温家窑跨京包铁路特大桥连续梁转体前平衡称重及配重技术

张伟刚

摘要：在转体施作前，准确进行梁体不平衡称重，及称重结果进行相应的配重是确保转体顺利安全进行的根本保证，本文依托于新建大张高速铁路温家窑跨京包铁路特大桥连续梁跨越京包铁路上下行线时转体施工的施工实践，详细阐述了连续梁转体时称重及配重的方法，为同类施工提供了参考数据。

Abstract： Before the operation of the swivel， accurate beam imbalance weighing and corresponding counterweight of weighing results are the fundamental guarantee for the smooth and safe operation of the swivel. Based on the construction practice of swivel construction extra-large bridge of Wenjiayao crossing Jingbao Railway， this paper expatiates the method of weighing and counterweight in the swivel of continuous beam， to provide the reference data for the similar construction.

关键词：高铁桥梁；连续梁；转体；称重；配重

Key words： high-speed bridge；continuous beam；swivel；weighing；counterweight

中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）01-0117-05

0 引言

连续梁的转体作为一种新技术，很好地解决了因条件受限，而不能采用支架现浇及挂篮悬浇连续梁的问题。但转体施工时需确保转体两侧悬臂的梁体相对转体中心而言处于一定的平衡状态，即确保两端重力作用于转轴处的力矩平衡。连续梁在施工时，其各部位尺寸不可能与设计完全相同，故无法按设计尺寸进行两侧平衡力矩的计算。故需要采取措施及方法，对连续梁的梁体进行称重，得出两端不平衡力矩之差和重心偏移量，然后采取配重措施，将梁体重心调整至施工所需适宜位置，同时通过称重以获知球绞摩擦系数和摩阻力矩，为转体方案的制定及实施提供决策依据。本文通过大张高速铁路温家窑特大桥主跨连续梁转体施工时的称重试验及配重措施作了阐述，以期给其它转体工程的施工提供有益的参考经验。

1 工程概况

新建大张高速铁路温家窑特大桥连续梁位于DK73+693.3～DK73+870.80处，采用（48+80+48）m悬臂现浇+转体预应力混凝土连续梁跨越京包铁路上下行线，主跨与既有京包线天镇至永嘉堡间上行线（K274+877.84）相交，下行线（K274+902.19）相交，呈42°夹角。

该桥靠自身重量平衡转体，跨度大，两侧悬臂长各39m，转体总重量约为47000kN，转动体系为钢球绞与撑脚滑道体系，上转盘预设牵引索。

2 称重试验的目的

连续梁浇筑完成后，由于球铰制造安装水平及竖向误差、梁体尺寸差异及张拉程度差别等的存在，导致连续梁两端相于球絞中心产生的力矩存在不平衡，存在梁体倾覆的安全隐患。为此，需对梁体进行称重，以获知两端不不平衡力矩、偏心矩、摩阻力矩及球绞静摩擦系数。

3 称重试验的实施方法

3.1 称重试验的原理

称重试验假设梁体可以绕球铰发生刚体转动，施加转动力矩在梁体上，并测试球铰的切向转动位移，得到二者的关系曲线，当位移发生突变时，所对应的状态为静摩擦与动摩擦的临界状态，因为转动力矩与竖向顶力，切向转动位移与竖向位移之间存在固定的比例关系，因此，可以直接绘制顶力-位移曲线，找出临界点。

3.1.1 球铰摩阻力矩和转动体不平衡力矩计算

当梁体现浇拆除后，连续梁处于以下两种可能的状态下。

整个梁体的平衡表现为两种形式之一，见图1、图2、图3。①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；②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。

由于随着平衡状态的变化，适宜的转体参数的测试方式也是不同的，所以确定转体体系的平衡姿态至关重要。

①转动体球铰摩阻力矩大于转动体不平衡力矩。

设转动体重心偏向大里程一侧，在小里程一侧承台实施顶力P1（见图1）。当顶力P1逐渐增加到使球铰发生微小转动的瞬间，有：P1·L1+MG=MZ （1）

设转动体重心偏向大里程一侧，在大里程一侧承台实施顶力P2（见图2）。当顶力P2逐渐增加到使球铰发生微小转动的瞬间，有：P2·L2+MG=MZ （2）

解方程（1）和（2），得到：

不平衡力矩：MG=

摩阻力矩：MZ=

②转动体球铰摩阻力矩小于转动体不平衡力矩。

设转动体重心偏向大里程一侧，此种情况下，只能在大里程一侧承台实施顶力P2（见图3）。当顶力P2（由撑脚离地的瞬间算起）逐渐增加到使球铰发生微小转动的瞬间，有：P2·L2=MG+MZ （3）

当顶升到位（球铰发生微小转动）后，使千斤顶回落，设为千斤顶逐渐回落过程中球铰发生微小转动时的力，则

P'2·L2=MG-MZ （4）endprint

解方程（3）和（4），得到：

不平衡力矩：MG=

摩阻力矩：MZ=

3.1.2 摩阻系数及偏心距

转动体球铰静摩擦系数的分析计算称重试验时，转动体球铰在沿梁轴线的竖平面内会出现微小角度的竖转，具体来说就是发生逆时针、顺时针方向微小转动。摩擦面每个微面积上的摩擦力对过球铰中心竖转法线的力矩之和即为摩阻力矩。

球铰静摩阻系数：μ=

转动体偏心距：e=

式中，N表示转体重量；R表示球铰中心转盘球面半径。

3.2 称重测点布置及测设数据处理

完成两幅梁施工后，观察撑脚。若观察中发现全部的撑脚都没有和滑道钢板接触，那么表明两幅梁的平衡处于“转动体球铰摩阻力矩大于转动体不平衡力矩”的状态，即状态①。根据该状态的测试方法，在两幅梁上转盘顶面布置千斤顶和位移传感器，实施两幅梁的不平衡力矩、摩阻力矩测试，以便确定出实际偏心距、摩阻系数，为安全、平稳的转体实施方案提供依据。

千斤顶数量估算：转动体重按4610t估算，球铰转动半径6.0m，千斤顶距中心距离约为4.65m，静摩阻系数根据实测经验，一般为0.03～0.06，取0.05，则千斤顶顶力=0.05×4610×6.0/4.65=297.4t，考虑一定的富裕量，准备460t千斤顶2台。千斤顶布置如图4所示。

为监测转动体拆除临时固结时的偏心情况，在下转盘四周均匀布置8个百分表，如图4所示。

■

3.3 测试设备及性能

①位移传感器：量程50mm的百分表8个，精度0.01

mm。②压力传感器：长沙金码生产的智能型压力传感器2台，最大量程5000kN，精度1kN。③压力采集系统：长沙金码智能综合测试仪1台。④笔记本电脑1台。⑤数码相机1台。

所需要的主要仪器设备及数量如表1所示。

3.4 试验步骤

3.4.1 判断转体平衡状态

逐步解除临时固结措施期间，如图3所示，在下转盘四周布置位移传感器，测试步骤：①完成两幅梁施工后，布置传感器，读取初读数。②撑脚及滑道进行清理，慢慢对称解除支座的临时支撑，进行连续测量，通过观察撑脚是否异常判断转体体系的平衡状态。

3.4.2 称重步骤

①将位移传感器和千斤顶安装在选定断面处；②调整千斤顶，使所有顶升千斤顶处于设定的初始预压状态，记录压力传感器及位移传感器读数；③千斤顶逐级加力，记录位移传感器和压力传感器数值，直到位移出现突变；④绘制P-△曲线，判断临界力（同样试验重复两次）；⑤移动设备至另一侧，重复以上试验；⑥计算确定不平衡力矩、摩阻力矩、摩阻系数、偏心矩；⑦按梁体纵向倾斜配重方案，计算配重重量、位置及配重后的偏心矩。

3.5 测试结果分析及处理

3.5.1 27号墩转动体称重试验结果

称重试验前对27号墩转动体进行理论偏心计算，计算结果表明27号墩转动体配重前纵桥向不平衡力矩1231.6t.m（向中跨偏心）。考虑到卸砂箱时转动体的安全，称重試验前在边跨侧距梁端4m位置放置36.8t试块作为配重。

为判断卸砂箱时转动体的平衡状态，在下转盘四周均匀布置8个百分表，百分表编号如图5所示。砂箱卸载前后百分表读数如表2所示。

由表2转动体砂箱卸载前后百分表读数值可以判断，27号墩转动体向中跨方向偏心，但撑脚没有接触到滑道，说明转动体不平衡力矩小于摩阻力矩。

由于27号墩转动体卸载后没有出现撑脚接触滑道的情况，根据试验方案对其进行了称重试验，千斤顶和百分表编号如图5所示，试验顶升力与位移测试结果如表3、表4、图6、图7所示。

根据表3、表4、图6、图7可知，中跨方向施加顶力时，当顶力为2400kN时，3#百分表位移出现拐点；边跨方向施加顶力时，当顶力为2300kN时，1#百分表位移出现拐点。

由以上实测数据计算得到27号墩转动体摩阻力矩、静摩阻系数、偏心距、不平衡力矩、配重等参数如表5所示。

3.5.2 28号墩转动体称重试验结果

在称重试验前对28号墩转动体进行了理论偏心计算，计算结果表明28号墩转动体配重前纵桥向不平衡力矩1082.4t.m （向中跨偏心）。考虑到卸砂箱时转动体的安全，称重试验前在边跨侧距梁端4m位置放置32.2t试块作为配重。

为判断卸砂箱时转动体的平衡状态，在下转盘四周均匀布置8个百分表，百分表编号如图8所示。砂箱卸载前后百分表读数如表6所示。

由表6转动体砂箱卸载前后百分表读数值可以判断，28号墩转动体向边跨方向偏心，但撑脚没有接触到滑道，说明转动体不平衡力矩小于摩阻力矩。

由于28号墩转动体卸载后没有出现撑脚接触滑道的情况，根据试验方案对其进行了称重试验，千斤顶和百分表编号如图8所示，试验顶升力与位移测试结果如表7、表8、图9、图10所示。

根据表7、表8、图9、图10可知，边跨方向施加顶力时，当顶力为3400kN时，3#百分表位移出现拐点；中跨方向施加顶力时，当顶力为2800kN时，1#百分表位移出现拐点。

由以上实测数据计算得到28号墩转动体摩阻力矩、不平衡力矩、偏心距、静摩阻系数、配重等参数如表9所示。

4 结论

温家窑跨京包铁路特大桥（48+80+48）m连续梁27号墩、28号墩转动体称重试验2017年8月2～4日完成了现场称重、配重工作，结论为：

①27号墩转动体称重试验前，在边跨方向距梁端4m预配重36.8t。经称重试验得转动体纵向不平衡弯矩为23.25t.m，摩阻力矩为1092.75t.m，静摩阻系数为0.041，纵向偏心距0.005m（向中跨偏心）。处于安全考虑，偏心偏向中跨后，万一发生倾覆，梁体极有可能倾覆到京包线上，影响京包铁路的安全运营，因此需要进行二次配重，使27号墩偏心距偏向边跨方向。最终二次配重6.9t，配重后纵向偏心距为0.05m（向边跨偏心）。根据《高速铁路桥涵工程施工技术规程》（Q/CR 9603-2015）的规定，要求转体梁的偏心距处于5～15cm之间。因此27号墩称重结果满足规范要求！

②28号墩转动体称重试验前，在边跨方向距梁端4m预配重32.2t。经称重试验得转动体纵向不平衡弯矩为139.5t.m，摩阻力矩为1441.5t.m，静摩阻系数为0.053，纵向偏心距0.030m（向边跨偏心）。二次配重4.6t，配重后纵向偏心距为0.06m（向边跨偏心）。根据《高速铁路桥涵工程施工技术规程》（Q/CR 9603-2015）的规定，要求转体梁的偏心距处于0.05～0.15m之间。因此28号墩称重结果满足规范要求！

5 结束语

采用球绞法进行称重，不仅能够获得转动体的不平衡力矩，还获得了球绞的摩擦系数及摩阻力矩等，为转动体的牵引力计算及牵引设备的配备方案提供了依据，达到事半功倍的效果。施工实践表明，采用球绞转动法测设转动体不平衡力矩的结果是合理可靠的，确保了转体施工的顺利进行，在施工中具有较大的推广运用价值。

参考文献：

[1]铁道部.铁路桥涵工程施工安全技术规程（TB10303-2009）[S].北京：中国铁道出版社，2009.

[2]张联燕.桥梁转体施工：桥梁施工机具设备[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3]文妮.跨武广高铁特大桥连续梁转体施工技术[M].交通标准化，2013，1（1）.endprint