董剛

摘要：新建張呼鐵路懷安站特大橋跨京包鐵路連續(xù)梁采用墩頂轉(zhuǎn)體法施工，為了保證橋梁轉(zhuǎn)體順利進(jìn)行，需對T構(gòu)進(jìn)行不平衡稱重試驗(yàn)分析。本文通過工程實(shí)例，闡述不平衡稱重試驗(yàn)方法和應(yīng)用過程中的技術(shù)難題，對墩頂轉(zhuǎn)體梁轉(zhuǎn)動(dòng)體不平衡力矩、偏心距、摩阻力矩及轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸靜摩擦系數(shù)的測試分析和稱配重方法等關(guān)鍵技術(shù)做了介紹，為類似連續(xù)梁橋上轉(zhuǎn)體工程提供借鑒。

Abstract： Pier-top rotation construction method is adopted in the construction of Huaian Railway Station Grand Bridge which overpasses the existing Beijing-Baotou railway in the newly-built Zhangjiakou-Huhehaote Railway. To ensure the safety and smooth the operation of the rotating process，the counterbalanced weighting test was carried out for the bridge before the rotating operation. Based on the project case which the institute undertakes，both the counterbalanced weighting test and the difficulties are stated，the testing and analysis for the counterbalanced moment of force，eccentricity，frictional resistance moment of force，friction coefficient of the rotor part and counterweight technologies are introduced，to provide references for simialar projects.

關(guān)鍵詞：墩頂轉(zhuǎn)體施工；不平衡稱重；試驗(yàn)研究

Key words： pier-top rotation construction；counterbalanced weighting；experimental study

中圖分類號：U445.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）33-0146-04

0 引言

隨著我國鐵路建設(shè)的飛快發(fā)展，對工程建設(shè)施工安全要求越來越高，為了減少橋梁上部結(jié)構(gòu)施工對既有鐵路行車安全和運(yùn)營的影響，跨越既有線橋梁越來越多要求采用轉(zhuǎn)體法施工[1]，目前下轉(zhuǎn)體平轉(zhuǎn)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，隨著橋梁技術(shù)的發(fā)展，墩頂轉(zhuǎn)體通過在墩頂與梁體之間設(shè)置轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)體時(shí)只需要轉(zhuǎn)動(dòng)橋梁梁體即可，這樣大大減輕了轉(zhuǎn)體質(zhì)量，并且經(jīng)濟(jì)安全，其在轉(zhuǎn)體橋施工中有很大的應(yīng)用前景。為了墩頂橋梁轉(zhuǎn)體達(dá)到順利、安全、平穩(wěn)的目標(biāo)，就必須確保梁體在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中達(dá)到平衡狀態(tài)[2]，需通過不平衡稱重試驗(yàn)確定轉(zhuǎn)動(dòng)體的不平衡力矩以及靜摩阻系數(shù)，再根據(jù)測試結(jié)果制定合理的配重方案，通過平衡配重將轉(zhuǎn)動(dòng)體重心調(diào)整至目標(biāo)狀態(tài)[3]。本文以新建張呼鐵路懷安站特大橋跨京包鐵路（60+100+60）m連續(xù)梁為實(shí)例，簡要地介紹下本橋不平衡稱重實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概述

新建張呼鐵路懷安站特大橋連續(xù)梁為（60+100+60）m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，跨Ⅰ級雙線電氣化既有京包鐵路，屬繁忙干線。立面圖見圖1。梁體為單箱單室、變高度、變截面結(jié)構(gòu)。支點(diǎn)處粱高7.29m，跨中梁高4.69m，底板厚度和梁高按二次拋物線變化。箱梁頂寬12.2m，箱梁底寬6.4m。

為了盡最大可能減少鄰近營業(yè)線施工對既有鐵路正常運(yùn)輸?shù)母蓴_，該橋計(jì)劃采用懸臂梁段現(xiàn)澆+墩頂整體旋轉(zhuǎn)施工技術(shù)，以確保既有電氣化鐵路行車和上跨橋施工安全[4]。即先在鐵路兩側(cè)墩頂懸臂澆筑梁體（49+49）m，待梁體懸臂施工完后，接著進(jìn)行整體對稱梁段轉(zhuǎn)體支承體系的轉(zhuǎn)換，使得上轉(zhuǎn)盤支承于安設(shè)好的球鉸上，隨后施加轉(zhuǎn)動(dòng)力，使轉(zhuǎn)臺繞球鉸中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)體到位后，精確測量其平面位置、標(biāo)高，在均符合設(shè)計(jì)位置后臨時(shí)鎖定梁體，按照“先邊跨、后中跨”的順序進(jìn)行合龍段施工，最后完成支座體系的轉(zhuǎn)換。

墩頂轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)共由四部分組成，分別為下轉(zhuǎn)盤、球鉸、上轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)體牽引系統(tǒng)，球鉸中心轉(zhuǎn)盤球面半徑R=3.645m，上轉(zhuǎn)盤平面半徑2.55m，下轉(zhuǎn)盤平面半徑為2.44m，轉(zhuǎn)體約53.6噸重，轉(zhuǎn)體角度60°。為確保在既有鐵路要求的有限天窗時(shí)間內(nèi)完成轉(zhuǎn)體施工，應(yīng)通過不平衡試驗(yàn)得到相關(guān)參數(shù)，滿足橋梁轉(zhuǎn)體的配重要求，消除可能影響轉(zhuǎn)動(dòng)體平穩(wěn)順利轉(zhuǎn)動(dòng)的未知因素，為該橋轉(zhuǎn)體施工的控制和決策提供重要依據(jù)[5]。

2 墩頂轉(zhuǎn)體關(guān)鍵試驗(yàn)技術(shù)

2.1 墩頂轉(zhuǎn)體不平衡測試?yán)碚撛?本橋用測試轉(zhuǎn)體位移突變的方法進(jìn)行不平衡力矩的計(jì)算，以在稱重過程中對稱梁體可以繞球鉸中心軸發(fā)生剛體轉(zhuǎn)動(dòng)為前提，對稱梁體在測試過程中施加轉(zhuǎn)動(dòng)力的同時(shí)要對球鉸的切向轉(zhuǎn)動(dòng)位移進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制出二者的關(guān)聯(lián)曲線，靜摩擦與動(dòng)摩擦的臨界狀態(tài)為位移發(fā)生突變時(shí)所對應(yīng)的狀態(tài)，采用繪制頂力與位移曲線的方法找出臨界點(diǎn)。在測試剛體位移突變時(shí)一般均采用不平衡力矩法，因其具有受力明確，且不涉及撓度等較多參數(shù)等因素的影響，結(jié)果比較準(zhǔn)確，使用的測試設(shè)備比較簡單等特點(diǎn)，在實(shí)踐中具有較強(qiáng)的實(shí)用性和有效性[6]。

2.1.1 球鉸摩阻力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)體不平衡力矩計(jì)算 解除上下轉(zhuǎn)盤臨時(shí)固結(jié)和撐腳后，轉(zhuǎn)動(dòng)體T構(gòu)會出現(xiàn)以下兩種不同的平衡狀態(tài)。

2.2 判斷不平衡狀態(tài)

2.2.1 理論配重 轉(zhuǎn)體前，由于本橋邊跨和中跨梁體預(yù)應(yīng)力鋸齒塊偏差、合龍段吊架、施工誤差和其他荷載等因素影響，在解除臨時(shí)固結(jié)和砂箱時(shí)，轉(zhuǎn)體兩端不平衡力矩過大，考慮到解除臨時(shí)固結(jié)和卸砂箱時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)體的安全，需對轉(zhuǎn)動(dòng)體進(jìn)行理論偏心計(jì)算[8]，計(jì)算出理論不平衡力矩，再根據(jù)不平衡力矩進(jìn)行相應(yīng)的理論配重。本橋計(jì)算得出結(jié)果表明52#、53#墩轉(zhuǎn)體配重前縱橋向不平衡力矩分別為452t·m、1016t·m（向中跨方向偏心）。稱重試驗(yàn)前在邊跨側(cè)距梁端4m位置放置10.4t、26t試塊作為配重。

2.2.2 平衡狀態(tài)判斷 理論配重完成后，在逐步解除臨時(shí)固結(jié)措施過程中，位移傳感器應(yīng)分別平均布設(shè)于下轉(zhuǎn)盤四周，以探測和判別當(dāng)拆卸砂箱時(shí)轉(zhuǎn)體的平衡狀態(tài)。本次共布設(shè)了8個(gè)百分表于橋墩下轉(zhuǎn)盤四周，百分表依次編號如圖4所示。測試判斷步驟：①測試并安裝好傳感器，并做好初始數(shù)據(jù)記錄。②將撐腳及滑道內(nèi)的雜物徹底清理干凈，支座臨時(shí)性支撐應(yīng)對稱依次拆除，并跟蹤測量與持續(xù)觀測，期間應(yīng)著重觀察撐腳是否隨著臨時(shí)性支撐裝置的拆除連續(xù)向一側(cè)下沉，以此判定轉(zhuǎn)動(dòng)體體系的平衡狀態(tài)。砂箱卸載前后百分表讀數(shù)如表1所示。

據(jù)表1轉(zhuǎn)體砂箱在卸載前后的百分表讀數(shù)值可以判斷，52#、53#墩轉(zhuǎn)體存在向邊跨方向縱向的偏心，無橫向偏心，但撐腳未接觸到滑道，說明轉(zhuǎn)動(dòng)體不平衡力矩小于摩阻力矩。

2.3 試驗(yàn)測試儀器布置 首先是千斤頂數(shù)量的估算：轉(zhuǎn)體重量暫按5360t估算，球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)半徑3.645m，估算千斤頂距中心距離約3.7m，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出靜摩阻系數(shù)，取值范圍0.03～0.06，本次取0.05，則千斤頂頂力=靜摩阻系數(shù)×轉(zhuǎn)動(dòng)體的重量×球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)半徑/千斤頂距中心距離，得千斤頂頂力為2640.2kN，考慮一定的富余量，需要500t千斤頂4臺。

因52#、53#墩轉(zhuǎn)體卸載后撐腳碰觸滑道的情況未出現(xiàn)，不存在橫向偏心，依據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行了稱重試驗(yàn)，T構(gòu)撐腳未著地，此種情況下，兩側(cè)分別進(jìn)行施加頂力。本試驗(yàn)于墩頂上轉(zhuǎn)盤上施加頂力，分別對轉(zhuǎn)體梁中心線兩側(cè)進(jìn)行頂放，通過油壓表讀數(shù)以及所提供的回歸方程得到反力值，同時(shí)在上轉(zhuǎn)盤底周圍布置4個(gè)位移傳感器，用以測試球鉸的微小轉(zhuǎn)動(dòng)。測試儀器布置方式如圖5所示。

2.4 試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)分析

根據(jù)選定斷面處對千斤頂逐級加力與預(yù)先安裝的位移傳感器記錄的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，確定出位移出現(xiàn)突變的拐點(diǎn)，即球鉸處于克服靜摩阻力的臨界狀態(tài)；最后移動(dòng)設(shè)備至另一側(cè)，重復(fù)以上試驗(yàn)，繪制P-△曲線，判斷臨界力[9]。52、53號墩測試數(shù)據(jù)詳見表2，根據(jù)表2繪制頂力和位移關(guān)系圖，見圖6，由圖可知，52、53號墩邊跨方向施加頂力時(shí)，當(dāng)頂力分別為2400kN時(shí)，百分表位移出現(xiàn)拐點(diǎn)；中跨方向施加頂力時(shí)，當(dāng)頂力分別為1600kN、2800kN時(shí)，百分表位移出現(xiàn)拐點(diǎn)，則各拐點(diǎn)即為相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)體發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的臨界力。

2.5 轉(zhuǎn)體試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算

根據(jù)試驗(yàn)測試結(jié)果，該梁的平衡狀態(tài)屬于轉(zhuǎn)動(dòng)體球鉸摩阻力矩大于轉(zhuǎn)動(dòng)體不平衡力矩情況，按照上述的不平衡稱重原理理論公式分別求出摩阻系數(shù)、摩阻力矩、不平衡力矩和偏心矩。本橋的試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3。

3 二次配重

本橋采用梁體縱向傾斜配重方案[10]，該方案在轉(zhuǎn)體梁的一側(cè)梁端實(shí)施配重，配重的大小應(yīng)保證新的重心偏移量滿足《高速鐵路橋涵工程施工技術(shù)規(guī)程》Q/CR9603-2015第13.5.4條要求，即配重的大小應(yīng)保證配重后的偏心矩滿足5cm≤e≤15cm[11]。同時(shí)為了保證配重卸載的安全，配重應(yīng)設(shè)置在非跨鐵路孔一側(cè)，使轉(zhuǎn)體不平衡力矩偏向非跨鐵路孔。配重后偏心距可按下式計(jì)算：

式中，F(xiàn)為配重；L為配重距球鉸數(shù)值軸距離；e為配重后偏心距；N為考慮配重后的總重量。本橋分別在52、53號墩邊跨側(cè)42.1m和41.5m的位置配重2.6t和5.2t后，轉(zhuǎn)體不平衡力矩偏向非跨鐵路孔，且偏心距為5cm和5.5cm，配重滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

本橋在轉(zhuǎn)體實(shí)施過程中，52號墩，啟動(dòng)牽引力406kN，轉(zhuǎn)動(dòng)牽引力110kN；53號墩，啟動(dòng)牽引力417kN，轉(zhuǎn)動(dòng)牽引力115kN，均小于理論設(shè)計(jì)值（啟動(dòng)牽引力538.53kN，轉(zhuǎn)動(dòng)牽引力323.12kN），滿足要求。同時(shí)轉(zhuǎn)體時(shí)間比既有鐵路天窗給點(diǎn)時(shí)間提前一半轉(zhuǎn)體到位，轉(zhuǎn)體施工取得了圓滿成功?？偨Y(jié)本次轉(zhuǎn)體橋稱重試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，對轉(zhuǎn)體橋不平衡稱重試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①稱重試驗(yàn)前應(yīng)做好各階段方案的研究與編制，同時(shí)加強(qiáng)理論計(jì)算分析，做好現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集工作，實(shí)現(xiàn)稱重試驗(yàn)的目標(biāo)，確保轉(zhuǎn)體平穩(wěn)順利進(jìn)行[12]。②稱重實(shí)驗(yàn)之前，應(yīng)該對轉(zhuǎn)動(dòng)體理論不平衡重進(jìn)行分析，進(jìn)行合理的理論配重，確保解除臨時(shí)固結(jié)和拆卸砂箱時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)體結(jié)構(gòu)的安全。③拆除砂箱前，在下轉(zhuǎn)盤四周布置百分表，通過百分表讀數(shù)變化來直觀的判斷轉(zhuǎn)動(dòng)體的不平衡狀態(tài)。④卸落砂箱之前，應(yīng)做好清障檢查，清除所有雜物和轉(zhuǎn)體過程中不需要的施工機(jī)具和材料，減少轉(zhuǎn)動(dòng)體總重量和避免出現(xiàn)橫向偏心；同時(shí)保證轉(zhuǎn)動(dòng)體撐腳脫空，檢查轉(zhuǎn)盤下有無其它支撐點(diǎn)，避免影響試驗(yàn)測試結(jié)果的正確性。⑤配重時(shí)應(yīng)做好配重材料的選擇，按配重方案要求橫向居中均勻擺放，嚴(yán)禁橫向偏心堆放，并確保配重后材料堆放的安全穩(wěn)定性。⑥轉(zhuǎn)動(dòng)體配重的重心偏向邊跨即非跨鐵路側(cè)，配重后偏心距宜滿足轉(zhuǎn)體施工偏心值5～15cm的要求。⑦稱重測試、配重、轉(zhuǎn)動(dòng)前后分別做好橋梁線形監(jiān)控和應(yīng)力監(jiān)測，為了校對轉(zhuǎn)動(dòng)體是否發(fā)生剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，需在測試轉(zhuǎn)動(dòng)體T構(gòu)兩懸臂端進(jìn)行高程測量，及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，便于指導(dǎo)工程施工。

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