张呼铁路跨京包线铁路墩顶转体桥不平衡称重试验研究

董刚

摘要：新建张呼铁路怀安站特大桥跨京包铁路连续梁采用墩顶转体法施工，为了保证桥梁转体顺利进行，需对T构进行不平衡称重试验分析。本文通过工程实例，阐述不平衡称重试验方法和应用过程中的技术难题，对墩顶转体梁转动体不平衡力矩、偏心距、摩阻力矩及转动球铰静摩擦系数的测试分析和称配重方法等关键技术做了介绍，为类似连续梁桥上转体工程提供借鑒。

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.

关键词：墩顶转体施工；不平衡称重；试验研究

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

中图分类号：U445.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）33-0146-04

0 引言

随着我国铁路建设的飞快发展，对工程建设施工安全要求越来越高，为了减少桥梁上部结构施工对既有铁路行车安全和运营的影响，跨越既有线桥梁越来越多要求采用转体法施工[1]，目前下转体平转技术得到了广泛的应用，随着桥梁技术的发展，墩顶转体通过在墩顶与梁体之间设置转体系统，在转体时只需要转动桥梁梁体即可，这样大大减轻了转体质量，并且经济安全，其在转体桥施工中有很大的应用前景。为了墩顶桥梁转体达到顺利、安全、平稳的目标，就必须确保梁体在转动过程中达到平衡状态[2]，需通过不平衡称重试验确定转动体的不平衡力矩以及静摩阻系数，再根据测试结果制定合理的配重方案，通过平衡配重将转动体重心调整至目标状态[3]。本文以新建张呼铁路怀安站特大桥跨京包铁路（60+100+60）m连续梁为实例，简要地介绍下本桥不平衡称重实验的关键技术。

1 工程概述

新建张呼铁路怀安站特大桥连续梁为（60+100+60）m现浇预应力混凝土连续箱梁，跨Ⅰ级双线电气化既有京包铁路，属繁忙干线。立面图见图1。梁体为单箱单室、变高度、变截面结构。支点处粱高7.29m，跨中梁高4.69m，底板厚度和梁高按二次抛物线变化。箱梁顶宽12.2m，箱梁底宽6.4m。

为了尽最大可能减少邻近营业线施工对既有铁路正常运输的干扰，该桥计划采用悬臂梁段现浇+墩顶整体旋转施工技术，以确保既有电气化铁路行车和上跨桥施工安全[4]。即先在铁路两侧墩顶悬臂浇筑梁体（49+49）m，待梁体悬臂施工完后，接着进行整体对称梁段转体支承体系的转换，使得上转盘支承于安设好的球铰上，随后施加转动力，使转台绕球铰中心轴转动，转体到位后，精确测量其平面位置、标高，在均符合设计位置后临时锁定梁体，按照“先边跨、后中跨”的顺序进行合龙段施工，最后完成支座体系的转换。

墩顶转体结构共由四部分组成，分别为下转盘、球铰、上转盘和转体牵引系统，球铰中心转盘球面半径R=3.645m，上转盘平面半径2.55m，下转盘平面半径为2.44m，转体约53.6吨重，转体角度60°。为确保在既有铁路要求的有限天窗时间内完成转体施工，应通过不平衡试验得到相关参数，满足桥梁转体的配重要求，消除可能影响转动体平稳顺利转动的未知因素，为该桥转体施工的控制和决策提供重要依据[5]。

2 墩顶转体关键试验技术

2.1 墩顶转体不平衡测试理论原理 本桥用测试转体位移突变的方法进行不平衡力矩的计算，以在称重过程中对称梁体可以绕球铰中心轴发生刚体转动为前提，对称梁体在测试过程中施加转动力的同时要对球铰的切向转动位移进行监测，并根据监测数据绘制出二者的关联曲线，静摩擦与动摩擦的临界状态为位移发生突变时所对应的状态，采用绘制顶力与位移曲线的方法找出临界点。在测试刚体位移突变时一般均采用不平衡力矩法，因其具有受力明确，且不涉及挠度等较多参数等因素的影响，结果比较准确，使用的测试设备比较简单等特点，在实践中具有较强的实用性和有效性[6]。

2.1.1 球铰摩阻力矩和转动体不平衡力矩计算 解除上下转盘临时固结和撑脚后，转动体T构会出现以下两种不同的平衡状态。

2.2 判断不平衡状态

2.2.1 理论配重 转体前，由于本桥边跨和中跨梁体预应力锯齿块偏差、合龙段吊架、施工误差和其他荷载等因素影响，在解除临时固结和砂箱时，转体两端不平衡力矩过大，考虑到解除临时固结和卸砂箱时转动体的安全，需对转动体进行理论偏心计算[8]，计算出理论不平衡力矩，再根据不平衡力矩进行相应的理论配重。本桥计算得出结果表明52#、53#墩转体配重前纵桥向不平衡力矩分别为452t·m、1016t·m（向中跨方向偏心）。称重试验前在边跨侧距梁端4m位置放置10.4t、26t试块作为配重。

2.2.2 平衡状态判断 理论配重完成后，在逐步解除临时固结措施过程中，位移传感器应分别平均布设于下转盘四周，以探测和判别当拆卸砂箱时转体的平衡状态。本次共布设了8个百分表于桥墩下转盘四周，百分表依次编号如图4所示。测试判断步骤：①测试并安装好传感器，并做好初始数据记录。②将撑脚及滑道内的杂物彻底清理干净，支座临时性支撑应对称依次拆除，并跟踪测量与持续观测，期间应着重观察撑脚是否随着临时性支撑装置的拆除连续向一侧下沉，以此判定转动体体系的平衡状态。砂箱卸载前后百分表读数如表1所示。

据表1转体砂箱在卸载前后的百分表读数值可以判断，52#、53#墩转体存在向边跨方向纵向的偏心，无横向偏心，但撑脚未接触到滑道，说明转动体不平衡力矩小于摩阻力矩。

2.3 试验测试仪器布置 首先是千斤顶数量的估算：转体重量暂按5360t估算，球铰转动半径3.645m，估算千斤顶距中心距离约3.7m，根据经验得出静摩阻系数，取值范围0.03～0.06，本次取0.05，则千斤顶顶力=静摩阻系数×转动体的重量×球铰转动半径/千斤顶距中心距离，得千斤顶顶力为2640.2kN，考虑一定的富余量，需要500t千斤顶4台。

因52#、53#墩转体卸载后撑脚碰触滑道的情况未出现，不存在横向偏心，依据试验方案进行了称重试验，T构撑脚未着地，此种情况下，两侧分别进行施加顶力。本试验于墩顶上转盘上施加顶力，分别对转体梁中心线两侧进行顶放，通过油压表读数以及所提供的回归方程得到反力值，同时在上转盘底周围布置4个位移传感器，用以测试球铰的微小转动。测试仪器布置方式如图5所示。

2.4 试验测试数据分析

根据选定断面处对千斤顶逐级加力与预先安装的位移传感器记录的现场数据，确定出位移出现突变的拐点，即球铰处于克服静摩阻力的临界状态；最后移动设备至另一侧，重复以上试验，绘制P-△曲线，判断临界力[9]。52、53号墩测试数据详见表2，根据表2绘制顶力和位移关系图，见图6，由图可知，52、53号墩边跨方向施加顶力时，当顶力分别为2400kN时，百分表位移出现拐点；中跨方向施加顶力时，当顶力分别为1600kN、2800kN时，百分表位移出现拐点，则各拐点即为相应转动体发生微小转动时的临界力。

2.5 转体试验参数计算

根据试验测试结果，该梁的平衡状态属于转动体球铰摩阻力矩大于转动体不平衡力矩情况，按照上述的不平衡称重原理理论公式分别求出摩阻系数、摩阻力矩、不平衡力矩和偏心矩。本橋的试验参数计算结果见表3。

3 二次配重

本桥采用梁体纵向倾斜配重方案[10]，该方案在转体梁的一侧梁端实施配重，配重的大小应保证新的重心偏移量满足《高速铁路桥涵工程施工技术规程》Q/CR9603-2015第13.5.4条要求，即配重的大小应保证配重后的偏心矩满足5cm≤e≤15cm[11]。同时为了保证配重卸载的安全，配重应设置在非跨铁路孔一侧，使转体不平衡力矩偏向非跨铁路孔。配重后偏心距可按下式计算：

式中，F为配重；L为配重距球铰数值轴距离；e为配重后偏心距；N为考虑配重后的总重量。本桥分别在52、53号墩边跨侧42.1m和41.5m的位置配重2.6t和5.2t后，转体不平衡力矩偏向非跨铁路孔，且偏心距为5cm和5.5cm，配重满足规范要求。

4 结论

本桥在转体实施过程中，52号墩，启动牵引力406kN，转动牵引力110kN；53号墩，启动牵引力417kN，转动牵引力115kN，均小于理论设计值（启动牵引力538.53kN，转动牵引力323.12kN），满足要求。同时转体时间比既有铁路天窗给点时间提前一半转体到位，转体施工取得了圆满成功。总结本次转体桥称重试验的经验，对转体桥不平衡称重试验技术应注意以下几点：①称重试验前应做好各阶段方案的研究与编制，同时加强理论计算分析，做好现场数据的采集工作，实现称重试验的目标，确保转体平稳顺利进行[12]。②称重实验之前，应该对转动体理论不平衡重进行分析，进行合理的理论配重，确保解除临时固结和拆卸砂箱时转动体结构的安全。③拆除砂箱前，在下转盘四周布置百分表，通过百分表读数变化来直观的判断转动体的不平衡状态。④卸落砂箱之前，应做好清障检查，清除所有杂物和转体过程中不需要的施工机具和材料，减少转动体总重量和避免出现横向偏心；同时保证转动体撑脚脱空，检查转盘下有无其它支撑点，避免影响试验测试结果的正确性。⑤配重时应做好配重材料的选择，按配重方案要求横向居中均匀摆放，严禁横向偏心堆放，并确保配重后材料堆放的安全稳定性。⑥转动体配重的重心偏向边跨即非跨铁路侧，配重后偏心距宜满足转体施工偏心值5～15cm的要求。⑦称重测试、配重、转动前后分别做好桥梁线形监控和应力监测，为了校对转动体是否发生刚体转动，需在测试转动体T构两悬臂端进行高程测量，及时进行数据分析和处理，便于指导工程施工。

参考文献：

[1]张联燕，程懋方，谭邦明，等.桥梁转体施工[M].人民交通出版社，2002：12-25.

[2]侯玉林.北京房山轨道交通线上跨丰西编组站节点桥转体称重试验研究[J].铁道建筑技术，2011（8）：28-29，58.

[3]郭恒.北盘江大桥12000t转体球铰的研制与应用[J].材料开发与应用，2001，16（5）：36-39.

[4]袁可.桥梁转体施工的关键控制点分析[J].铁道建筑技术，2016（5）：9-11.

[5]陈富强，夏培华.运梁河特大桥转体梁不平衡重称重试验分析[J].中国港湾建设，2012（3）：57-58.

[6]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（5）：108.

[7]蒋红卫，郑晨.跨沪宁高速公路大吨位钢球铰转体施工工艺[J].世界桥梁，2011（5）：15-18.

[8]谭雷平.大吨位转体桥称重方法及结果分析[J].铁道建筑技术2011（8）：17-19.

[9]李秀东.荣乌高速公路孤庄营跨线桥转体不平衡称重试验研究[J].铁道建筑技术2012（4）：29.

[10]Q/CR9603-2015，高速铁路桥涵工程施工技术规程[S].中国铁道初版社，2011：137-139.

[11]宝成德.桥梁转体施工工艺的研究与应用[J].辽宁交通科技，2003（6）：15-16.

[12]张相玺.跨铁路同步转体桥施工阶段梁体应力及变形监测研究[J].铁道建筑技术，2016（8）：23-26.