陽泉市泉西路上跨石太鐵路立交橋稱重試驗(yàn)分析

杜 光

（山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006）

當(dāng)新建橋梁跨越繁忙的交通線路既有鐵路或高速公路時，為了減小橋梁施工對既有線路的影響，常采用轉(zhuǎn)體橋梁施工方法。同時根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)施工時轉(zhuǎn)動方向的不同，又可分為平轉(zhuǎn)法、豎轉(zhuǎn)法以及平轉(zhuǎn)與豎轉(zhuǎn)相結(jié)合的方法[1]。由于轉(zhuǎn)體橋梁施工方法具有改善施工條件、施工設(shè)備少、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，使得轉(zhuǎn)體橋梁施工法在20世紀(jì)70年代后在我國得到了廣泛應(yīng)用，其中又以平轉(zhuǎn)法應(yīng)用最為廣泛。本文結(jié)合陽泉市泉西路上跨石太鐵路立交橋施工，對橋梁轉(zhuǎn)體施工前的稱配重進(jìn)行技術(shù)分析及探討。

1 工程背景

陽泉市泉西路工程為全定向匝道互通式立交，主線起于南大西街，終點(diǎn)處與既有宏成橋順接，定位為城區(qū)的南北新通道。主線泉西路橋梁全長677.8 m，主橋上跨石太鐵路上、下行線及陽泉礦正線，采用變高度T型剛構(gòu)連續(xù)梁。橋梁孔跨布置：1-30 m簡支箱梁+2×60 m T構(gòu)剛構(gòu)+（45+50+45）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁+3-5×25 m鋼筋混凝土連續(xù)箱梁。道路等級:城市次干道；設(shè)計(jì)荷載:城-A級，跨鐵路（聯(lián)跨）孔跨荷載考慮1.3倍放大系數(shù)。轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)體下盤、轉(zhuǎn)動球鉸、轉(zhuǎn)體上轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)動牽引系統(tǒng)組成。鋼球鉸直徑3 700 mm，厚度為30 mm，分上下兩片，為轉(zhuǎn)動體系的核心部分。

石太鐵路線路繁忙，為最大限度減少結(jié)構(gòu)施工對交通運(yùn)營的影響，本橋采用平面轉(zhuǎn)體的施工方法。即先沿鐵路南側(cè)平地搭設(shè)滿堂支架分段澆筑梁體，待混凝土強(qiáng)度合格拆除支架后，通過轉(zhuǎn)體就位、然后澆筑兩端合龍段，最后使全橋貫通。轉(zhuǎn)體段橋梁長55 m+55 m，轉(zhuǎn)體角度85°，轉(zhuǎn)體重量達(dá)10 000 t。原設(shè)計(jì)全梁施工節(jié)段劃分情況為：0號段（數(shù)量1）、1號段（數(shù)量 2）、2號段（數(shù)量 2）、3號段（數(shù)量 2）、4號段（數(shù)量2）、5號段（數(shù)量2）；由于季節(jié)施工工期變更等原因，全梁施工節(jié)段重新劃分情況為：A號段（數(shù)量 1）、B 號段（數(shù)量 2）、C號段（數(shù)量2）。

2 轉(zhuǎn)體施工不平衡稱重試驗(yàn)

2.1 稱重試驗(yàn)的目的

水平轉(zhuǎn)體施工中，能否轉(zhuǎn)的動且轉(zhuǎn)動所需的牽引力很小，并且在轉(zhuǎn)動過程中達(dá)到結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定是橋梁成功轉(zhuǎn)體的前提條件。一個理想的轉(zhuǎn)動體系統(tǒng)必須同時具備以上兩個基本條件。這就需要保證轉(zhuǎn)動體系以轉(zhuǎn)軸為中心所產(chǎn)生的剛體不平衡力矩及摩阻系數(shù)要盡量小，然而在實(shí)際施工中，尤其是當(dāng)橋梁采取滿堂支架分段現(xiàn)澆法施工時，往往很難做到轉(zhuǎn)軸兩側(cè)梁體重量完全一致，因此轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)均存在著不同程度的不平衡力矩，此時為了消除結(jié)構(gòu)不平衡力矩，保證橋梁結(jié)構(gòu)成功轉(zhuǎn)體，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)稱重試驗(yàn)，測試轉(zhuǎn)動體部分的不平衡力矩、偏心距、摩阻力矩及摩阻系數(shù)[2]。

圍繞陽泉市泉西路上跨石太鐵路立交橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在橋梁轉(zhuǎn)體前進(jìn)行稱配重試驗(yàn)，測試本轉(zhuǎn)動體橋梁的縱橋向不平衡力矩、偏心距、摩阻力矩及摩阻系數(shù)，并確定轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)的配重方案。

2.2 稱重試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作

a）撤除梁頂所有材料、機(jī)具、設(shè)備，清除梁體內(nèi)雜物；

b）檢查并確定上轉(zhuǎn)盤撐腳下滑板上無雜物；

c）安放千斤頂、電子位移計(jì)；

d）拆除支架、砂箱；

e）觀察轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)是否傾斜以及傾斜方向，確定其狀態(tài)。

3 稱重試驗(yàn)測試方法及分析

當(dāng)轉(zhuǎn)動梁體支架全部拆除后，整個梁體的平衡可表現(xiàn)為：

a）轉(zhuǎn)動體球鉸提供的摩阻力矩（MZ）大于轉(zhuǎn)動體自身不平衡力矩（MG）。此時，轉(zhuǎn)動體系會維持自身平衡，不會發(fā)生任何轉(zhuǎn)動。b）轉(zhuǎn)動體球鉸提供的摩阻力矩（MZ）小于轉(zhuǎn)動體自身不平衡力矩（MG）。此時，體系會發(fā)生繞球鉸的剛體轉(zhuǎn)動，直到撐腳著地受力，體系重新建立平衡狀態(tài)[3]。

3.1 球鉸摩阻力矩大于轉(zhuǎn)動體自身不平衡力矩

設(shè)轉(zhuǎn)動體重心偏向太原側(cè)，此時在石家莊側(cè)上承臺施加頂力P1（見圖1）。當(dāng)頂力P1增大到足以使結(jié)構(gòu)體系發(fā)生轉(zhuǎn)動時，此時可得平衡方程式（1）：

圖1 石家莊側(cè)施加頂力

在太原側(cè)上承臺實(shí)施頂力P2（見圖2）。當(dāng)頂力P2增大到足以使結(jié)構(gòu)體系發(fā)生轉(zhuǎn)動時，此時可得平衡方程式（2）：

圖2 太原側(cè)施加頂力

解方程（1）和（2），可得不平衡力矩及摩阻力矩計(jì)算式。

3.2 球鉸摩阻力矩小于轉(zhuǎn)動體不平衡力矩

設(shè)轉(zhuǎn)動體重心偏向太原側(cè)，此時，由于撐腳著地只能在太原側(cè)上承臺實(shí)加頂力P2（見圖2）。當(dāng)頂力P2增大到足以使結(jié)構(gòu)體系發(fā)生轉(zhuǎn)動時，此時可得平衡方程式（5）：

當(dāng)千斤頂頂升到位（使球鉸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動）后，使千斤頂回油，設(shè)P3為千斤頂回落過程中使球鉸再次發(fā)生微小轉(zhuǎn)動時的頂力，此時可得平衡方程式（6）：

解方程（5）和（6），可得不平衡力矩和摩阻力矩表達(dá)式。

3.3 摩阻系數(shù)及偏心距

根據(jù)相關(guān)理論推導(dǎo)球鉸靜摩阻系數(shù)及轉(zhuǎn)動體偏心距計(jì)算式為：

式中：R為球鉸轉(zhuǎn)盤球面半徑；N為轉(zhuǎn)動梁體重量[4]。

3.4 試驗(yàn)步驟

a）根據(jù)梁體脫架后所處形式確定采用何種方式進(jìn)行稱重，在預(yù)先擬定好位置處水平安放好壓力傳感器和位移傳感器。

b）調(diào)整配套千斤頂和油表到初始位置，注意保持頂升時兩臺千斤頂頂力同步施加，并做好現(xiàn)場同步記錄。

c）千斤頂逐級緩慢加載，保持兩側(cè)頂力平衡，避免橫向不平衡力矩的產(chǎn)生。

d）密切注視位移傳感器的微小變化，直到位移出現(xiàn)較大突變?yōu)橹?；現(xiàn)場整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用筆記本電腦同步匯制荷載-位移變化曲線。

e）根據(jù)試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)代入以上計(jì)算公式，從而得到偏心距、摩阻系數(shù)和不平衡力矩。

f）通過測試結(jié)果，對轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)提出配重方案。

3.5 試驗(yàn)所用儀器設(shè)備

a）400 t油壓千斤頂兩臺，用于施加頂力。

b）應(yīng)變式位移傳感器6支，用于測試球鉸微小轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)豎向位移。

c）壓力傳感器兩臺，主要技術(shù)指標(biāo)：量程5000kN，測試精度1 kN。

d）智能綜合測試儀一臺，用于采集壓力傳感器讀數(shù)，測試精度1 kN。

e）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用日本生產(chǎn)的TDS-530數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于采集應(yīng)變式位移傳感器的信號。

f）筆記本電腦一臺，用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析及配重方案

4.1 稱重試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)梁體脫架完成后，發(fā)現(xiàn)石家莊側(cè)正東方向一處撐腳已與滑道鋼板接觸，說明此時梁體的平衡處于上面所講第二種平衡形式。根據(jù)該狀態(tài)的測試方法，在石家莊側(cè)上承臺底面布置如圖3所示的千斤頂和位移傳感器。

圖3 設(shè)備布置示意圖（單位：m）

通過石家莊側(cè)加載情況下的荷載-位移變化曲線可以看出，P=4 700 kN為荷載-位移變化曲線的拐點(diǎn)，由此判斷出頂升時的臨界力P2=4 700 kN。

在石家莊側(cè)落頂情況下的荷載-位移變化曲線可以看出，P=1 113 kN為荷載-位移變化曲線的拐點(diǎn)，由此判斷出落頂時的臨界力P3=1 113 kN。

圖4 頂升時力與位移關(guān)系曲線

圖5 落頂時力與位移關(guān)系曲線

將表1中計(jì)算參數(shù)按狀態(tài)2分別代入計(jì)算式（7）～式（10）中，可分別求得不平衡力矩、摩阻力矩、摩阻系數(shù)及偏心矩。計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 縱向不平衡力矩、摩阻力矩計(jì)算參數(shù)

表2 縱向不平衡力矩、摩阻力矩、偏心距及靜摩阻系數(shù)

4.2 配重方案

本次配重采用質(zhì)量平衡配重的方法。質(zhì)量平衡配重方案的思路是轉(zhuǎn)動體系在靜力狀態(tài)下保持自身平衡：即根據(jù)稱重試驗(yàn)結(jié)果，通過在T構(gòu)非偏心一側(cè)箱梁頂上配置一定質(zhì)量重物，使配重后新的結(jié)構(gòu)體系重心與球鉸豎向重心相重合，這樣結(jié)構(gòu)體系所有撐腳均不與滑道鋼板接觸，從而撐腳也均不參與受力。此時結(jié)構(gòu)體系的配重量計(jì)算式為：

所需配重=N·e/（懸臂長度－配重距梁端距離）.

該方案最大的優(yōu)點(diǎn)是減小了配重所需重物質(zhì)量，從而也減小了T構(gòu)轉(zhuǎn)體時所需的千斤頂牽引啟動力。此時結(jié)構(gòu)體系重心正好落在球鉸上，可近似看作單點(diǎn)支撐，因此在轉(zhuǎn)動過程中如遇大風(fēng)等惡劣天氣或外力不平衡狀態(tài)時，較易出現(xiàn)梁體的晃動。因此，在轉(zhuǎn)動過程中盡量減小了撐腳與滑道的間隙。按該方案轉(zhuǎn)體梁的配重計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 梁體平衡配重方案

5 結(jié)論

本次橋梁稱重試驗(yàn)過程中，力與位移關(guān)系變化曲線拐點(diǎn)明顯，臨界力確定準(zhǔn)確，為大橋準(zhǔn)確配重成功轉(zhuǎn)體提供了理論和技術(shù)支撐，通過75 min的勻速轉(zhuǎn)動，陽泉市泉西路上跨石太鐵路立交橋順利到達(dá)即定位置，成功跨越石太鐵路線與兩端現(xiàn)澆梁平穩(wěn)對接，為今后同類轉(zhuǎn)體橋梁工程施工積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。