4個位移計百分表。

(2) 調(diào)整千斤頂并給油，使所有液壓千斤頂處于設(shè)定的初始頂壓狀態(tài)。

(3) 液壓千斤頂逐級加載，紀(jì)錄位移計百分表的微小位移，直到位移計百分表出現(xiàn)突變。

(4)液壓千斤頂回落，在另一側(cè)重復(fù)(1)～(3)等步驟。

(5) 根據(jù)記錄的荷載與位移值并繪制出P-Δ曲線，曲線斜率突變處即為計算所需荷載值。

(6) 通過計算確定不平衡力矩、靜摩阻力矩、摩阻系數(shù)、偏心距等參數(shù)。

(7) 確定配重重量、位置及新偏心距。

(8) 出具轉(zhuǎn)體梁稱重試驗報告。

3.3 1#墩測試結(jié)果分析及配重方案

3.3.1 1#墩稱重測試結(jié)果

根據(jù)反復(fù)測試得知，在小里程端(邊跨側(cè))利用千斤頂1加載，當(dāng)荷載P1逐級加載到1 017.7 kN時，可使轉(zhuǎn)動體克服最大靜摩擦繞水平軸轉(zhuǎn)動；在大里程端(中跨側(cè))利用千斤頂2加載，當(dāng)荷載P2逐級加載到997.7 kN時，可使轉(zhuǎn)動體克服最大靜摩擦繞水平軸轉(zhuǎn)動，見圖9。

圖9 1#墩稱重試驗千斤頂布置

由此分析出，不平衡力矩為：

轉(zhuǎn)動體摩阻力矩為：

轉(zhuǎn)動體偏心距為：

偏向于邊跨側(cè)，依據(jù)經(jīng)驗公式，球鉸靜摩阻系數(shù)為：

3.3.2 1#墩配重方案

根據(jù)實測結(jié)果可知，1#墩梁體系原偏心距為-0.11 cm，偏向邊跨側(cè)。一般情況下，如果采用不平衡轉(zhuǎn)體，則配重的大小應(yīng)保證新的重心偏移量滿足目標(biāo)值em。5cm≤em≤10cm的要求。因此，1#墩的配度GP1應(yīng)為：

GP1=35000×(0.025-0.0011)/(27-4)=36.4kN

如圖10所示，在邊跨(小里程側(cè))距離梁端4 m處，配置重量36.4 kN，即3.64 t。此時，轉(zhuǎn)動體偏心距e=2.5cm，偏向邊跨側(cè)。

圖10 1#墩配重方案示意

3.4 2#墩測試結(jié)果分析及配重方案

3.4.1 2#墩稱重測試結(jié)果

根據(jù)反復(fù)測試得知，在大里程端(邊跨側(cè))利用千斤頂1加載，當(dāng)推力P1逐漸加載到813.0 kN時，可使轉(zhuǎn)體梁克服最大靜摩擦繞水平軸轉(zhuǎn)動；在小里程端(中跨側(cè))利用千斤頂2加載，當(dāng)荷載P2逐級加載到1 006.33 kN時，可使轉(zhuǎn)體梁克服最大靜摩擦繞水平軸轉(zhuǎn)動，圖11為2#墩稱重試驗千斤頂布置圖。

圖11 2#墩稱重試驗千斤頂布置

由此分析出，不平衡力矩為：

轉(zhuǎn)動體摩阻力矩為:

轉(zhuǎn)動體偏心距為:

偏向于中跨側(cè)，依據(jù)經(jīng)驗公式，球鉸靜摩阻系數(shù)：

3.4.2 2#墩配重方案

根據(jù)實測結(jié)果可知，2#墩梁體系原偏心距為0.96 cm，偏向中跨側(cè)。理論上偏心距很小，可以不進(jìn)行配重，但為了進(jìn)一步確保轉(zhuǎn)體過程的安全，可將目標(biāo)偏心距取定為2.5 cm，偏向邊跨側(cè)。因此，2#墩的配重GP2為：

GP2=35000×(0.025+0.0096)/27-4)=52.72kN

如圖12所示。

圖12 2#墩配重方案示意

4 結(jié)束語

懷邵衡鐵路懷化南下行聯(lián)絡(luò)線跨繞城高速大橋(40+56+40) m連續(xù)梁的轉(zhuǎn)體施工，涉及眾多技術(shù)環(huán)節(jié)，其中轉(zhuǎn)體施工中的不平衡稱重試驗是確保轉(zhuǎn)體順利完成的關(guān)鍵。根據(jù)現(xiàn)場的不平衡稱重試驗結(jié)果，可得出以下幾點結(jié)論：

(1) 在邊跨(小里程側(cè))距離梁端4 m處，需配置重量36.4 kN，即3.64 t。此時，轉(zhuǎn)動體偏心距為2.5 cm，偏向邊跨側(cè)。

(2) 2#墩梁體原偏心距為0.96 cm，偏向中跨側(cè)。理論上偏心距很小，可以不進(jìn)行配重，但為了進(jìn)一步確保轉(zhuǎn)體過程的安全，可將目標(biāo)偏心距取定為2.5 cm，偏向邊跨側(cè)。

對于橋梁轉(zhuǎn)體施工過程中橫向偏心的調(diào)整，受到結(jié)構(gòu)幾何尺寸的制約，很難實現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上施加大質(zhì)量的荷載。經(jīng)查驗，本項目進(jìn)行縱向配重時，橫向撐腳處于脫空狀態(tài)，存在橫向偏心，在轉(zhuǎn)體施工前可不進(jìn)行配重。在轉(zhuǎn)體過程中，若出現(xiàn)橫向偏移，則撐腳著地，摩擦力變大，造成對所施加的牽引力的影響，在轉(zhuǎn)體后可利用千斤頂調(diào)整梁底橫向的高低不平。本文的研究成果可為同類工程的轉(zhuǎn)體施工提供參考。