称重技术在沈阳四环跨秦沈客专转体桥中的应用

陈建强++黄平++曹选珠

摘要：研究目的：为了确保秦沈客专既有线行车安全和减少对铁路运营的干扰，沈阳四环快速路秦沈客专公铁分离立交桥采用2-80mT型钢构转体工艺。转体桥转体，最重要的是保证转动的平稳性，理论上水平转体应该对保证转体中心支点两端重量一致，保证转体桥两端达到平衡状态。在转体过程中，转动体的自平衡或配重平衡对施工过程的安全性和转体顺利转动起着至关重要的作用，本文结合该工程对转体桥施工中重要的称重原理及简要操作步骤进行阐述。

研究结论：在转体桥施工中，其技术核心是转体，而转体桥实施转体的关键在称重，通过称重，测试转体部分的不平衡力矩、摩阻力矩、偏心距、上下球铰间的摩擦系数等参数，通过参数测定与计算，判定转体桥的平衡与稳定状况，如果转体桥体经称重计算梁体两端重量不平衡，则需通过配重来调整梁体重心，使梁体的重心位置居中，从而已达到梁体平衡，保证转体顺利与安全。

关键词：转体桥 称重试验 沈阳四环

1 概述

2012年9月25日，沈阳四环快速路转体桥成功转体，该桥于K3+667.4处同既有秦沈客专（K679+420处）交叉，转体角度52°，梁端转动长度63.530m。上部结构为2孔80mT型刚构连续箱梁，箱梁顶宽17.1m，梁高3.6m～7m，梁底为二次抛物线，单幅桥转体重量11800t。本文结合该工程对转体桥施工中非常重要的称重原理及简要操作步骤进行阐述。

平衡转体桥作为近年来一种新工艺发展较快，因在施工支架完全拆除后以及在转体过程中，转动体的自平衡或配重平衡对施工过程的安全性和转体顺利实施起着至关重要的作用。为确保转体的顺利实施，对其结构进行称重试验，测试转动体部分的不平衡力矩、摩阻力矩、偏心距、摩擦系数，并完成配重。

2 称重试验原理

2.1 转动体球铰摩阻力矩MZ大于转动体不平衡力矩MG

采用球铰转动测试不平衡力矩，这种方法采用测试刚体位移突变的方法进行测试，受力明确，而且只考虑刚体作用，而不涉及挠度等影响因素较多的参数，结果比较准确。

当脱架完成后，整个梁体的平衡表现为两种形式之一：

①转动体球铰摩阻力矩MZ小于转动体不平衡力矩MG。此时，梁体发生绕球铰的刚体转动，直到撑脚参与工作，体系的平衡由球铰摩阻力矩、转动体不平衡力矩和撑脚对球心的力矩所保持。

②转动体球铰摩阻力矩MZ大于转动体不平衡力矩MG。此时，梁体不发生绕球铰的刚体转动，体系的平衡由球铰摩阻力矩和转动体不平衡力矩所保持。

当转动体球铰摩阻力矩MZ小于转动体不平衡力

矩MG时，意味着支架拆除后，转动体部分在自身的不平衡力矩作用下即发生转动。以沈阳四环转体桥为例，此时进行不平衡称重试验，转动体东侧支点落顶，使转动体在沿梁轴线的竖平面内发生顺时针方向微小转动，同时西侧支反力为零。然后东侧支点升顶，发生逆时针方向微小

转动，同时西侧支反力为零。记录转动过程中百分表读

数。（图1）

假设转动体重心偏向东（边跨）侧，

东侧落顶时有P落·L落+MZ=MG，

东侧升顶时有P升·L东=MG+MZ，

则MG=■，MZ=■。

式中：MG——转动体不平衡力矩，

MZ——转动体球铰摩阻力矩，

P落、P升——梁体东侧落顶、升顶时支点支反力，

L东、L西——梁体东、西侧支点距转动球铰几何中心的距离。

当转动体球铰摩阻力矩MZ大于转动体不平衡力矩MG时，意味着支架拆除后，转动体部分在自身的不平衡力矩作用下不能发生转动。此时进行不平衡称重试验，分别从转动体东、西侧支点顶梁，使转动体在沿梁轴线的竖平面内发生逆时针、顺时针方向微小转动，记录转动过程中百分表读数。（图2）

假设转动体重心偏向东（边跨）侧，

从东侧顶梁时有P东·L东=MG+MZ，

从西侧顶梁时有P西·L西+MG=MZ，

则MG=■，

MZ=■

式中：P东、P西——梁体发生微小转动时东侧、西侧支点支反力。

2.2 转动体球铰静摩擦系数

称重试验时，转动体球铰在沿梁轴线的竖平面内发生逆时针、顺时针方向微小转动，即微小角度的竖转。摩阻力矩为摩擦面每个微面积上的摩擦力对球铰中心竖转法线的力矩之和（图3）。

■

图3 转动体球铰静摩擦系数计算示意图

dMZ=RcosθdF，

dF=μ0σdA，dA=2πrds，r=Rsinθ，ds=Rdθ，

σ=σ竖cosθ，σ竖=■，

则dMZ=■dθ，

MZ=■■μ0NR，

将此球铰参数α=13.725°代入得：球铰静摩阻系数μ0=■，摩擦面按平面计算时：球铰静摩阻系数μ0=■。计算结果两者相差1.4%，故当球铰球面半径较大而矢高较小时，可将摩擦面近似按平面来计算μ0。

2.3 偏心距

根据研究成果及工程实践，使用聚四氟乙烯片并填充黄油的球铰，其偏心距可用下列各式计算：

转动体偏心距e=MG/N，式中：MG为不平衡力矩； N为转体重量。

2.4 称重试验各项参数估算

u=Mz/0.986NR，

Mz——转动球铰摩阻力矩，

R——球铰球径为8.008m，

N——转体重量为11800t（118000kN）。

根据研究成果及工程实践u值约在0.02-0.04之间，故假设u=0.03，反算Mz=27951 kN.m。

Mz=（F左L左+F右L右）/2，endprint

假设F左=F右，L左=L右，取L=5.4m，

计算得F=5176kN。

称重时千斤顶顶力约在5200kN。

2.5 梁体纵向配重

采用重量平衡转体配重方案。该转体方案的思路是：通过配重，使转体梁在静力状态保持平衡，即转体梁的重心线通过球铰竖轴线。此时，配重可按下式计算：

需要配重=N·e /配重悬臂长度。

该方案的好处是配重量小，启动所需牵引力相对较小。由于该方案中对转动体为一点支承，在转动过程中易导致转体梁在竖平面内的晃动。因此，若采取该方案，应尽量减小撑脚与滑道间的间隙。

3 测点布置

在两幅梁的承台底面布置如图4的千斤顶和位移传感器，在上转盘下用千斤顶施加力，分别用位移计测出球铰由静摩擦状态到动摩擦状态的临界值，从而测出梁体的不平衡力矩。

■

图4 测点布置图

4 仪器设备及其安装（表1）

仪器设备安装布置图5。

5 称重工艺试验分析

5.1 前期梁体施工的进度要求

①所有张拉、压浆工作完成；

②梁体（包括梁体护栏）装修做完，防抛网安装完成；

③连续千斤顶作业平台搭设完成；

④基坑、上下转盘和反力座凿毛，撑脚、滑道清理，基坑杂物清理完成；

⑤牵引设备安装调试到位，钢绞线清理穿钢绞线并预紧；

⑥转体牵引配电箱安装连接到位；

⑦撑脚间隙砂子清理干净；

⑧称重前撤除梁顶所有材料、机具、设备；

⑨千斤顶校准完成。

5.2 梁顶标高、轴线测量准备；撑脚编号，撑脚间隙测点标示；在梁顶用白水泥线将配重块放置区域画出。然后测量梁顶标高、复测梁体轴线；测量撑脚间隙。安放位于上下承台之间临时支撑，临时支撑销紧。最后再次复测梁面标高、轴线及撑脚间隙。

5.3 安放称重千斤顶，全部施加5吨预顶力，并检查排除影响梁体转动的障碍物。随后拆除砂箱，测量撑脚间隙，之前配重块和吊车需提前就位，这时方可拆除临时固结，然后再拆除临时支撑。

5.4 称重前初步观察百分表，察看梁体倾斜方向，初步判断梁体平衡或偏移状态；再次查看撑脚间隙。称重时缓慢顶升，分级加载读数。称重时考虑从偏心侧施加顶力，分级施加顶力的大小及加载步骤（见表2）；称重时观测梁端高程变化与千斤顶行程、压力及百分表读数之间的关系。

表2 称重千斤顶加载施力等级表

■

注：此表实际应用时根据千斤顶校准报告换算为压力表的压力分级表。

5.5 落顶、读数。每次完成称重，待指针稳定后读数、计算。计算主要内容有：e、μ、Mz、MG，同时计算出配重量并按计算结果配重。配重完成后要进行二次称重，检验配重情况；直到两端平衡。

5.6 配重完成，上临时支撑，最后再次复测梁体标高、轴线、撑脚间隙。

5.7 试验结果汇总。通过拆架时观测数据表明：转动体纵向球铰摩阻力矩大于转动体不平衡力矩（偏向大里程）。纵向称重试验实测位移、顶力数据见图6、图7。

①17#墩转体纵向不平衡力矩估算为：不平衡弯矩MG=

1338.75kN·m，偏心距e=0.011m；MZ=55781.25KN·m；μ0=0.0589。

②15#墩转体纵向不平衡力矩估算为：不平衡弯矩M=3137kN·m，偏心距e=0.026m。

6 结论

为保证转体的同步、缓慢匀速转动，其转体结构的称重、配重是该转体施工中核心工作，通过对转体球铰部位摩擦力、不平衡力矩的测试，掌握梁体的稳定与平衡情况，在通过配重，使梁体达到平衡，为标高调整、变位和受力状况提供依据，从而确保转体结构安全。

6.1 通过以上论述发现，通过称重，能够准确确认转体桥的平衡状态，是确保转体顺利进行，确保转体安全平稳的必要程序。

6.2 称重前要对梁体的高程进行仔细测量，支撑的拆除要按步骤进行，实时监控，配重设备提前到位，是确保所有约束解除，这些工作要求必须在正式称重前做好。

6.3 在施加称重顶力时要分级逐步进行，超过摩擦平衡点时，称重百分表会出现较大波动，此时应停止施加顶力。此时临界状态下的数据为有效测量数据。

参考文献：

[1]张联燕等.桥梁转体施工[M].人民交通出版社，2002-3-1.

[2]鲁建生，杨永宏，刘继龙.保阜高速公路跨京广铁路转体桥称重试验研究[J].铁道建筑技术，2009（05）.

[3]孙士彦，张华，皮银.转体施工技术[J].铁道标准设计，1998（9）：34-39.endprint

假设F左=F右，L左=L右，取L=5.4m，

计算得F=5176kN。

称重时千斤顶顶力约在5200kN。

2.5 梁体纵向配重

采用重量平衡转体配重方案。该转体方案的思路是：通过配重，使转体梁在静力状态保持平衡，即转体梁的重心线通过球铰竖轴线。此时，配重可按下式计算：

需要配重=N·e /配重悬臂长度。

该方案的好处是配重量小，启动所需牵引力相对较小。由于该方案中对转动体为一点支承，在转动过程中易导致转体梁在竖平面内的晃动。因此，若采取该方案，应尽量减小撑脚与滑道间的间隙。

3 测点布置

在两幅梁的承台底面布置如图4的千斤顶和位移传感器，在上转盘下用千斤顶施加力，分别用位移计测出球铰由静摩擦状态到动摩擦状态的临界值，从而测出梁体的不平衡力矩。

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图4 测点布置图

4 仪器设备及其安装（表1）

仪器设备安装布置图5。

5 称重工艺试验分析

5.1 前期梁体施工的进度要求

①所有张拉、压浆工作完成；

②梁体（包括梁体护栏）装修做完，防抛网安装完成；

③连续千斤顶作业平台搭设完成；

④基坑、上下转盘和反力座凿毛，撑脚、滑道清理，基坑杂物清理完成；

⑤牵引设备安装调试到位，钢绞线清理穿钢绞线并预紧；

⑥转体牵引配电箱安装连接到位；

⑦撑脚间隙砂子清理干净；

⑧称重前撤除梁顶所有材料、机具、设备；

⑨千斤顶校准完成。

5.2 梁顶标高、轴线测量准备；撑脚编号，撑脚间隙测点标示；在梁顶用白水泥线将配重块放置区域画出。然后测量梁顶标高、复测梁体轴线；测量撑脚间隙。安放位于上下承台之间临时支撑，临时支撑销紧。最后再次复测梁面标高、轴线及撑脚间隙。

5.3 安放称重千斤顶，全部施加5吨预顶力，并检查排除影响梁体转动的障碍物。随后拆除砂箱，测量撑脚间隙，之前配重块和吊车需提前就位，这时方可拆除临时固结，然后再拆除临时支撑。

5.4 称重前初步观察百分表，察看梁体倾斜方向，初步判断梁体平衡或偏移状态；再次查看撑脚间隙。称重时缓慢顶升，分级加载读数。称重时考虑从偏心侧施加顶力，分级施加顶力的大小及加载步骤（见表2）；称重时观测梁端高程变化与千斤顶行程、压力及百分表读数之间的关系。

表2 称重千斤顶加载施力等级表

■

注：此表实际应用时根据千斤顶校准报告换算为压力表的压力分级表。

5.5 落顶、读数。每次完成称重，待指针稳定后读数、计算。计算主要内容有：e、μ、Mz、MG，同时计算出配重量并按计算结果配重。配重完成后要进行二次称重，检验配重情况；直到两端平衡。

5.6 配重完成，上临时支撑，最后再次复测梁体标高、轴线、撑脚间隙。

5.7 试验结果汇总。通过拆架时观测数据表明：转动体纵向球铰摩阻力矩大于转动体不平衡力矩（偏向大里程）。纵向称重试验实测位移、顶力数据见图6、图7。

①17#墩转体纵向不平衡力矩估算为：不平衡弯矩MG=

1338.75kN·m，偏心距e=0.011m；MZ=55781.25KN·m；μ0=0.0589。

②15#墩转体纵向不平衡力矩估算为：不平衡弯矩M=3137kN·m，偏心距e=0.026m。

6 结论

为保证转体的同步、缓慢匀速转动，其转体结构的称重、配重是该转体施工中核心工作，通过对转体球铰部位摩擦力、不平衡力矩的测试，掌握梁体的稳定与平衡情况，在通过配重，使梁体达到平衡，为标高调整、变位和受力状况提供依据，从而确保转体结构安全。

6.1 通过以上论述发现，通过称重，能够准确确认转体桥的平衡状态，是确保转体顺利进行，确保转体安全平稳的必要程序。

6.2 称重前要对梁体的高程进行仔细测量，支撑的拆除要按步骤进行，实时监控，配重设备提前到位，是确保所有约束解除，这些工作要求必须在正式称重前做好。

6.3 在施加称重顶力时要分级逐步进行，超过摩擦平衡点时，称重百分表会出现较大波动，此时应停止施加顶力。此时临界状态下的数据为有效测量数据。

参考文献：

[1]张联燕等.桥梁转体施工[M].人民交通出版社，2002-3-1.

[2]鲁建生，杨永宏，刘继龙.保阜高速公路跨京广铁路转体桥称重试验研究[J].铁道建筑技术，2009（05）.

[3]孙士彦，张华，皮银.转体施工技术[J].铁道标准设计，1998（9）：34-39.endprint

假设F左=F右，L左=L右，取L=5.4m，

计算得F=5176kN。

称重时千斤顶顶力约在5200kN。

2.5 梁体纵向配重

采用重量平衡转体配重方案。该转体方案的思路是：通过配重，使转体梁在静力状态保持平衡，即转体梁的重心线通过球铰竖轴线。此时，配重可按下式计算：

需要配重=N·e /配重悬臂长度。

该方案的好处是配重量小，启动所需牵引力相对较小。由于该方案中对转动体为一点支承，在转动过程中易导致转体梁在竖平面内的晃动。因此，若采取该方案，应尽量减小撑脚与滑道间的间隙。

3 测点布置

在两幅梁的承台底面布置如图4的千斤顶和位移传感器，在上转盘下用千斤顶施加力，分别用位移计测出球铰由静摩擦状态到动摩擦状态的临界值，从而测出梁体的不平衡力矩。

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图4 测点布置图

4 仪器设备及其安装（表1）

仪器设备安装布置图5。

5 称重工艺试验分析

5.1 前期梁体施工的进度要求

①所有张拉、压浆工作完成；

②梁体（包括梁体护栏）装修做完，防抛网安装完成；

③连续千斤顶作业平台搭设完成；

④基坑、上下转盘和反力座凿毛，撑脚、滑道清理，基坑杂物清理完成；

⑤牵引设备安装调试到位，钢绞线清理穿钢绞线并预紧；

⑥转体牵引配电箱安装连接到位；

⑦撑脚间隙砂子清理干净；

⑧称重前撤除梁顶所有材料、机具、设备；

⑨千斤顶校准完成。

5.2 梁顶标高、轴线测量准备；撑脚编号，撑脚间隙测点标示；在梁顶用白水泥线将配重块放置区域画出。然后测量梁顶标高、复测梁体轴线；测量撑脚间隙。安放位于上下承台之间临时支撑，临时支撑销紧。最后再次复测梁面标高、轴线及撑脚间隙。

5.3 安放称重千斤顶，全部施加5吨预顶力，并检查排除影响梁体转动的障碍物。随后拆除砂箱，测量撑脚间隙，之前配重块和吊车需提前就位，这时方可拆除临时固结，然后再拆除临时支撑。

5.4 称重前初步观察百分表，察看梁体倾斜方向，初步判断梁体平衡或偏移状态；再次查看撑脚间隙。称重时缓慢顶升，分级加载读数。称重时考虑从偏心侧施加顶力，分级施加顶力的大小及加载步骤（见表2）；称重时观测梁端高程变化与千斤顶行程、压力及百分表读数之间的关系。

表2 称重千斤顶加载施力等级表

■

注：此表实际应用时根据千斤顶校准报告换算为压力表的压力分级表。

5.5 落顶、读数。每次完成称重，待指针稳定后读数、计算。计算主要内容有：e、μ、Mz、MG，同时计算出配重量并按计算结果配重。配重完成后要进行二次称重，检验配重情况；直到两端平衡。

5.6 配重完成，上临时支撑，最后再次复测梁体标高、轴线、撑脚间隙。

5.7 试验结果汇总。通过拆架时观测数据表明：转动体纵向球铰摩阻力矩大于转动体不平衡力矩（偏向大里程）。纵向称重试验实测位移、顶力数据见图6、图7。

①17#墩转体纵向不平衡力矩估算为：不平衡弯矩MG=

1338.75kN·m，偏心距e=0.011m；MZ=55781.25KN·m；μ0=0.0589。

②15#墩转体纵向不平衡力矩估算为：不平衡弯矩M=3137kN·m，偏心距e=0.026m。

6 结论

为保证转体的同步、缓慢匀速转动，其转体结构的称重、配重是该转体施工中核心工作，通过对转体球铰部位摩擦力、不平衡力矩的测试，掌握梁体的稳定与平衡情况，在通过配重，使梁体达到平衡，为标高调整、变位和受力状况提供依据，从而确保转体结构安全。

6.1 通过以上论述发现，通过称重，能够准确确认转体桥的平衡状态，是确保转体顺利进行，确保转体安全平稳的必要程序。

6.2 称重前要对梁体的高程进行仔细测量，支撑的拆除要按步骤进行，实时监控，配重设备提前到位，是确保所有约束解除，这些工作要求必须在正式称重前做好。

6.3 在施加称重顶力时要分级逐步进行，超过摩擦平衡点时，称重百分表会出现较大波动，此时应停止施加顶力。此时临界状态下的数据为有效测量数据。

参考文献：

[1]张联燕等.桥梁转体施工[M].人民交通出版社，2002-3-1.

[2]鲁建生，杨永宏，刘继龙.保阜高速公路跨京广铁路转体桥称重试验研究[J].铁道建筑技术，2009（05）.

[3]孙士彦，张华，皮银.转体施工技术[J].铁道标准设计，1998（9）：34-39.endprint