基于大跨度預應力連續(xù)剛構(gòu)橋轉(zhuǎn)體施工平衡稱重技術(shù)的研究與分析

許 皓，許傳敏，高 昇

（山東交通學院交通土建工程學院，山東濟南 250357）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施也得到了空前的發(fā)展。交通線路交替縱橫分布，新建的線路與交通繁忙的線路不可避免地產(chǎn)生交替，而通常對于繁忙的路線實行封閉施工往往是不經(jīng)濟的辦法，國內(nèi)目前通常采用跨越、轉(zhuǎn)體、支架等方式進行施工，對于既有跨鐵路的交通路線，采用轉(zhuǎn)體施工是目前國內(nèi)常用的施工工藝。轉(zhuǎn)體施工不僅可以提高安全性，同時也可以提高施工效率。目前我國轉(zhuǎn)體施工的橋梁數(shù)量處于世界領(lǐng)先地位［1］。但是在懸臂施工過程中，懸臂梁段剛度及施工質(zhì)量不均，易造成懸臂兩側(cè)產(chǎn)生不平衡力矩，故轉(zhuǎn)體施工之前的不平衡稱重是十分必要的。

轉(zhuǎn)體施工的關(guān)鍵技術(shù)在于轉(zhuǎn)體過程中保證橋梁結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性，在橋梁體懸臂施工中，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)自重大，豎向轉(zhuǎn)動慣性大，容易使橋梁結(jié)構(gòu)變形甚至開裂。為此，文章以轉(zhuǎn)體施工前需要對橋梁結(jié)構(gòu)進行平衡稱重試驗，對轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)橋梁的不平衡側(cè)進行配重，通過計算得到不平衡力矩、摩阻力矩以及偏心距及摩擦系數(shù)，對轉(zhuǎn)體施工提供技術(shù)指導，保證橋梁結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)體施工過程中的安全與穩(wěn)定。

1 工程概況

新建濰坊至萊西鐵路跨海清鐵路大橋60+100+60 雙線連續(xù)箱梁（位于直線上）269 號墩、270 號墩，轉(zhuǎn)體梁懸臂長度為49 m，墩轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重量為7 001噸，轉(zhuǎn)角41.9°。橋梁轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)由下轉(zhuǎn)盤、球絞、上轉(zhuǎn)盤以及轉(zhuǎn)體的牽引系統(tǒng)組成，下轉(zhuǎn)盤球絞直接為4 100 mm，上轉(zhuǎn)盤球絞直徑為3 800 mm，鋼板厚度均為40 mm。上轉(zhuǎn)盤及下轉(zhuǎn)盤均采用C50混凝土澆筑，待轉(zhuǎn)體橋梁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體就位結(jié)束，用C50混凝土封固轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的上轉(zhuǎn)盤、下轉(zhuǎn)盤及球絞，再進行橋梁邊跨、跨中合攏，實現(xiàn)全橋的貫通。

2 平衡稱重計算原理

測試轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的不平衡力矩常采用球絞轉(zhuǎn)動的方法，這種方法的特點在于使轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生突發(fā)位移，受力明確，只考慮轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)自身，不受其他因素的干擾，因此測試結(jié)果較為準確，是目前常用的測試轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)不平衡力矩的方法。

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)臂施工完畢且托架拆除后，整個轉(zhuǎn)動橋梁結(jié)構(gòu)體平衡表現(xiàn)為兩種情況：

（1）轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)球絞摩阻力矩（Mz）大于轉(zhuǎn)動體不平衡力矩（MG），此時轉(zhuǎn)動體結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)，不會繞球絞產(chǎn)生剛體轉(zhuǎn)動。整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性由球絞摩阻力矩（Mz）及轉(zhuǎn)動體不平衡力矩（MG）所維持。

（2）轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)球絞摩阻力矩（Mz）小于轉(zhuǎn)動體不平衡力矩（MG），此時轉(zhuǎn)動體結(jié)構(gòu)會繞球絞產(chǎn)生剛體轉(zhuǎn)動，直至支撐腳參加工作。整個轉(zhuǎn)動體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性由球絞摩阻力矩（Mz）、轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)不平衡力矩（MG）以及支撐腳反力維持。

其中式（1）、式（2）和式（3）中P1為轉(zhuǎn)動體重側(cè)頂推力；P2為轉(zhuǎn)動體輕側(cè)頂推力；P2′為千斤頂回落時轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)發(fā)生輕微轉(zhuǎn)動的力；L1及L2分別為P1和P2為相對球絞中心的距離；R為球絞中心轉(zhuǎn)盤球面半徑；N為轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重量［2］。

3 平衡稱重方案及數(shù)據(jù)

3.1 稱重前準備階段

轉(zhuǎn)體橋梁施工前首先移除轉(zhuǎn)體橋梁結(jié)構(gòu)上部器具、材料，保證橋梁上部無多余荷載；測量支撐腳之間的距離，根據(jù)轉(zhuǎn)體施工方案進行布置百分表，并讀取百分表初始值；拆除沙箱，待轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后觀測支撐腳之間的距離，判斷轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生滑動；在轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的縱橋向大里程、小里程側(cè)安置千斤頂，對轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)進行橫向、縱向不平衡力矩的試驗；千斤頂需分級緩慢加載，每一級加載結(jié)束，待橋體穩(wěn)定后觀測百分表讀數(shù)并記錄［3］。

3.2 稱重試驗加載及測點布置

根據(jù)轉(zhuǎn)體施工要求，需要400噸頂推力的千斤頂4 臺，安裝在軸線兩側(cè)且對稱分布軸線右兩側(cè)，通過左側(cè)、右側(cè)百分表的讀數(shù)判斷轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)在橫橋向是否需要布置千斤頂進行橫橋向稱重。同時需對稱安裝4 個百分表，在千斤頂分級加載荷載轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時，觀測百分表的讀數(shù)并記錄。根據(jù)施工方案，千斤頂及百分表的安裝布置如圖1所示。

3.3 稱重結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場轉(zhuǎn)體施工頂推及百分表記錄數(shù)據(jù)，繪制出千斤頂推力—位移曲線圖。以270#墩的千斤頂推力—位移曲線圖為例，270#墩大里程側(cè)千斤頂頂推力—位移曲線關(guān)系如圖2所示、270#墩小里程側(cè)頂推力—位移曲線關(guān)系如圖3所示。

圖1 千斤頂及百分表安裝示意

由圖2、圖3 可知，270#墩大里程側(cè)、小里程側(cè)千斤頂力施加至1 840 kN、2 732 kN 時，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)橋體產(chǎn)生突變的位移變化。這說明轉(zhuǎn)體橋梁結(jié)構(gòu)在次荷載作用下產(chǎn)生移動，即可證明此時的千斤頂荷載為不平衡稱重的最小荷載值。在施加千斤頂荷載情況時，270#墩橫橋向左側(cè)和右側(cè)2#、4#百分表的讀數(shù)對稱近似，表明轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)在橫橋向重心無偏差，故轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)在橫橋向不平衡力矩可以忽略不計。

圖2 270#墩大里程頂推力—位移曲線

圖3 270#墩小里程頂推力—位移曲線

由圖 2、圖 3 可知P1=1 840，P2=2 732，距球絞中心距離L1=L2=4.7 m，由公式（1）—（2）可得270#墩的不平衡力矩為MG=1 976.96 kN·m，摩阻力矩為MZ=10 744.2 kN·m，由公式（3）可得摩阻系數(shù)u=0.052 199 54，轉(zhuǎn)動體偏心距e=0.030 552 486，故在270#墩大里程側(cè)距橋墩中心30 m 處配重69.87 kN 壓重，即可保證轉(zhuǎn)體橋梁的安全穩(wěn)定，同理可得269#墩的不平衡壓重。

4 配重方案

（1）269#墩轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)橫橋向重心位于軸線位置，故不考慮轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)橫橋向配重，建議只沿縱橋向小里程側(cè)，距橋墩中心30 m處配置1.02 kN等效沙袋。

（2）270#墩轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)橫橋向重心位于軸線位置，故不考慮轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)橫橋向配重，建議只沿縱橋向大里程側(cè)，距橋墩中心30 m處配置69.87 kN等效沙袋。

（3）沙袋經(jīng)過稱重后方可運至梁上，壓重需保證配重后的重心通過球絞豎軸線。

5 結(jié)語

依據(jù)上述配重方案對轉(zhuǎn)體橋梁結(jié)構(gòu)進行配重，在整個轉(zhuǎn)體施工過程中，轉(zhuǎn)體橋梁結(jié)構(gòu)安全平穩(wěn)地轉(zhuǎn)到設(shè)計要求，這表明：（1）稱重過程中，對轉(zhuǎn)體施工結(jié)構(gòu)的頂推力需分級緩慢對稱施加，防止轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。（2）按照配重方案，對轉(zhuǎn)體橋梁結(jié)構(gòu)需進行橫向、縱向配重，保證橋梁在轉(zhuǎn)體施工過程中橫橋向、縱橋向的穩(wěn)定。（3）轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)橋梁橫橋向位移變化對稱，說明轉(zhuǎn)體橋梁結(jié)構(gòu)在橫橋向重心位于軸線，可忽略橫橋向不平衡力矩對轉(zhuǎn)體施工的影響。