运梁河特大桥转体梁不平衡重称重试验分析

陈富强，夏培华

（中交第二航务工程局有限公司，长大桥梁施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040）

0 引言

桥梁转体施工是指将桥梁结构在非设计轴线位置制作，通过转体就位的一种施工方法。它将障碍（复杂水域、铁路线等）上空的作业转化为具备施工条件的岸上或地面作业。转体法按结构转体方向分为竖向转体施工法、水平转体施工法（竖转和平转），以及平转竖转结合的方法。其中平转法应用最多，尤其在跨线桥施工中有很大的应用前景。

除转动设备和转动能力外，转体法的关键技术就是施工过程中结构的稳定和强度保证[1]。为使转动体系易于转动且安全稳定，在平转法施工中，转体结构的平衡问题非常关键。以常见的T型混凝土构件为例，由于施工过程中可能出现转动体系的制作安装误差和梁体施工差异，将会导致在沿梁轴线的竖平面内，桥墩两侧产生不平衡力矩。严重时会影响转动体系正常工作，影响转体结构平稳以及转动完成后在拆架过程中的安全。转动体不平衡弯矩可通过墩柱截面内力测试进行初步评估，但可靠性及准确性相对较差，为有效评估不平衡力矩大小及其影响，进而有针对性地采取配重等纠正措施，有必要在转动前进行转动体不平衡重试验，测试转动体部分的不平衡力矩、球铰摩擦系数等参数，做为制定相关措施的依据。

1 工程背景

运梁河特大桥上部结构为60m+100m+60m现浇预应力混凝土连续箱梁，跨I级双线电气化既有京哈铁路，属繁忙干线。见图1。设计为单箱单室结构。支点处梁高7.85m，跨中梁高4.85m，梁高及底板厚按二次抛物线变化。箱梁顶端宽12m，其中翼缘板长2.6m。

图1 运梁河特大桥主桥布置图

为了尽可能减少对铁路运输的干扰，该桥采用平转法施工技术。即先在铁路两侧浇筑梁体（49+49）m，然后通过转体使主梁就位，调整梁体线形，封固球铰转动体系的上、下盘，最后浇筑合拢段，使全桥贯通。

球铰中心转盘球面半径R=6m，上转盘平面半径1.9 m，下转盘平面半径为1.5m。见图2。

由于跨铁路线施工会对铁路运营产生影响，转体施工环节操作时间窗口有限，为确保转体平稳顺利，在规定时限内一次到位，拟采用称重试验进行不平衡重评估，消除可能影响转体结构稳定的未知因素。

2 现场测试试验原理及方法

2.1 不平衡重测试方法

采用球铰转动法测试不平衡力矩，即通过测试刚体位移突变的方法进行测试。假设梁体可以绕球铰发生刚体转动[1-2]。当现浇支架脱空后，整个T型梁体的平衡会表现为：

1）转动体球铰摩阻力矩MZ大于转动体不平衡力矩MG。此时，梁体不发生绕球铰的刚体转动，体系的平衡由球铰摩阻力矩和转动体不平衡力矩所保持；

2）MZ小于MG时，梁体发生绕球铰的刚体转动，直至撑脚参与工作，体系的平衡由球铰摩阻力矩、转动体不平衡力矩和撑脚对球心的力矩所保持。

如撑脚与滑道均未接触，可判断为第一种情况，即转动体球铰摩阻力矩大于转动体不平衡力矩，此时假设转动体重心偏向中跨侧，在边跨侧承台实施顶力P1（见图3（a）），当P1增加到使球铰发生微小转动的瞬间，有：

图3 球铰摩阻较大时试验示意图

再于中跨侧承台实施顶力P2（见图3（b）），当顶力P2逐渐增加到使球铰发生微小转动的瞬间，有：

解方程 （1）和 （2），得到：

不平衡力矩：

摩阻力矩：

当转动体球铰摩阻力矩小于转动体不平衡力矩时，设转动体重心偏向中跨侧，此种情况下，只能在中跨侧承台实施顶力P2。当顶力P2（由撑脚离地的瞬间算起）逐渐增加到使球铰发生微小转动的瞬间，有：

当顶升到位（球铰发生微小转动）后，使千斤顶回落，设P2′为千斤顶逐渐回落过程中球铰发生微小转动时的力，则

解方程 （5）和 （6），得到：

不平衡力矩：

转体时，可根据计算出的不平衡力矩方向及大小，采用配重等措施加以纠正。由于以上方法只考虑刚体作用，不涉及挠度等影响因素较多的参数，结果较为准确，同时操作及所使用设备比较简单，具有较强的有效性和实用性。

2.2 转动体球铰静摩擦系数评估

转动体球铰静摩擦系数是设计转动设备的重要依据，可通过称重试验对其进行评估。称重试验时，转动体球铰在沿梁轴线的竖平面内会发生微小转动即微小角度的竖转。假定竖转摩阻力矩为摩擦面每个微面积上的摩擦力对过球铰中心竖转法线的力矩之和，转动体球铰绕Z轴转动静摩擦系数计算示意图见图4。

图4 转动体球铰摩擦系数分析计算图

本工程中：sinα=1.5/6=0.25

将球铰有关参数代入得转动体静摩阻系数为：

摩擦面按平面计算时：

式中：R为球铰球面半径；N为转体重量。

2.3 工程应用

运粮河特大桥支架脱空后，解除了两T构的撑脚约束，发现撑脚均未触地，说明转动体球铰摩阻力矩MZ大于转动体不平衡力矩MG，此时属于第一种平衡状态。根据前述测试方法，对838号和839号两个T构进行称重试验，在每个墩承台底面布置4台500 t千斤顶及数显百分表，布置位置如图5。为了校核梁体是否发生刚体转动，同时在T构的悬臂端进行高程观测。千斤顶分级施加顶升力，采集百分表读数及主梁悬臂端标高数据，绘制顶升力-位移图。

图5 千斤顶布置平面图

3 测试结果分析

由于运粮河特大桥跨既有线连续梁桥梁体两侧齿块、临时荷载及施工误差不对称，致使梁体的不平衡荷载较大，为防止千斤顶顶力过大，先根据墩底截面轴向应变初步估算出不平衡弯矩大小及方向，并根据估算结果进行初步配重，平衡掉一部分不平衡弯矩。见表1。

表1 应力估算法测得不平衡弯矩及对应配重调整

采取部分配重后，转动体未发生转动，转动体平衡体系仍处于方案中的第一种情况，即转动体球铰摩阻力矩大于转动体不平衡力矩。以839号墩为例，根据测试数据，边跨侧顶梁时使转动体发生微小转动时东侧支点的支反力P1=4100 kN（图6），主跨侧顶梁时使转动体发生微小转动时西侧支点的支反力P2=4340 kN（图7）。

图6 839号墩球铰南侧顶升力-位移图

图7 839号墩球铰北侧顶升力-位移图

不平衡力矩：MG=279.6 kN·m

摩阻力矩：MZ=9832.6 kN·m

静摩擦系数：μ=0.028

用相同的方法，测得838号墩转体梁结果如下：

不平衡力矩：MG=676 kN·m

摩阻力矩：MZ=15238 kN·m

静摩擦系数：μ=0.041

结果表明，测试状态下转体梁不平衡弯矩较小，对应的重心偏心距在设计允许范围内，通过对转体过程中的监测结果表明，转体过程顺利，梁体姿态平稳，该桥现已成功合拢。

4 结语

1）在桥梁结构平转法施工中，为防止施工误差造成转动体偏心距过大，威胁转体过程的平稳和安全，在转体前有必要对转动体部分进行称重试验，掌握转动体不平衡弯矩，进而采取有效措施进行纠正。

2）转动体不平衡重测试时，可将转体梁视为刚体，采用球铰转动法直接测试转动体不平衡弯矩，实际工程应用结果表明，方法有效可行，可供同类工程借鉴。

[1] 翟鹏程.转体梁施工中的不平衡问题及风致振动研究[D].北京：北京交通大学，2008.

[2] 魏峰，陈强，马林.北京市五环路斜拉桥转动体不平衡重称重试验分析[J].铁道建筑，2005（4）：6-8.