溫家窯跨京包鐵路特大橋連續(xù)梁轉(zhuǎn)體前平衡稱重及配重技術(shù)

張偉剛

摘要：在轉(zhuǎn)體施作前，準(zhǔn)確進(jìn)行梁體不平衡稱重，及稱重結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的配重是確保轉(zhuǎn)體順利安全進(jìn)行的根本保證，本文依托于新建大張高速鐵路溫家窯跨京包鐵路特大橋連續(xù)梁跨越京包鐵路上下行線時(shí)轉(zhuǎn)體施工的施工實(shí)踐，詳細(xì)闡述了連續(xù)梁轉(zhuǎn)體時(shí)稱重及配重的方法，為同類施工提供了參考數(shù)據(jù)。

Abstract： Before the operation of the swivel， accurate beam imbalance weighing and corresponding counterweight of weighing results are the fundamental guarantee for the smooth and safe operation of the swivel. Based on the construction practice of swivel construction extra-large bridge of Wenjiayao crossing Jingbao Railway， this paper expatiates the method of weighing and counterweight in the swivel of continuous beam， to provide the reference data for the similar construction.

關(guān)鍵詞：高鐵橋梁；連續(xù)梁；轉(zhuǎn)體；稱重；配重

Key words： high-speed bridge；continuous beam；swivel；weighing；counterweight

中圖分類號(hào)：U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）01-0117-05

0 引言

連續(xù)梁的轉(zhuǎn)體作為一種新技術(shù)，很好地解決了因條件受限，而不能采用支架現(xiàn)澆及掛籃懸澆連續(xù)梁的問(wèn)題。但轉(zhuǎn)體施工時(shí)需確保轉(zhuǎn)體兩側(cè)懸臂的梁體相對(duì)轉(zhuǎn)體中心而言處于一定的平衡狀態(tài)，即確保兩端重力作用于轉(zhuǎn)軸處的力矩平衡。連續(xù)梁在施工時(shí)，其各部位尺寸不可能與設(shè)計(jì)完全相同，故無(wú)法按設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行兩側(cè)平衡力矩的計(jì)算。故需要采取措施及方法，對(duì)連續(xù)梁的梁體進(jìn)行稱重，得出兩端不平衡力矩之差和重心偏移量，然后采取配重措施，將梁體重心調(diào)整至施工所需適宜位置，同時(shí)通過(guò)稱重以獲知球絞摩擦系數(shù)和摩阻力矩，為轉(zhuǎn)體方案的制定及實(shí)施提供決策依據(jù)。本文通過(guò)大張高速鐵路溫家窯特大橋主跨連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工時(shí)的稱重試驗(yàn)及配重措施作了闡述，以期給其它轉(zhuǎn)體工程的施工提供有益的參考經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

新建大張高速鐵路溫家窯特大橋連續(xù)梁位于DK73+693.3～DK73+870.80處，采用（48+80+48）m懸臂現(xiàn)澆+轉(zhuǎn)體預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁跨越京包鐵路上下行線，主跨與既有京包線天鎮(zhèn)至永嘉堡間上行線（K274+877.84）相交，下行線（K274+902.19）相交，呈42°夾角。

該橋靠自身重量平衡轉(zhuǎn)體，跨度大，兩側(cè)懸臂長(zhǎng)各39m，轉(zhuǎn)體總重量約為47000kN，轉(zhuǎn)動(dòng)體系為鋼球絞與撐腳滑道體系，上轉(zhuǎn)盤預(yù)設(shè)牽引索。

2 稱重試驗(yàn)的目的

連續(xù)梁澆筑完成后，由于球鉸制造安裝水平及豎向誤差、梁體尺寸差異及張拉程度差別等的存在，導(dǎo)致連續(xù)梁兩端相于球絞中心產(chǎn)生的力矩存在不平衡，存在梁體傾覆的安全隱患。為此，需對(duì)梁體進(jìn)行稱重，以獲知兩端不不平衡力矩、偏心矩、摩阻力矩及球絞靜摩擦系數(shù)。

3 稱重試驗(yàn)的實(shí)施方法

3.1 稱重試驗(yàn)的原理

稱重試驗(yàn)假設(shè)梁體可以繞球鉸發(fā)生剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，施加轉(zhuǎn)動(dòng)力矩在梁體上，并測(cè)試球鉸的切向轉(zhuǎn)動(dòng)位移，得到二者的關(guān)系曲線，當(dāng)位移發(fā)生突變時(shí)，所對(duì)應(yīng)的狀態(tài)為靜摩擦與動(dòng)摩擦的臨界狀態(tài)，因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)力矩與豎向頂力，切向轉(zhuǎn)動(dòng)位移與豎向位移之間存在固定的比例關(guān)系，因此，可以直接繪制頂力-位移曲線，找出臨界點(diǎn)。

3.1.1 球鉸摩阻力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)體不平衡力矩計(jì)算

當(dāng)梁體現(xiàn)澆拆除后，連續(xù)梁處于以下兩種可能的狀態(tài)下。

整個(gè)梁體的平衡表現(xiàn)為兩種形式之一，見圖1、圖2、圖3。①轉(zhuǎn)動(dòng)體球鉸摩阻力矩（Mz）大于轉(zhuǎn)動(dòng)體不平衡力矩（MG）。此時(shí)，梁體不發(fā)生繞球鉸的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，體系的平衡由球鉸摩阻力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)體不平衡力矩所保持；②轉(zhuǎn)動(dòng)體球鉸摩阻力矩（Mz）小于轉(zhuǎn)動(dòng)體不平衡力矩（MG）。此時(shí)，梁體發(fā)生繞球鉸的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，直到撐腳參與工作，體系的平衡由球鉸摩阻力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)體不平衡力矩和撐腳對(duì)球心的力矩所保持。

由于隨著平衡狀態(tài)的變化，適宜的轉(zhuǎn)體參數(shù)的測(cè)試方式也是不同的，所以確定轉(zhuǎn)體體系的平衡姿態(tài)至關(guān)重要。

①轉(zhuǎn)動(dòng)體球鉸摩阻力矩大于轉(zhuǎn)動(dòng)體不平衡力矩。

設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)體重心偏向大里程一側(cè)，在小里程一側(cè)承臺(tái)實(shí)施頂力P1（見圖1）。當(dāng)頂力P1逐漸增加到使球鉸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬間，有：P1·L1+MG=MZ （1）

設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)體重心偏向大里程一側(cè)，在大里程一側(cè)承臺(tái)實(shí)施頂力P2（見圖2）。當(dāng)頂力P2逐漸增加到使球鉸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬間，有：P2·L2+MG=MZ （2）

解方程（1）和（2），得到：

不平衡力矩：MG=

摩阻力矩：MZ=

②轉(zhuǎn)動(dòng)體球鉸摩阻力矩小于轉(zhuǎn)動(dòng)體不平衡力矩。

設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)體重心偏向大里程一側(cè)，此種情況下，只能在大里程一側(cè)承臺(tái)實(shí)施頂力P2（見圖3）。當(dāng)頂力P2（由撐腳離地的瞬間算起）逐漸增加到使球鉸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬間，有：P2·L2=MG+MZ （3）

當(dāng)頂升到位（球鉸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)）后，使千斤頂回落，設(shè)為千斤頂逐漸回落過(guò)程中球鉸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的力，則

P'2·L2=MG-MZ （4）endprint

解方程（3）和（4），得到：

不平衡力矩：MG=

摩阻力矩：MZ=

3.1.2 摩阻系數(shù)及偏心距

轉(zhuǎn)動(dòng)體球鉸靜摩擦系數(shù)的分析計(jì)算稱重試驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)體球鉸在沿梁軸線的豎平面內(nèi)會(huì)出現(xiàn)微小角度的豎轉(zhuǎn)，具體來(lái)說(shuō)就是發(fā)生逆時(shí)針、順時(shí)針方向微小轉(zhuǎn)動(dòng)。摩擦面每個(gè)微面積上的摩擦力對(duì)過(guò)球鉸中心豎轉(zhuǎn)法線的力矩之和即為摩阻力矩。

球鉸靜摩阻系數(shù)：μ=

轉(zhuǎn)動(dòng)體偏心距：e=

式中，N表示轉(zhuǎn)體重量；R表示球鉸中心轉(zhuǎn)盤球面半徑。

3.2 稱重測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)設(shè)數(shù)據(jù)處理

完成兩幅梁施工后，觀察撐腳。若觀察中發(fā)現(xiàn)全部的撐腳都沒有和滑道鋼板接觸，那么表明兩幅梁的平衡處于“轉(zhuǎn)動(dòng)體球鉸摩阻力矩大于轉(zhuǎn)動(dòng)體不平衡力矩”的狀態(tài)，即狀態(tài)①。根據(jù)該狀態(tài)的測(cè)試方法，在兩幅梁上轉(zhuǎn)盤頂面布置千斤頂和位移傳感器，實(shí)施兩幅梁的不平衡力矩、摩阻力矩測(cè)試，以便確定出實(shí)際偏心距、摩阻系數(shù)，為安全、平穩(wěn)的轉(zhuǎn)體實(shí)施方案提供依據(jù)。

千斤頂數(shù)量估算：轉(zhuǎn)動(dòng)體重按4610t估算，球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)半徑6.0m，千斤頂距中心距離約為4.65m，靜摩阻系數(shù)根據(jù)實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，一般為0.03～0.06，取0.05，則千斤頂頂力=0.05×4610×6.0/4.65=297.4t，考慮一定的富裕量，準(zhǔn)備460t千斤頂2臺(tái)。千斤頂布置如圖4所示。

為監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)體拆除臨時(shí)固結(jié)時(shí)的偏心情況，在下轉(zhuǎn)盤四周均勻布置8個(gè)百分表，如圖4所示。

■

3.3 測(cè)試設(shè)備及性能

①位移傳感器：量程50mm的百分表8個(gè)，精度0.01

mm。②壓力傳感器：長(zhǎng)沙金碼生產(chǎn)的智能型壓力傳感器2臺(tái)，最大量程5000kN，精度1kN。③壓力采集系統(tǒng)：長(zhǎng)沙金碼智能綜合測(cè)試儀1臺(tái)。④筆記本電腦1臺(tái)。⑤數(shù)碼相機(jī)1臺(tái)。

所需要的主要儀器設(shè)備及數(shù)量如表1所示。

3.4 試驗(yàn)步驟

3.4.1 判斷轉(zhuǎn)體平衡狀態(tài)

逐步解除臨時(shí)固結(jié)措施期間，如圖3所示，在下轉(zhuǎn)盤四周布置位移傳感器，測(cè)試步驟：①完成兩幅梁施工后，布置傳感器，讀取初讀數(shù)。②撐腳及滑道進(jìn)行清理，慢慢對(duì)稱解除支座的臨時(shí)支撐，進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，通過(guò)觀察撐腳是否異常判斷轉(zhuǎn)體體系的平衡狀態(tài)。

3.4.2 稱重步驟

①將位移傳感器和千斤頂安裝在選定斷面處；②調(diào)整千斤頂，使所有頂升千斤頂處于設(shè)定的初始預(yù)壓狀態(tài)，記錄壓力傳感器及位移傳感器讀數(shù)；③千斤頂逐級(jí)加力，記錄位移傳感器和壓力傳感器數(shù)值，直到位移出現(xiàn)突變；④繪制P-△曲線，判斷臨界力（同樣試驗(yàn)重復(fù)兩次）；⑤移動(dòng)設(shè)備至另一側(cè)，重復(fù)以上試驗(yàn)；⑥計(jì)算確定不平衡力矩、摩阻力矩、摩阻系數(shù)、偏心矩；⑦按梁體縱向傾斜配重方案，計(jì)算配重重量、位置及配重后的偏心矩。

3.5 測(cè)試結(jié)果分析及處理

3.5.1 27號(hào)墩轉(zhuǎn)動(dòng)體稱重試驗(yàn)結(jié)果

稱重試驗(yàn)前對(duì)27號(hào)墩轉(zhuǎn)動(dòng)體進(jìn)行理論偏心計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明27號(hào)墩轉(zhuǎn)動(dòng)體配重前縱橋向不平衡力矩1231.6t.m（向中跨偏心）?？紤]到卸砂箱時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)體的安全，稱重試驗(yàn)前在邊跨側(cè)距梁端4m位置放置36.8t試塊作為配重。

為判斷卸砂箱時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)體的平衡狀態(tài)，在下轉(zhuǎn)盤四周均勻布置8個(gè)百分表，百分表編號(hào)如圖5所示。砂箱卸載前后百分表讀數(shù)如表2所示。

由表2轉(zhuǎn)動(dòng)體砂箱卸載前后百分表讀數(shù)值可以判斷，27號(hào)墩轉(zhuǎn)動(dòng)體向中跨方向偏心，但撐腳沒有接觸到滑道，說(shuō)明轉(zhuǎn)動(dòng)體不平衡力矩小于摩阻力矩。

由于27號(hào)墩轉(zhuǎn)動(dòng)體卸載后沒有出現(xiàn)撐腳接觸滑道的情況，根據(jù)試驗(yàn)方案對(duì)其進(jìn)行了稱重試驗(yàn)，千斤頂和百分表編號(hào)如圖5所示，試驗(yàn)頂升力與位移測(cè)試結(jié)果如表3、表4、圖6、圖7所示。

根據(jù)表3、表4、圖6、圖7可知，中跨方向施加頂力時(shí)，當(dāng)頂力為2400kN時(shí)，3#百分表位移出現(xiàn)拐點(diǎn)；邊跨方向施加頂力時(shí)，當(dāng)頂力為2300kN時(shí)，1#百分表位移出現(xiàn)拐點(diǎn)。

由以上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到27號(hào)墩轉(zhuǎn)動(dòng)體摩阻力矩、靜摩阻系數(shù)、偏心距、不平衡力矩、配重等參數(shù)如表5所示。

3.5.2 28號(hào)墩轉(zhuǎn)動(dòng)體稱重試驗(yàn)結(jié)果

在稱重試驗(yàn)前對(duì)28號(hào)墩轉(zhuǎn)動(dòng)體進(jìn)行了理論偏心計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明28號(hào)墩轉(zhuǎn)動(dòng)體配重前縱橋向不平衡力矩1082.4t.m （向中跨偏心）。考慮到卸砂箱時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)體的安全，稱重試驗(yàn)前在邊跨側(cè)距梁端4m位置放置32.2t試塊作為配重。

為判斷卸砂箱時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)體的平衡狀態(tài)，在下轉(zhuǎn)盤四周均勻布置8個(gè)百分表，百分表編號(hào)如圖8所示。砂箱卸載前后百分表讀數(shù)如表6所示。

由表6轉(zhuǎn)動(dòng)體砂箱卸載前后百分表讀數(shù)值可以判斷，28號(hào)墩轉(zhuǎn)動(dòng)體向邊跨方向偏心，但撐腳沒有接觸到滑道，說(shuō)明轉(zhuǎn)動(dòng)體不平衡力矩小于摩阻力矩。

由于28號(hào)墩轉(zhuǎn)動(dòng)體卸載后沒有出現(xiàn)撐腳接觸滑道的情況，根據(jù)試驗(yàn)方案對(duì)其進(jìn)行了稱重試驗(yàn)，千斤頂和百分表編號(hào)如圖8所示，試驗(yàn)頂升力與位移測(cè)試結(jié)果如表7、表8、圖9、圖10所示。

根據(jù)表7、表8、圖9、圖10可知，邊跨方向施加頂力時(shí)，當(dāng)頂力為3400kN時(shí)，3#百分表位移出現(xiàn)拐點(diǎn)；中跨方向施加頂力時(shí)，當(dāng)頂力為2800kN時(shí)，1#百分表位移出現(xiàn)拐點(diǎn)。

由以上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到28號(hào)墩轉(zhuǎn)動(dòng)體摩阻力矩、不平衡力矩、偏心距、靜摩阻系數(shù)、配重等參數(shù)如表9所示。

4 結(jié)論

溫家窯跨京包鐵路特大橋（48+80+48）m連續(xù)梁27號(hào)墩、28號(hào)墩轉(zhuǎn)動(dòng)體稱重試驗(yàn)2017年8月2～4日完成了現(xiàn)場(chǎng)稱重、配重工作，結(jié)論為：

①27號(hào)墩轉(zhuǎn)動(dòng)體稱重試驗(yàn)前，在邊跨方向距梁端4m預(yù)配重36.8t。經(jīng)稱重試驗(yàn)得轉(zhuǎn)動(dòng)體縱向不平衡彎矩為23.25t.m，摩阻力矩為1092.75t.m，靜摩阻系數(shù)為0.041，縱向偏心距0.005m（向中跨偏心）。處于安全考慮，偏心偏向中跨后，萬(wàn)一發(fā)生傾覆，梁體極有可能傾覆到京包線上，影響京包鐵路的安全運(yùn)營(yíng)，因此需要進(jìn)行二次配重，使27號(hào)墩偏心距偏向邊跨方向。最終二次配重6.9t，配重后縱向偏心距為0.05m（向邊跨偏心）。根據(jù)《高速鐵路橋涵工程施工技術(shù)規(guī)程》（Q/CR 9603-2015）的規(guī)定，要求轉(zhuǎn)體梁的偏心距處于5～15cm之間。因此27號(hào)墩稱重結(jié)果滿足規(guī)范要求！

②28號(hào)墩轉(zhuǎn)動(dòng)體稱重試驗(yàn)前，在邊跨方向距梁端4m預(yù)配重32.2t。經(jīng)稱重試驗(yàn)得轉(zhuǎn)動(dòng)體縱向不平衡彎矩為139.5t.m，摩阻力矩為1441.5t.m，靜摩阻系數(shù)為0.053，縱向偏心距0.030m（向邊跨偏心）。二次配重4.6t，配重后縱向偏心距為0.06m（向邊跨偏心）。根據(jù)《高速鐵路橋涵工程施工技術(shù)規(guī)程》（Q/CR 9603-2015）的規(guī)定，要求轉(zhuǎn)體梁的偏心距處于0.05～0.15m之間。因此28號(hào)墩稱重結(jié)果滿足規(guī)范要求！

5 結(jié)束語(yǔ)

采用球絞法進(jìn)行稱重，不僅能夠獲得轉(zhuǎn)動(dòng)體的不平衡力矩，還獲得了球絞的摩擦系數(shù)及摩阻力矩等，為轉(zhuǎn)動(dòng)體的牽引力計(jì)算及牽引設(shè)備的配備方案提供了依據(jù)，達(dá)到事半功倍的效果。施工實(shí)踐表明，采用球絞轉(zhuǎn)動(dòng)法測(cè)設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)體不平衡力矩的結(jié)果是合理可靠的，確保了轉(zhuǎn)體施工的順利進(jìn)行，在施工中具有較大的推廣運(yùn)用價(jià)值。

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