橋梁轉體T構不平衡力矩測試技術研究

鐘丹丹

（中鐵二十五局集團第四工程有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

由于轉體球鉸體系在制作、安裝、T構兩端砼澆筑及梁體預應力施加存在操作誤差等原因，轉體T構兩懸臂梁段重量作用于球鉸中心的力矩不同，即存在不平衡力矩，過大的不平衡力矩會使T構沿連續(xù)梁縱軸線的豎平面轉動，導致安全事故發(fā)生。為確保轉體施工能夠順利、安全進行，需要對T構進行不平衡力矩測試（簡稱“稱重”），以確定T構重心偏移量、制定配重方案、調整重心至合理區(qū)間內。本文依托南寧市亭洪路延長線（規(guī)劃七路～南建路）工程上跨鐵路立交橋主跨2-80.0 mT形鋼構橋轉體施工實踐，詳細闡述轉體T構稱重、配重的試驗方法。

1 工程概況

南寧市亭洪路延長線（規(guī)劃七路～南建路）工程上跨鐵路立交橋工程，位于南寧市江南區(qū)鐵路南化站附近，橋上設置雙向六車道，按兩幅設計。上部結構為單箱三室斜腹板箱形截面，2-80.0 mT形鋼構橋按兩幅橋進行布置，跨越既有南化站。

上部結構主橋T構采取滿堂支架現(xiàn)澆后，再平面轉體施工。為確保轉體施工的安全進行，在轉體前對T構進行稱重，并據(jù)此配重、調整T構重心。

2 稱重方法及原理

2.1 測試不平衡力矩的方法

本次不平衡力矩的測試（簡稱稱重）方法為球鉸轉動法，該法通過向轉體T構施加頂力，測試當T構位移突變（臨界狀態(tài)）時所施加的頂力，通過其此時的力矩平衡條件計算T構的不平衡力矩及重心偏移值[1]，作為轉體施工決策和配重方案的依據(jù)。該法因操作簡便、結果準確、費用低的優(yōu)勢而得到廣泛使用。

測試前，拆除澆筑0號塊的鋼管支架，解除T構與承臺間的固結措施，此時，上轉盤及T構組成整體的剛體，然后對T構施加轉動力矩，使轉動力矩均勻、緩慢地增加，直到球鉸結構兩轉盤間出現(xiàn)轉動位移，即位移發(fā)生突變。此時，施加的外力矩使T構能夠克服球鉸靜摩阻力矩而出現(xiàn)微小的相對轉動，且處于靜、動的臨界狀態(tài)。在此狀態(tài)下，球鉸間摩阻力矩（MZ）、T構的不平衡力矩（MG）及施加的外部力矩構成一種平衡狀態(tài)。由此平衡條件可將摩阻力矩（MZ）、不平衡力矩（MG）計算出來。

2.2 計算球鉸間摩阻力矩（MZ）和轉體T構不平衡力矩（MG）

T構完成支架的脫離后，通常T構體系處于如下2種平衡形式之一：①形式1。如果沒有撐腳支撐在滑道的鋼板上，說明球鉸間摩阻力矩（MZ）較轉體T構不平衡力矩（MG）要大，故T構沒有發(fā)生上、下轉盤之間的轉動。T構平衡狀態(tài)是由轉體T構不平衡力矩和球鉸間摩阻力矩所構筑；②形式2。如果有撐腳支撐在滑道的鋼板上，則表明不平衡力矩（MG）大于摩阻力矩（MZ），故T構球鉸發(fā)生轉動，直至撐腳支撐在滑道上，此時，轉體T構的平衡狀態(tài)是由轉體T構不平衡力矩、球鉸間摩阻力矩和撐腳反力力矩所構筑。

2.2.1 形式1平衡狀態(tài)下的測設及數(shù)據(jù)計算方法

形式1平衡狀態(tài)的稱重方法為：分別從T構的東、西（如圖1、圖2所示）側設置支點施加頂力，使轉體T構沿縱軸的豎平面內出現(xiàn)順、逆時針的微小轉動。記錄測試過程中位移傳感器和壓力傳感器的讀數(shù)。頂力逐級增加，當位移傳感器的讀數(shù)出現(xiàn)突變時，表示T構已產生轉動、處于臨界狀態(tài)。

圖1 在西側施加頂力時T構力矩平衡關系

圖2 在東側施加頂力時T構力矩平衡關系

假定圖1、圖2中的不平衡為向東側偏移，而球鉸間摩阻力矩（MZ）總是相反于轉動方向。根據(jù)轉體T構在豎平面內的力矩平衡關系，計算過程如下：

由（1）、（2） 式計算出：

式中，P1、P2在T構產生微小轉動時，在其西、東側施加的外力值（kN）；L1、L2為頂力的合力對球鉸中心的力臂（m）。

2.2.2 形式2平衡狀態(tài)下的測設及數(shù)據(jù)計算方法

此狀態(tài)下，T構因自身不平衡力矩大于摩阻力矩而轉動，假定不平衡力矩（MG）向東偏移，即東側的撐腳與滑道接觸。此時稱重方法為：先在T構東側設置千斤頂支點進行施力，使轉體T構沿梁縱軸的豎平面內出現(xiàn)順時針微小轉動，然后落頂，使T構發(fā)生微小逆時針轉動。記錄測試過程中頂升、落頂過程中突變時位移傳感器和壓力傳感器的讀數(shù)。根據(jù)圖3、圖4中轉體T構在豎平面內的力矩平衡關系，計算過程如下：

圖3 東側頂升T構力矩平衡關系

圖4 東側落頂T構力矩平衡關系圖

由（5）、（6） 式計算出：

式中，P升、P落為T構產生微小轉動時，在東側施加（升、落）的外力值（kN）；L為施力合力對球鉸中心的力臂（m）。

2.3 球鉸靜摩擦系數(shù)及T構偏心距計算

本項目采用四氟乙烯制作鉸片，在上下轉盤間填充黃油，根據(jù)相關文獻的研究成果，采用下式計算球鉸靜摩阻系數(shù)、偏心距[2]。

式中，N為轉體T構的總重量；R為球鉸弧形的圓半徑。

3 稱重的實施

3.1 估算千斤頂與壓力傳感器的噸位

T構重量荷載F總=140 000 kN。按以往的工程實際，靜摩擦系數(shù)μ的取值范圍為0.05～0.07[3]。球鉸的半徑R為7.992 m，角度為28.985度，摩擦系數(shù)取大值（0.07），按公式（8）可計算得靜摩擦力矩為

本次稱重在上轉盤承臺下施加頂力，頂力距球鉸中心線約為5.0 m，稱重時在轉盤兩側共設置6臺千斤頂對（即每側3臺）T構施加頂力。則每臺千斤頂需要的頂力計算得：35 882.41/（3×5.0）=2 392.16 kN。

考慮到加載時的對稱性及施力時的安全性，每側配備5000 kN千斤頂3臺，相應配置5000kN壓力傳感器。

3.2 測試儀器和設備

（1）位移傳感器。本項目設置6個傳感器量測T構的微小位移，采用應變式位移傳感器，該類型傳感器不易受其它因素干擾，適用性強，其測量精度為1/1 000，量程為±5mm，線性度大于0.2%。

（2）壓力傳感器。設置6個壓力感器以測量T構對千斤頂?shù)姆戳Γ瑝毫鞲衅餍吞枮锽LR-3型，其測量精度為±1%。，量程為5000kN，靈敏系數(shù)為2.0。

（3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。為滿足稱重測試的要求，采用IOTECHWaveBook512數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其采樣率為100萬次/s；分辨率為12bit；有40個電壓通道，16個動態(tài)應變通道。

（4）數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)。數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)引進美國的DADiSP數(shù)據(jù)分析軟件包，該軟件包能夠對測試所得數(shù)據(jù)進行自動、直觀的處理及分析。

（5）I20a工字鋼基座。基座帶加勁肋，長度約為60 cm，根據(jù)支撐點數(shù)量、千斤頂高度及支點處上下承臺間的間距確定工字鋼基座數(shù)量、設置厚2 cm的50 cm×50 cm鋼板（每個支點2塊）共6塊。

3.3 解除臨時固結措施，拆除砂箱及撐腳下的沙盤

在解除臨時固結措施和拆除砂箱及撐腳下的沙盤之前，在上承臺四周埋設千分表記錄初始讀數(shù)。拆除過程中注意每拆除一組支撐，觀察千分表并記錄讀數(shù)，并觀察隨著砂箱的拆除，撐腳是否向一側連續(xù)下沉。完全拆除后測定撐腳與滑道之間間隙變化和梁體豎向位移，并據(jù)此判斷轉體體系處于何種平衡方式，進而確定稱重方案。

3.4 判定轉動體系的平衡狀態(tài)

當所有支撐完全拆除后，根據(jù)測定撐腳與滑道之間間隙變化和梁體豎向位移，判斷轉體體系的平衡狀態(tài)。

（1）如果全部撐腳處于懸空狀態(tài)，表明MZ（球鉸摩阻力矩）＞MG（T構不平衡力矩），采用縱向兩側分別測試不平衡力矩的方案。

（2）如果撐腳與滑道鋼板產生接觸，相對應的另一側撐腳與滑道鋼板相距縫隙變大，表明MZ（球鉸摩阻力矩）＜MG（T構不平衡力矩）。假定不平衡力矩MG向東偏，先在T構東側頂升梁體，當T構沿縱向軸線的豎平面發(fā)生微小轉動后再落頂，直至T構發(fā)生微小轉動。

3.5 試驗實施

本項目先進行左幅橋T構的稱重，全部拆除砂箱、固結措施后，觀察到左幅橋T構處于第1種平衡型，故按下程序進行稱重試驗：

（1）將千斤頂置于撐腳與滑道間隙較小的那一側，安裝鋼墩、鋼板及傳感器等。

（2）調整千斤頂，施加初始頂壓力至全部千斤頂，對加載體系進行預頂、記錄此時油表讀數(shù)。

（3）千斤頂回油卸落后與轉動體稍微脫離，使壓力傳感器、千分表凋零。

（4） 千斤頂逐級加力，級差大約控制為300～500 kN，記錄各級的力值，并記錄相應的位移，持續(xù)加載至位移突變。繪制“力—位移（P△）”曲線，找出臨界狀態(tài)的拐點。

（5）每側加載平行測試兩次，并對結果進行比較（若兩次結果偏差過大，重新測試）。

（6）從另側頂升，重復實施上述測試。

3.6 測試儀器的布置

在左幅橋T構的東、西兩端，距球鉸中心5.0 m處分別布置3臺千斤頂，在千斤頂上安裝壓力傳感器（布置方法如圖5所示）。

圖5 稱重試驗設備及測點布置圖

4 試驗數(shù)據(jù)處理及配重方案

根據(jù)上述稱重試驗的數(shù)據(jù)，繪制并分析“力—位移（P△）”曲線圖（如圖6所示），找出臨界狀態(tài)的拐點，確定臨界狀態(tài)時的頂升力（P）。

圖6 左幅橋T構稱重的P△曲線圖

（1） 左幅橋T構

因左幅橋T構是第1種平衡形式，稱重完畢后，繪制并分析“力—位移（P△）”曲線（如圖6所示）。由公式（3）和公式（4）可計算出不平衡力矩（MG）和摩阻力矩（MZ）。

進而根據(jù)公式（10）算出靜摩擦系數(shù)（u），根據(jù)公式（11） 算出偏心距（e）。

測試數(shù)據(jù)的分析計算結果見表1。

表1 左幅橋T構稱重測試分析計算表

分析表1所列的計算數(shù)據(jù)，左幅橋T構的兩端存較不平衡力矩，偏心距e=0.33 m，位于東側。由于偏心距過大（設計要求偏心距≤5 cm）。該轉體T構采取在西側距球絞中心65 m處設置配重的方案，完成配重后，再進行稱重，得調整后的偏心距e=2.1cm，達到轉體要求。

（2） 右幅橋T構

右幅橋T構也是第一種平衡狀態(tài)，測試數(shù)據(jù)的分析計算結果見表2。

表2 右幅橋1號墩T構稱重測試分析計算表

分析表2所列的計算數(shù)據(jù)，右幅橋T構的兩端雖存在一定的平衡力矩，偏心距e=0.029 m，位于東側。由于偏心距≤5 cm，故轉體T構的重心偏移在誤差允許范圍內，不需重新調整。

5 結語

本項目的T構球鉸轉動法稱重采用壓力傳感器、位移傳感收集與傳輸試驗數(shù)據(jù)，運用先進處理軟件對數(shù)據(jù)進行分析、處理及直觀顯示，使試驗更科學、測試結果更精準、數(shù)據(jù)處理更快捷。達到準確測試轉體系統(tǒng)的不平衡力矩的目的，為調整重心配重提供決策依據(jù)，確保轉體施工安全、順利。同時，還能夠通過測試所得數(shù)據(jù)計算出摩阻系數(shù)、摩阻力矩，作為轉體施工時牽引力的計算依據(jù)，保證牽引系統(tǒng)轉體時的安全可靠性。