小曲线半径转体桥梁不平衡力矩研究

王博妮

摘 要：对于小曲线半径转体桥梁，由于存在曲线效应，结构重心会偏向曲线内侧，产生不平衡力矩。这是设计和施工过程中均需要重视的一个问题。从设计方面入手，简要介绍了通过结构构造纠偏、横向预设偏心等技术消除不平衡力矩的方法。因为施工偏差、转体系统安装误差等，在转体施工前，还需进行转动体称重实验，科学配重。因此，介绍了不平衡力矩测试方法，从设计和施工措施方面入手，以保证转体工程的顺利实施。

关键词：转体桥梁；小曲线半径；不平衡力矩；称重实验

中图分类号：U442.5 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.10.125

桥梁转体施工法是指在非设计轴线上将桥梁结构浇筑或拼装成形后再转体就位的一种施工方法。随着我国铁路事业的发展，与铁路交叉的项目越来越多，采用转体施工法只需短暂封锁铁路，可以大大降低对铁路运营的影响，减少安全隐患，缩短工期，从而获得较好的社会效益和经济效益。

在特殊情况下，受地形、地物的限制，桥位处平曲线半径比较小。采用转体施工法时，鉴于曲线效应，桥梁内外侧不平衡力矩会比较大。在转体过程中，平衡是设计、施工时都必须重视的一个关键性问题。本文主要探讨了小曲线半径转体桥梁设计中不平衡力矩的处理措施，并介绍了转体施工前不平衡力矩的测试方法，以期为今后小曲线桥梁的转体提供一定的理论参考。

1 设计技术措施

在采用平转法施工的各阶段的体系转换中，梁体脱架形成大悬臂最关键，所以，在设计时，要重点考虑安全问题。对于小曲线桥梁，由于曲线半径小、悬臂大，结构重心会偏向曲线内侧，产生横向不平衡力矩，严重影响转体安全。为了消除不平衡力矩，在设计过程中，可以采取以下几种措施。

1.1 构造纠偏处理法

构造纠偏处理法是从结构构造入手调整结构偏心，使结构重心尽量接近于转体系统中心。在具体实施过程中，可采取以下措施：①在设计转体部分的梁段时，可将曲线内、外侧腹板设计成不等厚结构；②切除转体结构梁端曲线内的部分梁段，待转体就位后进行浇筑施工；③转体内侧部分桥面防撞护栏暂不浇筑，待转体就位后再施工。

对于桥宽较小的桥，曲线外侧腹板加厚对调整结构横向偏心作用不大；相反，还会增加结构自重，使球铰尺寸增大，而且设计也较为烦琐，所以，不推荐采用。

1.2 桥面配载及临时桁架纠偏处理法

桥面配载法即在转体前，在桥面适当位置堆码加沙袋，或采取其他方式增加配重，使结构内外侧达到平衡。但是，当桥宽比较小时，直接在桥面上加载很难调整结构偏心。因此，可以在结构上设临时桁架增加力臂，并在其上加载，以调整结构偏心，具体如图1所示。

在设计过程中，要充分考虑临时桁架的强度及其转体过程中的稳定性，同时，结构自重也会明显增加，球铰的尺寸会增大，总体造价也会提高。

1.3 横向偏心布置

通过上部结构精确计算出结构的横向偏心后，可将转体系统中心置于上部结构整体横向偏心位置，如图2所示，使上部结构重心与球铰中心位于同一铅垂线上，进而有效保证结构转体过程中的稳定性。

由于桥梁横桥向配重的空间和力臂比较小，所以，准确计算横向偏心是非常重要的。横向偏心建模计算时，应考虑梁体内齿块的布置情况和桥面护栏的质量等。

综上所述，对于小半径曲线转体桥梁，可采取结构构造纠偏、转动体系预设偏心、适当加大球铰、上下转盘优化设计等措施保证转体的稳定性。

2 转体不平衡力矩称重方法

从设计上考虑曲线效应并采取相关措施后，理论认为，转体结构处于平衡状态。但是，由于预应力张拉程度不同，转体系统安装误差、施工偏差、梁体不均匀分布等因素使得转体结构中存在一定的不平衡力矩，无法有效保证转体过程中的安全性和平稳性。因此，在转体施工前，需对转体结构进行称重，科学配重。在施工过程中，采取的不平衡力矩测试方法有以下几种。

2.1 球铰转动测试法

球铰转动测试法：将转体结构作为刚体，通过顶升刚体将静摩擦转为动摩擦，建立刚体的力学平衡方程，从而推算出不平衡力矩。待桥梁脱架后，整个转动体系的平衡状态表现为2种形式：①不平衡力矩大于球铰的静摩阻力，梁体发生转动，直至一侧撑脚落至滑道。此时，转动体的平衡由撑脚、不平衡力矩和球铰的摩阻力矩来保持。②不平衡力矩小于球铰的静摩阻力矩，梁体不发生转动。此时，转动体的平衡由不平衡力矩和球铰的摩阻力矩保持。具体测试方法是：在球铰两侧的对称位置布设千斤顶，用于顶升转动体，同时，布设荷重传感器和百分表来记录顶力和球铰的转动情况，绘制力—位移关系曲线，根据转动体在升顶和落顶时发生刚体位移时的荷重传感器读数建立刚体力学方程，推算出转动体的不平衡力矩和球铰的摩阻力矩。

利用球铰转动法能获得不平衡力矩、摩擦系数、摩阻力矩和偏心距等较多的力学参数，操作方便，而且只考虑转动体为刚体，不涉及其他影响因素，所以，结果比较可靠。

2.2 砂箱应力测试法

砂箱应力测试法：将球铰下混凝土截面与砂箱外套筒截面等效成一个截面。基于平截面假定，利用偏心受压构件压应力分布规律反推上部结构的不平衡力矩。在梁体落架前，不平衡力矩由支架承担；在梁体落架后，不平衡力矩由球铰和砂箱共同承担。

式（1）（2）中：σ1为截面最大压应力，由压力产生的压应力和弯矩产生的压应力叠加；σ2为截面最小压应力，由压力产生的压应力和弯矩产生的拉应力叠加；N为恒载在球铰处产生的轴力值；A为砂箱的总面积；M为恒载在球铰处产生的弯矩值；y为砂箱应变测试区至球铰中心的距离；I为砂箱截面关于球铰中心绕M方向的惯性矩。

拆架前，要在砂箱上安装应变片，测试砂箱的初始应变值；拆架后，再次测试砂箱的应变值，通过应变差值推算不平衡力矩。

2.3 球铰下应力评估法

梁体拆架前，支架承担不平衡力矩，而不平衡力矩对球铰处应力没有影响。此时，球铰处应力为初始应力。待梁体脱架后，不平衡力矩由球铰承担，球铰处应力变化明显。球铰下应力评估法即在各工况下比较球铰处应力和初始应力，以此估算各阶段梁体的平衡状态。在此过程中，要注意以下2点：①利用球铰转动测试法可以获得不平衡力矩、偏心距、摩阻力矩和摩擦系数等较多的力学参数，结果比较准确；②在现场，可采取其他方法初步判定不平衡力矩，待部分配重后再采用球铰转动法称重。

3 结论与建议

经过相关分析，针对这项工作提出了几点建议：①从理论上讲，转体中心两侧结构的质量应完全一致。但是，实践证明，在绝对平衡的状态下，在转体过程中，梁体极易发生抖动，而微平衡转体有利于保证转体过程中的稳定性。由相关经验可知，一般需要在梁体重心与结构中心之间设置5～15 cm的预偏量。②在设计过程中，应准确计算结构自重，精确模拟各项荷载，以保证偏心值计算的准确度。③对于小曲线半径桥梁，在选用转体系统时，应尽量选用承载能力稍大的球铰，以保证其安全性。④在设计方面，还应充分考虑所采取的各项纠偏措施对桥梁结构成桥运营阶段受力的影响。

参考文献

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[2]林坤.大跨度连续梁桥转体施工力学特性分析[D].兰州：兰州交通大学，2012.

[3]何黎君.磁州大桥T构转体施工设计[J].铁道建筑技术，2008（S2）.

〔编辑：白洁〕