不平衡稱重試驗(yàn)及配重技術(shù)在橋梁水平轉(zhuǎn)體施工中的應(yīng)用

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(中鐵十六局集團(tuán)第二工程有限公司，天津 300162)

天津市四緯路工程是天津市濱海新區(qū)(漢沽區(qū))通往天津市濱海北站的一條重要的橫向主干道。該工程中重難點(diǎn)工程為長(zhǎng)2 m×73 m，寬32 m，旋轉(zhuǎn)重量1.6萬t T型剛構(gòu)轉(zhuǎn)體橋。該橋跨天津至山海關(guān)繁忙鐵路客運(yùn)干線——津山線，津山鐵路為上下行兩股電氣化客運(yùn)鐵路線。

該工程轉(zhuǎn)體橋與津山鐵路呈46°夾角，單箱三室結(jié)構(gòu)，沿津山鐵路平行方向在鐵路一側(cè)接觸網(wǎng)外進(jìn)行支架現(xiàn)澆。箱梁張拉壓漿后拆除支架，進(jìn)行稱配重試驗(yàn)，試轉(zhuǎn)、正式轉(zhuǎn)體，合攏就位通車。轉(zhuǎn)體法施工箱梁預(yù)制階段對(duì)鐵路影響小。

1 稱重試驗(yàn)的意義及目的

通常，平轉(zhuǎn)法施工是最常見的一種轉(zhuǎn)體方法。通過稱重試驗(yàn)可推算出現(xiàn)階段梁體重心位置，通過對(duì)旋轉(zhuǎn)體配重可重新調(diào)整旋轉(zhuǎn)重心至既定位置，可有效提高轉(zhuǎn)體過程中的安全問題。

轉(zhuǎn)體施工的核心技術(shù)是轉(zhuǎn)動(dòng)支座，轉(zhuǎn)動(dòng)支座的制作安裝精度直接影響旋轉(zhuǎn)過程的穩(wěn)定性。該支座由一種可旋轉(zhuǎn)的上下球鉸結(jié)合而成，往往在廠家組合完成。由于設(shè)計(jì)和施工誤差等客觀因素的存在，旋轉(zhuǎn)的重心位置不可能絕對(duì)位于轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸線上，旋轉(zhuǎn)過程如果出現(xiàn)嚴(yán)重偏心，不僅會(huì)大大增大千斤頂牽引拉力，還可能嚴(yán)重威脅工程的質(zhì)量和安全，稱重試驗(yàn)意義重大。

該文圍繞該橋梁的結(jié)構(gòu)及施工特點(diǎn)，通過稱重試驗(yàn)確定各項(xiàng)參數(shù)(摩阻系數(shù)、不平衡力矩、轉(zhuǎn)體配重、轉(zhuǎn)體偏心控制等參數(shù))，通過對(duì)參數(shù)研究保證梁體旋轉(zhuǎn)階段的整體安全穩(wěn)定，完善橋梁水平轉(zhuǎn)體施工方法。

2 稱重試驗(yàn)原理及方法

臨近既有運(yùn)營(yíng)鐵路施工，安全要求高，橋梁轉(zhuǎn)體必須保證過程平穩(wěn)安全。當(dāng)箱梁支架拆除后梁體成懸臂狀態(tài)，轉(zhuǎn)體的不平衡力矩及旋轉(zhuǎn)支座的摩阻力矩共同作用成為平衡體系。通過稱重試驗(yàn)可以測(cè)定轉(zhuǎn)動(dòng)體部分的相關(guān)參數(shù)，通過這些參數(shù)(縱橫橋向不平衡力矩、縱橫向偏心距、支座的摩阻力矩及摩擦系數(shù)等)確定配重量大小，通過配重可將梁體轉(zhuǎn)動(dòng)的中心位置調(diào)整至允許的合適位置后再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)就位。

采用千斤頂頂落過程促使支座轉(zhuǎn)動(dòng)來測(cè)試旋轉(zhuǎn)體的不平衡力矩，方法簡(jiǎn)單，效果明確。由于不考慮橋梁撓度影響，采用測(cè)試剛體位移突然變化的臨界狀態(tài)，確定各項(xiàng)參數(shù)。

當(dāng)支架拆除后，梁體出現(xiàn)兩種情況:一是摩阻力矩(MZ)≥不平衡力矩(MG)。此時(shí)在支座的摩阻力矩和不平衡力矩的共同作用下保持平衡狀態(tài)，橋梁并不轉(zhuǎn)動(dòng)。

假設(shè)旋轉(zhuǎn)體的中心偏向橋梁小里程的一側(cè)，應(yīng)分別在大里程和小里程兩個(gè)方向分等級(jí)起頂，若同時(shí)觀察到百分表位移值突然增大，即達(dá)到臨界狀態(tài)，此時(shí)摩阻力矩、不平衡力矩、千斤頂力矩三者平衡。

此時(shí)分別有

P1·L1+MG=MZP2·L2=MG+MZ

聯(lián)立兩式可得

MG=(P2·L2-P1·L1)/2MZ=(P1·L1+P2·L2)/2

若MG是正數(shù)，則說明不平衡力矩方向與假設(shè)相同(偏向橋梁小里程的一側(cè))，若MG是負(fù)數(shù)，則說明不平衡力矩方向與假設(shè)相同相反(偏向橋梁大里程的一側(cè))。

二是摩阻力矩(MZ)<不平衡力矩(MG)，梁體會(huì)繞旋轉(zhuǎn)支座旋轉(zhuǎn)，當(dāng)撐腳與滑道鋼板一旦接觸，轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)束。轉(zhuǎn)動(dòng)體系的平衡由3部分(摩阻力矩、不平衡力矩和鋼撐腳對(duì)支座中心的力矩)組成。

假設(shè)拆除砂箱后位于小里程一側(cè)的撐腳先落地，則旋轉(zhuǎn)中心偏向小里程一側(cè)，則需要在小里程側(cè)分別進(jìn)行起頂和落頂操作，同時(shí)觀察到起頂和落頂過程中百分表位移值出現(xiàn)突然增大時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)，此時(shí)狀態(tài)千斤頂力矩、摩阻力矩、不平衡力矩三者趨于平衡。

此時(shí)分別有

P升·L=MG+MZ；P落·L+MZ=MG

聯(lián)立兩式可得

MG=(P升·L+P落·L)/2;MZ=(P升·L-P落·L)/2

砂箱拆除之后確定稱重方式。

3 試驗(yàn)內(nèi)容

稱重試驗(yàn)內(nèi)容：主要測(cè)試相關(guān)參數(shù)(旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的偏心距、不平衡力矩、摩阻系數(shù)及摩阻力矩)并將結(jié)果和理論計(jì)算值進(jìn)行比較。明確是否需要配重，以保證旋轉(zhuǎn)過程安全進(jìn)行和精確合攏。

該試驗(yàn)要求在橋梁試轉(zhuǎn)前進(jìn)行稱重試驗(yàn)，在稱重前拆除所有支撐架，測(cè)試內(nèi)容包括測(cè)試旋轉(zhuǎn)部分的橫、縱向不平衡力矩；測(cè)試旋轉(zhuǎn)部分的縱、橫向偏心距；測(cè)試轉(zhuǎn)體支座的摩擦系數(shù)、摩阻力矩；完成轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的縱、橫橋向配重。

4 試驗(yàn)流程

4.1 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)設(shè)計(jì)：N=155 000 kN,SR=5.4 m,μ=0.05

得到設(shè)計(jì)靜摩阻力矩為：0.98×0.05×155 000×5.4=41 013 kN·m。

在距轉(zhuǎn)體梁中心線約5.7 m(可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整)處各設(shè)置2臺(tái)400 t千斤頂、荷載計(jì)及4個(gè)位移計(jì)(百分表)。通過千斤頂對(duì)轉(zhuǎn)體梁進(jìn)行頂放，觀察4個(gè)位移計(jì)(百分表)變化，測(cè)試轉(zhuǎn)體球鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)變化，以確定轉(zhuǎn)體梁的不平衡力矩。千斤頂?shù)陌惭b位置位于撐腳之間。

4.2 所用設(shè)備

1)位移計(jì)(百分表)6只(兩只備用)；2)400 t千斤頂4套(含液壓泵站)；3)鋼板6塊，規(guī)格400 mm×400 mm×20 mm；4)鋼墊塊若干，由于上下轉(zhuǎn)盤間距往往有1 m以上，千斤頂高度不夠需用鋼墊塊填充；5)配電箱、插座；6)配重材料。

4.3 稱重試驗(yàn)步驟

1)撤除梁頂所有材料、機(jī)具、設(shè)備；

2)觀測(cè)上轉(zhuǎn)盤撐腳距滑道鋼板間隙距離，測(cè)量此時(shí)梁體標(biāo)高；

3)一般上下轉(zhuǎn)盤間距80 mm左右，安放千斤頂需要預(yù)先準(zhǔn)備鋼墊塊支撐千斤頂；

4)安放千斤頂、荷載計(jì)及位移計(jì)(百分表)；

5)拆除支架后將砂箱卸荷并移出砂箱，注意拆除過程中保護(hù)好百分表防止碰撞；

6)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，再次測(cè)量此時(shí)的梁體標(biāo)高。觀測(cè)撐腳距滑道間隙及百分表讀數(shù)。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果判斷梁體的傾斜方向；

7)根據(jù)傾斜方向及大小確定不平衡力矩的測(cè)試方式；

8)逐級(jí)施加荷載。加載過程中密切關(guān)注百分表變化，并及時(shí)記錄千斤頂、位移計(jì)數(shù)值；

9)繪制荷載-位移(P-Δ)曲線。重復(fù)4次頂升、頂落試驗(yàn)；

10)確定參數(shù)、計(jì)算配重位置、配重噸位及配完重后的偏心距；

11)依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果配重。

4.4 稱重試驗(yàn)結(jié)果

通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，該橋梁大里程側(cè)的撐腳已與滑道接觸，判斷為轉(zhuǎn)動(dòng)體不平衡力矩大于轉(zhuǎn)動(dòng)體支座摩阻力矩，重心偏向大里程側(cè)。此時(shí)順橋向摩阻力矩小于不平衡力矩，因此應(yīng)在橋梁大里程側(cè)進(jìn)行頂升、頂落。

表1 稱重試驗(yàn)結(jié)果

從表1可以看出：1)根據(jù)稱重試驗(yàn)，得出橋梁的偏心距為偏大里程側(cè)16.5 cm，偏遠(yuǎn)離鐵路側(cè)0.498 cm。2)為保證橋梁穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，小里程側(cè)的偏心距應(yīng)盡可能控制在5～15 cm之間。根據(jù)此要求，取偏心距e=6.5 cm。經(jīng)計(jì)算，應(yīng)在橋梁的小里程側(cè)配重3 580 t·m的力矩。根據(jù)稱重結(jié)果，對(duì)小里程側(cè)(14#墩方向)距離15#中心60 m位置放置59.7 t配重，配重后結(jié)構(gòu)的偏心由大里程側(cè)16.5 cm變?yōu)樾±锍虃?cè)6.5 cm，滿足范圍要求。配重前后全橋應(yīng)力分布云圖見圖1、圖2。

5 不平衡配重方法

梁體旋轉(zhuǎn)施工方案的總體思路是在梁體旋轉(zhuǎn)過程中重心盡量位于梁軸線附近，保證旋轉(zhuǎn)時(shí)單側(cè)撐腳著地共同參與旋轉(zhuǎn)。此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)體的支座及一個(gè)或兩個(gè)鋼撐腳在一個(gè)旋轉(zhuǎn)面上，這樣大大增加了轉(zhuǎn)動(dòng)體在旋轉(zhuǎn)過程中的穩(wěn)定性。

一般在轉(zhuǎn)體梁?jiǎn)蝹?cè)梁端進(jìn)行配重，配重材料可采用水箱、預(yù)制混凝土配重塊等。配重的大小與預(yù)設(shè)的重心位置有關(guān)，應(yīng)保證在5～15 cm(e為新的重心偏移量)的范圍內(nèi)。偏心距最小值應(yīng)保證在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，重心位于梁體中心的一側(cè)，保證梁體向一側(cè)傾斜，呈現(xiàn)出支座及鋼撐腳共同支承的穩(wěn)定局面。偏心距太小，可能出現(xiàn)梁體標(biāo)高在旋轉(zhuǎn)過程上下變化搖擺不定。偏心距太大，撐腳與滑道之間壓應(yīng)力太大，導(dǎo)致啟動(dòng)力增大，有可能導(dǎo)致啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)困難，甚至需要增加特殊助推設(shè)備才能啟動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

配重前后，在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，實(shí)測(cè)應(yīng)力值總體上與理論計(jì)算值發(fā)展趨勢(shì)一致，處于平穩(wěn)變化狀態(tài)，可以轉(zhuǎn)體。

6 結(jié) 語(yǔ)

不平衡稱重試驗(yàn)技術(shù)在津秦客專濱海北站四緯路工程——跨津山鐵路轉(zhuǎn)體橋施工中成功應(yīng)用，滿足施工進(jìn)度及質(zhì)量要求，轉(zhuǎn)體過程中安全平穩(wěn)，合攏就位精度較高，取得了較好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益，應(yīng)用前景廣泛。