桥梁初始偏心下桥梁平衡转体称重实验原理研究

翟鹏程 刘 涛 邹 汛

(1.山西交通控股集团有限公司晋城高速分公司 晋城 048000；2.武汉理工大学土木工程与建筑学院 武汉 430070； 3.武汉马房山理工工程结构检测有限公司 武汉 430070)

桥梁转体施工[1]始于20世纪40年代，是由于场地限制或者为了跨越铁道线路，而在其两侧通过支架搭建或利用现场地形进行现场浇筑，再通过结构的转动将梁体合龙的施工方法。我国已建的转体施工桥梁约有100余座[2]。转体施工中为保证桥梁转体的安全平稳，则需要进行称重实验来确定桥梁的偏心情况，并加以配重保证转体桥球铰中心承重，同时确定球铰的摩擦系数及启动牵引力。

关于称重实验的原理现已有很多研究成果[3-5]。颜华惠等[6]对现行称重实验测量球铰静摩阻力进行了改进，但未考虑初始偏心的影响。郭宁等[7]在计算启动牵引力的时候，考虑了滑道对转动的影响，但未考虑初始偏心距对转体系统的影响。本文基于现有称重实验原理，考虑初始偏心距的影响，并用实际工程进行计算分析，验证考虑初始偏心距计算方法的优越性。

1 称重实验原理

桥梁转体要顺利、安全、平稳，必须保证梁体在转动过程中始终处于平稳状态,并且牵引系统能提供充足、稳定的牵引力。

通过转体重心计算偏心距，由于各参数无法全部精确控制获取，会存在实际偏心与理论计算不一致的情况，因此，需要在转体前进行称重试验，以了解结构的实际偏心状态，通过称重试验测试转动体的不平衡力矩及静摩阻系数，从而制定相应的配重实验方案，并根据实际支承情况计算启动牵引力，确保牵引系统的动力安全系数满足要求。

1.1 摩阻力矩大于转动不平衡力矩

1) 考虑初始偏心距对结果的影响。在转动梁体左侧用千斤顶进行顶升，当顶升力矩等于摩阻力矩及不平衡力矩之和，再加大顶升力时，梁体由原先的静摩阻力变为动摩阻力，此时，梁体球铰产生微小转动，如图1所示，图中假设偏心在左侧。

图1 左侧顶升

此时平衡方程为

P1(L1-e)-Ge=MZ

(1)

式中：P1为沿纵轴线左侧千斤顶顶推过程中使球铰产生微小转动瞬间的顶力；L1为顶推力至球铰中心处力臂长度；e为桥梁重心偏心距；G为桥梁重量；MZ为摩阻力矩。

在转动梁体右侧用千斤顶进行顶升，当顶升力矩及不平衡力矩之和等于摩阻力矩，再加大顶升力时，梁体由原先的静摩阻力变为动摩阻力，此时，梁体球铰产生微小转动，受力示意见图2。

图2 右侧顶升

此时平衡方程为

P2(L2+e)+Ge=MZ

(2)

式中：P2为沿纵轴线右侧千斤顶顶推过程中使球铰产生微小转动瞬间的顶力；L2为顶推力至球铰中心处力臂长度。

结合式(1)与式(2)，即可得到

(3)

(4)

Mg=Ge

(5)

(6)

式中：Mg为转动不平衡力矩；μ为静摩擦系数；R为球铰球面半径。

根据现行规范，可得到转体启动牵引力

(7)

式中：D为启动牵引力偶臂。

2) 不考虑初始偏心距的影响。若不考虑初始偏心距，得e与MZ为

(8)

(9)

1.2 摩阻力矩小于转动不平衡力矩

1) 考虑初始偏心距对结果的影响。当MZ

当撑脚与滑道接触时，此时只能在撑脚落地一侧施加顶推力，当顶升力矩等于摩阻力矩及不平衡力矩之和，再加大顶升力时，梁体由原先的静摩阻力变为动摩阻力，此时，梁体球铰产生微小转动，如图3所示，图中仍假设偏心在左。

图3 左侧顶升

此时平衡方程为

P1(L1-e)-Ge=MZ

(10)

继续试验，此时左侧千斤顶开始卸载回落，当顶升力矩与摩阻力矩之和等于不平衡力矩，再减小顶升力时，梁体由原先的静摩阻力变为动摩阻力，此时，梁体球铰产生微小转动，如图4所示。

图4 右侧顶升

此时平衡方程为

Ge-P(L1-e)=MZ

(11)

式中：P为千斤顶回落过程中球铰产生瞬时转动的顶力。

结合(10)与(11)，即可得到

(12)

(13)

其他参数计算，均同于式(5)～(7)。

2) 不考虑初始偏心距的影响。若不考虑初始偏心距，则得出结果e与MZ为

(14)

(15)

2 工程实例分析

2.1 工程概况

本桥为汉十高铁65 m+100 m+65 m悬臂施工预应力连续梁桥，其跨越下方铁路交通系统，转体系统桥梁布置见图5，转体部分主要参数见表1。

图5 主桥布置图(单位：cm)

表1 转体系统主要参数

2.2 测点布置

称重试验测试仪器布置见图6、图7。

图6 称重试验仪器布置立面图(单位：cm)

图7 称重试验球铰处仪器布置平面图(单位：cm)

在桥梁转动体两侧对称于桥梁中心线布置4台4 000 kN千斤顶，用以在称重试验时对转动体进行顶放，测试试验过程中临时支点的反力值。

如图8、图9所示，在两侧撑脚处位置布置4个竖向百分表，记录每级加载时相应的竖向位移。在相邻位置布置4个水平向百分表记录每级加载时相应的水平位移，用以综合判断球铰转动的临界状态，合理确定临界力值。

图8 百分表横向布置大样图(单位：cm)

图9 百分表竖向布置大样图(单位：cm)

2.3 测试结果及分析

取319号墩测试结果，如表2 、表3所示。

表2 中跨侧加载位移数据

注：表中竖向位移值正号为上升，负号为下降；横向位移以十堰方向为正，以武汉方向为负。

表3 边跨侧加载位移数据

注：表中竖向位移值正号为上升，负号为下降；横向位移以十堰方向为正，以武汉方向为负。

根据表2绘制中跨力-位移曲线，见图10。

图10 中跨侧顶升力-位移变化图

由图10可知，中跨侧突变值P1=1 241.3 kN。

根据表3绘制边跨力-位移曲线见图11。

图11 边跨侧顶升力-位移变化图

由图11可知，边跨侧突变值P2=2 342.6 kN。

由于顶升之前，转体系统没有滑落，则可知摩阻力矩大于不平衡力矩，则通过考虑初始偏心距可计算出结果，并汇总于表4。

表4 考虑初始偏心距结果

若运用不考虑初始偏心距的公式计算，则结果汇总于表5。

表5 不考虑初始偏心距结果

由于实际启动牵引力为400 kN，考虑初始偏心其结果误差为13.1%，而规范算法为71.7%，因此，考虑初始偏心距算法在精度上有明显提升。

3 结论

1) 静摩擦系数计算精度提升，从而提升了启动牵引力的精确度，确保了桥梁转体启动的安全性。

2) 现场由于启动操作等误差存在，有可能导致实验数据精确度不足，因而在算法上需要更加精确。考虑初始偏心距更加符合工程情况。