小曲線半徑轉(zhuǎn)體橋梁不平衡力矩研究

王博妮

摘 要：對于小曲線半徑轉(zhuǎn)體橋梁，由于存在曲線效應(yīng)，結(jié)構(gòu)重心會(huì)偏向曲線內(nèi)側(cè)，產(chǎn)生不平衡力矩。這是設(shè)計(jì)和施工過程中均需要重視的一個(gè)問題。從設(shè)計(jì)方面入手，簡要介紹了通過結(jié)構(gòu)構(gòu)造糾偏、橫向預(yù)設(shè)偏心等技術(shù)消除不平衡力矩的方法。因?yàn)槭┕て?、轉(zhuǎn)體系統(tǒng)安裝誤差等，在轉(zhuǎn)體施工前，還需進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)體稱重實(shí)驗(yàn)，科學(xué)配重。因此，介紹了不平衡力矩測試方法，從設(shè)計(jì)和施工措施方面入手，以保證轉(zhuǎn)體工程的順利實(shí)施。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)體橋梁；小曲線半徑；不平衡力矩；稱重實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：U442.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.10.125

橋梁轉(zhuǎn)體施工法是指在非設(shè)計(jì)軸線上將橋梁結(jié)構(gòu)澆筑或拼裝成形后再轉(zhuǎn)體就位的一種施工方法。隨著我國鐵路事業(yè)的發(fā)展，與鐵路交叉的項(xiàng)目越來越多，采用轉(zhuǎn)體施工法只需短暫封鎖鐵路，可以大大降低對鐵路運(yùn)營的影響，減少安全隱患，縮短工期，從而獲得較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

在特殊情況下，受地形、地物的限制，橋位處平曲線半徑比較小。采用轉(zhuǎn)體施工法時(shí)，鑒于曲線效應(yīng)，橋梁內(nèi)外側(cè)不平衡力矩會(huì)比較大。在轉(zhuǎn)體過程中，平衡是設(shè)計(jì)、施工時(shí)都必須重視的一個(gè)關(guān)鍵性問題。本文主要探討了小曲線半徑轉(zhuǎn)體橋梁設(shè)計(jì)中不平衡力矩的處理措施，并介紹了轉(zhuǎn)體施工前不平衡力矩的測試方法，以期為今后小曲線橋梁的轉(zhuǎn)體提供一定的理論參考。

1 設(shè)計(jì)技術(shù)措施

在采用平轉(zhuǎn)法施工的各階段的體系轉(zhuǎn)換中，梁體脫架形成大懸臂最關(guān)鍵，所以，在設(shè)計(jì)時(shí)，要重點(diǎn)考慮安全問題。對于小曲線橋梁，由于曲線半徑小、懸臂大，結(jié)構(gòu)重心會(huì)偏向曲線內(nèi)側(cè)，產(chǎn)生橫向不平衡力矩，嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)體安全。為了消除不平衡力矩，在設(shè)計(jì)過程中，可以采取以下幾種措施。

1.1 構(gòu)造糾偏處理法

構(gòu)造糾偏處理法是從結(jié)構(gòu)構(gòu)造入手調(diào)整結(jié)構(gòu)偏心，使結(jié)構(gòu)重心盡量接近于轉(zhuǎn)體系統(tǒng)中心。在具體實(shí)施過程中，可采取以下措施：①在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)體部分的梁段時(shí)，可將曲線內(nèi)、外側(cè)腹板設(shè)計(jì)成不等厚結(jié)構(gòu)；②切除轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)梁端曲線內(nèi)的部分梁段，待轉(zhuǎn)體就位后進(jìn)行澆筑施工；③轉(zhuǎn)體內(nèi)側(cè)部分橋面防撞護(hù)欄暫不澆筑，待轉(zhuǎn)體就位后再施工。

對于橋?qū)捿^小的橋，曲線外側(cè)腹板加厚對調(diào)整結(jié)構(gòu)橫向偏心作用不大；相反，還會(huì)增加結(jié)構(gòu)自重，使球鉸尺寸增大，而且設(shè)計(jì)也較為煩瑣，所以，不推薦采用。

1.2 橋面配載及臨時(shí)桁架糾偏處理法

橋面配載法即在轉(zhuǎn)體前，在橋面適當(dāng)位置堆碼加沙袋，或采取其他方式增加配重，使結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)達(dá)到平衡。但是，當(dāng)橋?qū)挶容^小時(shí)，直接在橋面上加載很難調(diào)整結(jié)構(gòu)偏心。因此，可以在結(jié)構(gòu)上設(shè)臨時(shí)桁架增加力臂，并在其上加載，以調(diào)整結(jié)構(gòu)偏心，具體如圖1所示。

在設(shè)計(jì)過程中，要充分考慮臨時(shí)桁架的強(qiáng)度及其轉(zhuǎn)體過程中的穩(wěn)定性，同時(shí)，結(jié)構(gòu)自重也會(huì)明顯增加，球鉸的尺寸會(huì)增大，總體造價(jià)也會(huì)提高。

1.3 橫向偏心布置

通過上部結(jié)構(gòu)精確計(jì)算出結(jié)構(gòu)的橫向偏心后，可將轉(zhuǎn)體系統(tǒng)中心置于上部結(jié)構(gòu)整體橫向偏心位置，如圖2所示，使上部結(jié)構(gòu)重心與球鉸中心位于同一鉛垂線上，進(jìn)而有效保證結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體過程中的穩(wěn)定性。

由于橋梁橫橋向配重的空間和力臂比較小，所以，準(zhǔn)確計(jì)算橫向偏心是非常重要的。橫向偏心建模計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮梁體內(nèi)齒塊的布置情況和橋面護(hù)欄的質(zhì)量等。

綜上所述，對于小半徑曲線轉(zhuǎn)體橋梁，可采取結(jié)構(gòu)構(gòu)造糾偏、轉(zhuǎn)動(dòng)體系預(yù)設(shè)偏心、適當(dāng)加大球鉸、上下轉(zhuǎn)盤優(yōu)化設(shè)計(jì)等措施保證轉(zhuǎn)體的穩(wěn)定性。

2 轉(zhuǎn)體不平衡力矩稱重方法

從設(shè)計(jì)上考慮曲線效應(yīng)并采取相關(guān)措施后，理論認(rèn)為，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)。但是，由于預(yù)應(yīng)力張拉程度不同，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)安裝誤差、施工偏差、梁體不均勻分布等因素使得轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)中存在一定的不平衡力矩，無法有效保證轉(zhuǎn)體過程中的安全性和平穩(wěn)性。因此，在轉(zhuǎn)體施工前，需對轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行稱重，科學(xué)配重。在施工過程中，采取的不平衡力矩測試方法有以下幾種。

2.1 球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)測試法

球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)測試法：將轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)作為剛體，通過頂升剛體將靜摩擦轉(zhuǎn)為動(dòng)摩擦，建立剛體的力學(xué)平衡方程，從而推算出不平衡力矩。待橋梁脫架后，整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)體系的平衡狀態(tài)表現(xiàn)為2種形式：①不平衡力矩大于球鉸的靜摩阻力，梁體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，直至一側(cè)撐腳落至滑道。此時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)體的平衡由撐腳、不平衡力矩和球鉸的摩阻力矩來保持。②不平衡力矩小于球鉸的靜摩阻力矩，梁體不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)體的平衡由不平衡力矩和球鉸的摩阻力矩保持。具體測試方法是：在球鉸兩側(cè)的對稱位置布設(shè)千斤頂，用于頂升轉(zhuǎn)動(dòng)體，同時(shí)，布設(shè)荷重傳感器和百分表來記錄頂力和球鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，繪制力—位移關(guān)系曲線，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)體在升頂和落頂時(shí)發(fā)生剛體位移時(shí)的荷重傳感器讀數(shù)建立剛體力學(xué)方程，推算出轉(zhuǎn)動(dòng)體的不平衡力矩和球鉸的摩阻力矩。

利用球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)法能獲得不平衡力矩、摩擦系數(shù)、摩阻力矩和偏心距等較多的力學(xué)參數(shù)，操作方便，而且只考慮轉(zhuǎn)動(dòng)體為剛體，不涉及其他影響因素，所以，結(jié)果比較可靠。

2.2 砂箱應(yīng)力測試法

砂箱應(yīng)力測試法：將球鉸下混凝土截面與砂箱外套筒截面等效成一個(gè)截面。基于平截面假定，利用偏心受壓構(gòu)件壓應(yīng)力分布規(guī)律反推上部結(jié)構(gòu)的不平衡力矩。在梁體落架前，不平衡力矩由支架承擔(dān)；在梁體落架后，不平衡力矩由球鉸和砂箱共同承擔(dān)。

式（1）（2）中：σ1為截面最大壓應(yīng)力，由壓力產(chǎn)生的壓應(yīng)力和彎矩產(chǎn)生的壓應(yīng)力疊加；σ2為截面最小壓應(yīng)力，由壓力產(chǎn)生的壓應(yīng)力和彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力疊加；N為恒載在球鉸處產(chǎn)生的軸力值；A為砂箱的總面積；M為恒載在球鉸處產(chǎn)生的彎矩值；y為砂箱應(yīng)變測試區(qū)至球鉸中心的距離；I為砂箱截面關(guān)于球鉸中心繞M方向的慣性矩。

拆架前，要在砂箱上安裝應(yīng)變片，測試砂箱的初始應(yīng)變值；拆架后，再次測試砂箱的應(yīng)變值，通過應(yīng)變差值推算不平衡力矩。

2.3 球鉸下應(yīng)力評估法

梁體拆架前，支架承擔(dān)不平衡力矩，而不平衡力矩對球鉸處應(yīng)力沒有影響。此時(shí)，球鉸處應(yīng)力為初始應(yīng)力。待梁體脫架后，不平衡力矩由球鉸承擔(dān)，球鉸處應(yīng)力變化明顯。球鉸下應(yīng)力評估法即在各工況下比較球鉸處應(yīng)力和初始應(yīng)力，以此估算各階段梁體的平衡狀態(tài)。在此過程中，要注意以下2點(diǎn)：①利用球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)測試法可以獲得不平衡力矩、偏心距、摩阻力矩和摩擦系數(shù)等較多的力學(xué)參數(shù)，結(jié)果比較準(zhǔn)確；②在現(xiàn)場，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鉸轉(zhuǎn)動(dòng)法稱重。

3 結(jié)論與建議

經(jīng)過相關(guān)分析，針對這項(xiàng)工作提出了幾點(diǎn)建議：①從理論上講，轉(zhuǎn)體中心兩側(cè)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量應(yīng)完全一致。但是，實(shí)踐證明，在絕對平衡的狀態(tài)下，在轉(zhuǎn)體過程中，梁體極易發(fā)生抖動(dòng)，而微平衡轉(zhuǎn)體有利于保證轉(zhuǎn)體過程中的穩(wěn)定性。由相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可知，一般需要在梁體重心與結(jié)構(gòu)中心之間設(shè)置5～15 cm的預(yù)偏量。②在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)自重，精確模擬各項(xiàng)荷載，以保證偏心值計(jì)算的準(zhǔn)確度。③對于小曲線半徑橋梁，在選用轉(zhuǎn)體系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡量選用承載能力稍大的球鉸，以保證其安全性。④在設(shè)計(jì)方面，還應(yīng)充分考慮所采取的各項(xiàng)糾偏措施對橋梁結(jié)構(gòu)成橋運(yùn)營階段受力的影響。

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〔編輯：白潔〕