高速公路跨鐵路立交橋連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工不平衡稱重分析

王學彥，秦立朝，譚春騰

(湖南高速鐵路職業(yè)技術學院，湖南衡陽 421002 )

1 工程概況

利川至萬州高速公路跨滬蓉鐵路立交橋位于利川市涼霧鄉(xiāng)旗桿村彭家院子附近，樞紐互通A匝道和B匝道并行，在公路里程AK1+186.894處與滬渝高速交叉，在公路里程AK1+270.26處與滬蓉鐵路交叉，順設計線方向滬渝高速公路路邊至鐵路下行線距離為72 m。橋位處公路路線為直線，與鐵路的交角為73 °。

考慮到工程施工對既有鐵路運營的影響，A、B匝道跨鐵路主跨采用(44+33) mT型剛構(gòu)，采用轉(zhuǎn)體法施工，A、B匝道T構(gòu)在鐵路的兩側(cè)分別預制，分兩次要點進行轉(zhuǎn)體施工，兩座橋轉(zhuǎn)體角度均為73 °，轉(zhuǎn)體方向均為順時針，轉(zhuǎn)體重量為7 600 t和7 400 t。轉(zhuǎn)體完成后，支架現(xiàn)澆另一孔33 m，與轉(zhuǎn)體箱梁連接成為連續(xù)梁。新建立交橋梁底至鐵路軌頂凈空最小為12 m，滿足8.20 m要求。

連續(xù)梁T構(gòu)部分為預應力混凝土變高度箱梁，箱梁采用單箱雙室直腹板箱型截面，根部高4.5 m，端部高2.5 m，梁底線形按二次拋物線變化。箱梁頂板寬15.1 m，底板寬10 m，兩側(cè)懸臂板長各2.55 m，懸臂板端部厚20 cm，根部厚60 cm；箱梁體頂、底板傾斜形成橋面橫坡。采用支架現(xiàn)澆后轉(zhuǎn)體施工[1]。

連續(xù)梁現(xiàn)澆部分為預應力混凝土等高度箱梁，箱梁采用單箱雙室直腹板箱型截面，梁高2.5 m。箱梁頂板寬15.1 m，底板寬10 m，兩側(cè)懸臂板長各2.55 m，懸臂板端部厚20 cm，根部厚60 cm；箱梁體頂、底板傾斜形成橋面橫坡。采用支架現(xiàn)澆。鋼球鉸直徑為φ3 500 mm，厚度為40 mm，分上下兩片。是平轉(zhuǎn)法施工的轉(zhuǎn)動體系，而轉(zhuǎn)動體系的核心是轉(zhuǎn)動球鉸，它是轉(zhuǎn)體施工的關鍵結(jié)構(gòu)，制作及安裝精度要求很高，必須精心制作，精心安裝。

為抵抗轉(zhuǎn)體過程中的不平衡力矩，在轉(zhuǎn)臺和滑道間對稱均勻的設置八組撐腳。在撐腳下方的下轉(zhuǎn)盤頂面設置1.1 m寬的環(huán)形滑道，滑道中心線半徑3.8 m，轉(zhuǎn)體時撐腳在滑道頂面滑動，以保持轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平穩(wěn)。為保證轉(zhuǎn)體的順利實施，要求滑道面在同一水平面內(nèi)，其相對高差不大于2 mm，同時為減小轉(zhuǎn)體過程中的滑動摩阻力，在滑道面板鋪設一層4 mm厚的四氟乙烯滑板。

連續(xù)T構(gòu)梁(33 m+44 m)位于大橋A2(B2)#至A4(B4)#墩上，T構(gòu)梁主墩為A3(B3)#墩。T形剛構(gòu)梁采用平面轉(zhuǎn)體施工，沿鐵路方向在支架上現(xiàn)澆，在第一層承臺與第二層承臺間設置轉(zhuǎn)盤，T構(gòu)通過連續(xù)千斤頂牽引裝置逆時針轉(zhuǎn)向73 °到設計位置后進行永久固結(jié)，轉(zhuǎn)體重量約為7 600(7 400) t。轉(zhuǎn)體完成后，支架現(xiàn)澆另一孔33 m，與轉(zhuǎn)體箱梁連接成為連續(xù)梁。

2 平衡稱重目的與內(nèi)容

轉(zhuǎn)體施工的關鍵構(gòu)件就是承載整個轉(zhuǎn)動體重量的轉(zhuǎn)動球鉸，而轉(zhuǎn)動球鉸摩擦系數(shù)的大小直接影響著轉(zhuǎn)體時所需牽引力矩的大小。轉(zhuǎn)體橋梁在橋梁縱軸線的豎平面內(nèi)，由于球鉸體系的制作誤差、梁體質(zhì)量分布差異以及預應力張拉程度差異，可能導致橋墩兩側(cè)懸臂梁段質(zhì)量分布不同以及剛度不同，從而產(chǎn)生不平衡力矩。在施工支架完全拆除后及橋梁轉(zhuǎn)體過程中，轉(zhuǎn)動體的配重平衡對施工過程的安全性起著至關重要的作用。

因此，為了保證橋梁轉(zhuǎn)體的順利進行，及時為大橋轉(zhuǎn)體階段的指揮和決策提供依據(jù)，有必要在轉(zhuǎn)體前進行轉(zhuǎn)動體稱重試驗[3]，測試轉(zhuǎn)動體的不平衡力矩、偏心距、摩阻力矩及靜摩擦系數(shù)，并按橋梁轉(zhuǎn)體的要求進行配重。本試驗在施工支架完全拆除后、轉(zhuǎn)體之前進行，測試內(nèi)容主要包括：

(1)轉(zhuǎn)動體部分的縱向不平衡力矩和縱向偏心距；

(2)轉(zhuǎn)體球鉸的摩阻力矩及靜摩擦系數(shù)；

(3)完成轉(zhuǎn)體梁的配重方案。

3 試驗原理

稱重試驗假設梁體可以繞球鉸發(fā)生剛體轉(zhuǎn)動，通過對梁體施加轉(zhuǎn)動力矩，并測試球鉸的切向轉(zhuǎn)動位移，得到二者的關系曲線，當位移發(fā)生突變時，所對應的狀態(tài)為靜摩擦與動摩擦的臨界狀態(tài)。因為轉(zhuǎn)動力矩與豎向頂力，切向轉(zhuǎn)動位移與豎向位移之間存在固定的比例關系，因此，可以直接繪制頂力-位移曲線，找出臨界點。

3.1 球鉸摩阻力矩和轉(zhuǎn)動體不平衡力矩計算

當脫架完成后，整個梁體的平衡狀況可能出現(xiàn)下列兩種形式：(l)轉(zhuǎn)動體球鉸摩阻力矩(MZ)大于轉(zhuǎn)動體不平衡力矩(MG)。此時，梁體不發(fā)生繞球鉸的剛體轉(zhuǎn)動，體系的平衡由球鉸摩阻力矩和轉(zhuǎn)動體不平衡力矩所保持；(2)轉(zhuǎn)動體球鉸摩阻力矩(MZ)小于轉(zhuǎn)動體不平衡力矩(MG)。

此時，梁體發(fā)生繞球鉸的剛體轉(zhuǎn)動，直到撐腳參與工作，體系的平衡由球鉸摩阻力矩、轉(zhuǎn)動體不平衡力矩和撐腳對球心的力矩所保持。本橋由于采用左右不對稱結(jié)構(gòu)，所有只需考慮轉(zhuǎn)動體球鉸摩阻力矩(MZ)小于轉(zhuǎn)動體不平衡力矩(MG)這一情況。

設轉(zhuǎn)動體重心偏向北側(cè)，此時，只能在北側(cè)承臺實施頂力P2(圖1)，當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)動的瞬間，有：

P2·L2=MG+MZ

(1)

當頂升到位(球鉸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動)后，使千斤頂回落，設P2′為千斤頂逐漸回落過程中球鉸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動時的力，則有：

P2′·L2=MG-MZ

(2)

聯(lián)立式(1)、式(2)得

(3)

(4)

圖1 梁體的平衡狀態(tài)

3.2 球鉸靜摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)動體偏心矩計算

稱重試驗時，轉(zhuǎn)動體球鉸在沿梁軸線的豎平面內(nèi)發(fā)生逆時針、順時針方向微小轉(zhuǎn)動，即微小角度的豎轉(zhuǎn)。摩阻力矩為摩擦面每個微面積上的摩擦力對過球鉸中心豎轉(zhuǎn)法線的力矩之和(圖2)。

圖2 摩擦系數(shù)計算

由圖2可得：

所以：

(5)

(6)

式中:R為球鉸中心轉(zhuǎn)盤球面半徑；N為轉(zhuǎn)體重量。

也可按下式計算復核：

μ=3M/2RG

式中：μ為摩擦系數(shù)；M為轉(zhuǎn)動力矩(kN·m);R為球鉸平面半徑(m);G為轉(zhuǎn)臺總重量(kN)。

設計靜摩擦系數(shù)為0.1，動摩擦系數(shù)為0.06，若測出的摩擦系數(shù)較設計出入較大，應分析查找原因，并做出相應地處理。

3.3 配重計算

配重的目的是使轉(zhuǎn)動體達到平衡狀態(tài)，提高轉(zhuǎn)體過程的穩(wěn)定性。常用的配重方案有兩種：(1)梁體絕對平衡配重方案；(2)梁體縱向傾斜配重方案。絕對平衡配重對轉(zhuǎn)體的平穩(wěn)反而不利，目前一般采用第(2)種方案。

該配重方案的思路是：在轉(zhuǎn)體過程中轉(zhuǎn)體梁應在梁軸線方向略呈傾斜態(tài)勢，即梁軸線上橋墩一側(cè)的撐腳落下接觸滑道，另一側(cè)的撐腳抬起離開滑道。這樣做的好處：使轉(zhuǎn)動體形成兩點豎向支承，增加了轉(zhuǎn)動體在轉(zhuǎn)動過程中豎平面內(nèi)的穩(wěn)定性。配重可按下式計算：

(7)

配重后偏心距

(8)

為了保證配重卸載的安全，配重應設置在非跨鐵路孔一側(cè)，配重的大小應保證配重后的偏心距滿足5cm≤e≤15cm的要求[2]。

4 平衡稱重分析方法

4.1 測點布置

本項目的轉(zhuǎn)體平面布置如圖3所示，該橋轉(zhuǎn)體73 °。

圖3 梁位平面

4.1.1 千斤頂布置

千斤頂數(shù)量估算：轉(zhuǎn)體梁重按7 600t估算，球鉸轉(zhuǎn)動半徑4.2m，千斤頂距中心距離約為3.65m，靜摩阻系數(shù)按0.1考慮，則千斤頂頂力=0.1×7600×4.2/3.65=875t，考慮一定的富裕量，需要600t千斤頂2臺。

4.1.2 位移傳感器布置

在千斤頂對側(cè)撐腳處設置應變式位移傳感器(圖4)。

4.2 測試設備及性能

(1)位移傳感器：量程50mm的機電百分表4個，精度1/100mm。(2)位移采集系統(tǒng)：采用東華測試技術有限公司生產(chǎn)的DH3817靜動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣頻率200Hz；單機8通道。(3)數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)：采用DH3817專用的數(shù)據(jù)處理軟件。該軟件包能實現(xiàn)本次測試中相關數(shù)據(jù)的處理及分析，并能做到實時處理。(4)壓力傳感器：長沙金碼生產(chǎn)的JMZX-3360AT六弦智能型壓力傳感器1臺，量程6 000kN，精度1kN。(5)壓力采集系統(tǒng)：長沙金碼JMZX-3006智能綜合測試儀1臺。(6)聯(lián)想筆記本電腦1臺。所需要的主要儀器設備及數(shù)量如表1所示。

(a)平面圖 (b)立面圖

表1 主要儀器設備及規(guī)格

4.3 試驗步驟

4.3.1 判斷轉(zhuǎn)體平衡狀態(tài)

逐步解除臨時固結(jié)措施過程中，在撐腳處布置位移傳感器(圖5)。測試步驟：

(1)兩幅梁施工完成后，布置傳感器，讀取初讀數(shù)。(2)清理撐腳及滑道，逐步對稱解除支座處的臨時支撐(砂箱)，進行連續(xù)測量，并觀察撐腳是否隨砂箱拆除連續(xù)向一側(cè)下沉。判斷轉(zhuǎn)體體系的平衡狀態(tài)[4]。

(a)平面圖 (b)立面圖

4.3.2 稱重步驟

(1)在選定斷面處安裝位移傳感器和千斤頂。(2)調(diào)整千斤頂，使所有頂升千斤頂處于設定的初始頂壓狀態(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)繪制出P-Δ曲線，判斷臨界力(同樣試驗重復兩次)。(5)移動設備至另一側(cè)，重復以上試驗。(6)計算確定不平衡力矩、摩阻力矩、摩阻系數(shù)、偏心距。(7)按梁體縱向傾斜配重方案，計算配重重量、位置及配重后的偏心距。(8)出具供鐵路有關部門審批用的轉(zhuǎn)體梁稱重配重試驗報告。

5 結(jié)束語

在梁橋轉(zhuǎn)體的施工過程中，特別是轉(zhuǎn)體重量較大的橋梁，轉(zhuǎn)體T構(gòu)兩側(cè)的結(jié)構(gòu)不對稱，混凝土澆筑和球鉸安裝中的誤差，使得梁體內(nèi)存在不平衡力矩。通過稱重試驗，可以確定T構(gòu)的偏心力矩和摩擦系數(shù)，保證轉(zhuǎn)動平穩(wěn)、安全。這些參數(shù)是非常重要的。因此，有必要在轉(zhuǎn)彎前對轉(zhuǎn)子進行稱重，以保證轉(zhuǎn)動的安全性。