跨沪蓉高速转体桥梁的称重试验技术

孟文节

(常州市市政工程设计研究院有限公司，江苏 常州 213003)

0 引 言

转体施工分为平面转体、竖向转体及平面加竖向混合转体，一般多见为平转和竖转。转体施工核心是要保证转动体的平衡，理论上使得上部结构的重心在转动球铰的容许范围内。而实际因两侧平衡段混凝土浇筑量不同、转动球铰安装误差、以及其他施工误差造成转体段存在一定偏心，为保证顺利转体，通常须在试转前通过称重试验，必要时布置配重调整转体段偏心使其符合施工要求。称重试验的目的是为获得转动体的不平衡力矩、偏心矩、摩阻力以及摩擦系数等转动参数，一是为后续实施转体的牵引力、辅助千斤顶提供依据，二是转体段布置平衡配重，保证球铰支撑稳定的依据。根据称重实验结果，当转动体的不平衡偏心距<150 mm时，可不进行平衡配重[1]。

1 项目背景

常州新建大明路(龙锦路—常郑路)工程跨沪蓉高速公路采用(56+90+56)m连续梁跨越，桥梁总宽25 m，为城市主干道。线路于K0+832.09处跨越沪蓉高速，与沪蓉高速公路中心线斜交70.96°，转体段在沪蓉公路两侧平行于公路方向满堂支架现浇87 m梁段后，顺时针旋转70.96°至规划桥位，两边跨各布置9.42 m长现浇段，施工边跨3 m合龙段，最后施工中跨3 m合龙段完成全桥合龙。

主桥上部结构为三跨预应力混凝土变截面连续箱梁，纵向采用变高度：中支点梁高5.3 m，跨高比1/17；边支点梁高2.6 m，跨中梁高2.6 m，跨高比1/34.6。箱梁采用单箱三室直腹板形式，箱梁顶宽25 m，底宽17.4 m，悬臂板长度3.8 m。

本桥采用平面转体施工，桥梁转体段长度为87 m，转体重量达10 076.4 t，为沪蓉高速苏南段最大转体桥梁。

2 转体称重试验

2.1 抗倾覆稳定

T构施工完成时，转体梁段与桥墩通过临时支座墩梁固结，梁与上承台采用临时柱固结，整个转动体依靠球铰、撑脚、临时砂箱保持稳定，因此不存在倾覆稳定问题。进入转体阶段，撤除临时砂箱及撑脚垫板，整个转动体由稳定状态变为不稳定状态，须复核转动体的倾覆稳定性。

转体前一般都已清除临时施工荷载，因此影响稳定性主要因素是风力，按百年一遇的基本风速产生的风压考虑[2]。转动体的抗倾覆稳定系数为整体自重产生的抗倾覆力矩与基本风压产生的倾覆力矩的比值。按规范要求抗倾覆稳定系数不小于1.3[3]。计算转动体纵向抗倾覆稳定系数为5.04，横向抗倾覆稳定系数为16.0，均满足要求。

2.2 球铰转动法测试原理

本项目采用球铰的微小转动测试不平衡力矩的方法，这种方法采用刚体位移突变进行测试，受力明确，受干扰因素小，而且只考虑刚体作用，结果比较准确。实际操作比较简单，所需设备也较少，便于工地现场实施。

测试的原理是假设转动体可以绕球铰进行刚体转动，当转体段形成后，整个转动体的平衡表现为两种形式之一。

(1)当转动体球铰摩阻力矩MZ>不平衡力矩MG，此时转动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不平衡力矩所保持。在转动体一侧放置千斤顶，使得转动体在沿梁轴线的竖向平面内发生逆时针微小转动，并记录转动过程中千斤顶顶力P1和力臂L1以及位移计读数，回落时转动体不发生转动；在转动体另一侧放置千斤顶，使得转动体在沿梁轴线的竖向平面内发生顺时针微小转动，并记录转动过程中千斤顶顶力P2和力臂L2以及位移计读数，回落时转动体不发生转动，见图1。对中心取矩，则有

图1 摩阻力矩MZ>不平衡力矩MG

(1)

通过式(1)可知，不平衡力矩MG为正值时，表示转体重心偏于P1侧；不平衡力矩MG为负值时，表示转体重心偏于P2侧。

(2)当转动体球铰摩阻力矩MZ<不平衡力矩MG，见图2，此时转动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、不平衡力矩和撑脚对球铰中心的力矩所保持。在转动体偏心一侧放置千斤顶，加压使得转动体在沿梁轴线的竖向平面内发生逆时针微小转动，并记录转动过程中千斤顶顶力P1和力臂L1以及位移计读数；回落时转动体发生顺时针微小转动，并记录转动过程中千斤顶顶力P2和力臂L1以及位移计读数，见图2。对中心取矩，则有公式(2)。

图2 摩阻力矩MZ<不平衡力矩MG

(2)

2.3 球铰静摩擦系数及偏心距

称重试验时，球铰在轴线竖直平面内发生微小转动，摩阻力矩MZ为球铰摩擦面每个四氟滑片上摩擦力对球铰中心的力矩总和。球铰静摩擦系数μ=MZ/(R·G)，转动体偏心距e=MG/G，其中R为球铰半径；G为转动体总重量[1]。

2.4 称重试验准备及流程

(1)拆除支架、模板，撤除梁段上所有材料、机具、设备。

(2)拆除砂箱，解除上下承台间的联系钢筋。

(3)检查上转盘撑脚下承台间隙，测量梁体标高。

(4)安放千斤顶、百分表。

(5)逐级施加荷载，并记录千斤顶及百分表的读数。

(6)根据测试结果，计算摩阻力矩、偏心距、摩擦系数等相关参数。

(7)通过计算综合现场情况确定是否进行配重。

2.5 试验结果分析

(1)拆除撑脚垫板及临时砂箱后，6#墩边跨侧撑脚接触滑道，初步判断不平衡力矩大于球铰摩阻力矩，在边跨侧轴线撑脚两边各布置一台400 t千斤顶，同时对称各布置一套百分表。

顶升时按每级800 kN加载，从3 200～4 000 kN 时百分表突变，重新卸载至3 200 kN，按每级160 kN加载，从3 840～4 000 kN时百分表突变，取平均值3 920 kN作为上顶滑力P1。

回落时按每级800 kN卸载，从1 600～800 kN时百分表突变，重新加载至1 600 kN，按每级160 kN卸载，从960～800 kN时百分表突变，取平均值880 kN作为回落滑力P2。计算得

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；

转动体偏心距：e=13 200/100 764=0.131 m；

球铰摩阻系数：μ=8 360/(7×100 764)=0.012。

结论：6#墩转动体偏心距为131 mm<150 mm，且偏向于边跨侧，依据计算结果综合现场实际情况，确定转动体不配重。

(2)拆除撑脚垫板及临时砂箱后，7#墩边跨侧撑脚接触滑道，初步判断不平衡力矩大于球铰摩阻力矩，考虑结构与6#墩一致，预估上顶滑力为3 920 kN。在边跨侧轴线撑脚两边各布置一台400 t 千斤顶，同时对称各布置一套百分表。

顶升时按每级800 kN加载，从2 400～3 200 kN 时百分表突变，重新逐级卸载，发现梁体并未同步回落，因此判断7#墩不平衡力矩小于球铰摩阻力矩，在中跨侧轴线撑脚两边各加设一台400 t 千斤顶，如图3所示。

图3 7#墩千斤顶和测点布置图

设备调试后，中跨侧千斤顶按每级800 kN加载，至1 600 kN 时百分表突变，重新逐级卸载，发现梁体并未同步回落。考虑不平衡力矩MG最大时，取P1为3 200 kN，P2为800 kN，计算得

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；

转动体偏心距：e=6 600/100 764=0.065 m；

球铰摩阻系数：μ=11 000/(7×100 764)=0.016。

结论：7#墩转动体偏心距为65 mm<150 mm，计算偏心距较小，考虑施工无须再精确测试顶力，以减少现场等待时间，依据计算结果综合现场实际情况，确定转动体不配重。考虑两侧相同结构、同一品牌球铰及相同施工条件，7#墩摩阻系数稍大于6#墩，而平衡分属两种不同形式，反映出实际施工质量控制较好。

3 结 语

采用球铰的微小转动测试不平衡力矩的方法，理论依据充分，操作简便，快速，对现场施工要求低。虽然6#墩偏心距131 mm稍大，但仍满足要求，故采用不配重转体，以减少现场施工流程并降低费用，本桥在2019年6月19日、20日在无配重情况下先后平顺完成转体施工，为大吨位转体施工技术积累了宝贵经验。