不平衡称重试验及配重技术在桥梁水平转体施工中的应用

杨保科

(中铁十六局集团第二工程有限公司，天津 300162)

天津市四纬路工程是天津市滨海新区(汉沽区)通往天津市滨海北站的一条重要的横向主干道。该工程中重难点工程为长2 m×73 m，宽32 m，旋转重量1.6万t T型刚构转体桥。该桥跨天津至山海关繁忙铁路客运干线——津山线，津山铁路为上下行两股电气化客运铁路线。

该工程转体桥与津山铁路呈46°夹角，单箱三室结构，沿津山铁路平行方向在铁路一侧接触网外进行支架现浇。箱梁张拉压浆后拆除支架，进行称配重试验，试转、正式转体，合拢就位通车。转体法施工箱梁预制阶段对铁路影响小。

1 称重试验的意义及目的

通常，平转法施工是最常见的一种转体方法。通过称重试验可推算出现阶段梁体重心位置，通过对旋转体配重可重新调整旋转重心至既定位置，可有效提高转体过程中的安全问题。

转体施工的核心技术是转动支座，转动支座的制作安装精度直接影响旋转过程的稳定性。该支座由一种可旋转的上下球铰结合而成，往往在厂家组合完成。由于设计和施工误差等客观因素的存在，旋转的重心位置不可能绝对位于转动中心轴线上，旋转过程如果出现严重偏心，不仅会大大增大千斤顶牵引拉力，还可能严重威胁工程的质量和安全，称重试验意义重大。

该文围绕该桥梁的结构及施工特点，通过称重试验确定各项参数(摩阻系数、不平衡力矩、转体配重、转体偏心控制等参数)，通过对参数研究保证梁体旋转阶段的整体安全稳定，完善桥梁水平转体施工方法。

2 称重试验原理及方法

临近既有运营铁路施工，安全要求高，桥梁转体必须保证过程平稳安全。当箱梁支架拆除后梁体成悬臂状态，转体的不平衡力矩及旋转支座的摩阻力矩共同作用成为平衡体系。通过称重试验可以测定转动体部分的相关参数，通过这些参数(纵横桥向不平衡力矩、纵横向偏心距、支座的摩阻力矩及摩擦系数等)确定配重量大小，通过配重可将梁体转动的中心位置调整至允许的合适位置后再进行旋转就位。

采用千斤顶顶落过程促使支座转动来测试旋转体的不平衡力矩，方法简单，效果明确。由于不考虑桥梁挠度影响，采用测试刚体位移突然变化的临界状态，确定各项参数。

当支架拆除后，梁体出现两种情况:一是摩阻力矩(MZ)≥不平衡力矩(MG)。此时在支座的摩阻力矩和不平衡力矩的共同作用下保持平衡状态，桥梁并不转动。

假设旋转体的中心偏向桥梁小里程的一侧，应分别在大里程和小里程两个方向分等级起顶，若同时观察到百分表位移值突然增大，即达到临界状态，此时摩阻力矩、不平衡力矩、千斤顶力矩三者平衡。

此时分别有

P1·L1+MG=MZP2·L2=MG+MZ

联立两式可得

MG=(P2·L2-P1·L1)/2MZ=(P1·L1+P2·L2)/2

若MG是正数，则说明不平衡力矩方向与假设相同(偏向桥梁小里程的一侧)，若MG是负数，则说明不平衡力矩方向与假设相同相反(偏向桥梁大里程的一侧)。

二是摩阻力矩(MZ)<不平衡力矩(MG)，梁体会绕旋转支座旋转，当撑脚与滑道钢板一旦接触，转动结束。转动体系的平衡由3部分(摩阻力矩、不平衡力矩和钢撑脚对支座中心的力矩)组成。

假设拆除砂箱后位于小里程一侧的撑脚先落地，则旋转中心偏向小里程一侧，则需要在小里程侧分别进行起顶和落顶操作，同时观察到起顶和落顶过程中百分表位移值出现突然增大时的各项参数，此时状态千斤顶力矩、摩阻力矩、不平衡力矩三者趋于平衡。

此时分别有

P升·L=MG+MZ；P落·L+MZ=MG

联立两式可得

MG=(P升·L+P落·L)/2;MZ=(P升·L-P落·L)/2

砂箱拆除之后确定称重方式。

3 试验内容

称重试验内容：主要测试相关参数(旋转结构的偏心距、不平衡力矩、摩阻系数及摩阻力矩)并将结果和理论计算值进行比较。明确是否需要配重，以保证旋转过程安全进行和精确合拢。

该试验要求在桥梁试转前进行称重试验，在称重前拆除所有支撑架，测试内容包括测试旋转部分的横、纵向不平衡力矩；测试旋转部分的纵、横向偏心距；测试转体支座的摩擦系数、摩阻力矩；完成转体结构的纵、横桥向配重。

4 试验流程

4.1 测点布置

根据设计：N=155 000 kN,SR=5.4 m,μ=0.05

得到设计静摩阻力矩为：0.98×0.05×155 000×5.4=41 013 kN·m。

在距转体梁中心线约5.7 m(可根据现场条件进行适当调整)处各设置2台400 t千斤顶、荷载计及4个位移计(百分表)。通过千斤顶对转体梁进行顶放，观察4个位移计(百分表)变化，测试转体球铰的转动变化，以确定转体梁的不平衡力矩。千斤顶的安装位置位于撑脚之间。

4.2 所用设备

1)位移计(百分表)6只(两只备用)；2)400 t千斤顶4套(含液压泵站)；3)钢板6块，规格400 mm×400 mm×20 mm；4)钢垫块若干，由于上下转盘间距往往有1 m以上，千斤顶高度不够需用钢垫块填充；5)配电箱、插座；6)配重材料。

4.3 称重试验步骤

1)撤除梁顶所有材料、机具、设备；

2)观测上转盘撑脚距滑道钢板间隙距离，测量此时梁体标高；

3)一般上下转盘间距80 mm左右，安放千斤顶需要预先准备钢垫块支撑千斤顶；

4)安放千斤顶、荷载计及位移计(百分表)；

5)拆除支架后将砂箱卸荷并移出砂箱，注意拆除过程中保护好百分表防止碰撞；

6)结构稳定后，再次测量此时的梁体标高。观测撑脚距滑道间隙及百分表读数。根据观测结果判断梁体的倾斜方向；

7)根据倾斜方向及大小确定不平衡力矩的测试方式；

8)逐级施加荷载。加载过程中密切关注百分表变化，并及时记录千斤顶、位移计数值；

9)绘制荷载-位移(P-Δ)曲线。重复4次顶升、顶落试验；

10)确定参数、计算配重位置、配重吨位及配完重后的偏心距；

11)依据试验结果配重。

4.4 称重试验结果

通过现场监测发现，该桥梁大里程侧的撑脚已与滑道接触，判断为转动体不平衡力矩大于转动体支座摩阻力矩，重心偏向大里程侧。此时顺桥向摩阻力矩小于不平衡力矩，因此应在桥梁大里程侧进行顶升、顶落。

表1 称重试验结果

从表1可以看出：1)根据称重试验，得出桥梁的偏心距为偏大里程侧16.5 cm，偏远离铁路侧0.498 cm。2)为保证桥梁稳定旋转，小里程侧的偏心距应尽可能控制在5～15 cm之间。根据此要求，取偏心距e=6.5 cm。经计算，应在桥梁的小里程侧配重3 580 t·m的力矩。根据称重结果，对小里程侧(14#墩方向)距离15#中心60 m位置放置59.7 t配重，配重后结构的偏心由大里程侧16.5 cm变为小里程侧6.5 cm，满足范围要求。配重前后全桥应力分布云图见图1、图2。

5 不平衡配重方法

梁体旋转施工方案的总体思路是在梁体旋转过程中重心尽量位于梁轴线附近，保证旋转时单侧撑脚着地共同参与旋转。此时转动体的支座及一个或两个钢撑脚在一个旋转面上，这样大大增加了转动体在旋转过程中的稳定性。

一般在转体梁单侧梁端进行配重，配重材料可采用水箱、预制混凝土配重块等。配重的大小与预设的重心位置有关，应保证在5～15 cm(e为新的重心偏移量)的范围内。偏心距最小值应保证在转动过程中，重心位于梁体中心的一侧，保证梁体向一侧倾斜，呈现出支座及钢撑脚共同支承的稳定局面。偏心距太小，可能出现梁体标高在旋转过程上下变化摇摆不定。偏心距太大，撑脚与滑道之间压应力太大，导致启动力增大，有可能导致启动旋转困难，甚至需要增加特殊助推设备才能启动的风险。

配重前后，在监测时段内，实测应力值总体上与理论计算值发展趋势一致，处于平稳变化状态，可以转体。

6 结 语

不平衡称重试验技术在津秦客专滨海北站四纬路工程——跨津山铁路转体桥施工中成功应用，满足施工进度及质量要求，转体过程中安全平稳，合拢就位精度较高，取得了较好的经济及社会效益，应用前景广泛。