跨滬蓉高速轉(zhuǎn)體橋梁的稱(chēng)重試驗(yàn)技術(shù)

孟文節(jié)

(常州市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 常州 213003)

0 引 言

轉(zhuǎn)體施工分為平面轉(zhuǎn)體、豎向轉(zhuǎn)體及平面加豎向混合轉(zhuǎn)體，一般多見(jiàn)為平轉(zhuǎn)和豎轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)體施工核心是要保證轉(zhuǎn)動(dòng)體的平衡，理論上使得上部結(jié)構(gòu)的重心在轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸的容許范圍內(nèi)。而實(shí)際因兩側(cè)平衡段混凝土澆筑量不同、轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸安裝誤差、以及其他施工誤差造成轉(zhuǎn)體段存在一定偏心，為保證順利轉(zhuǎn)體，通常須在試轉(zhuǎn)前通過(guò)稱(chēng)重試驗(yàn)，必要時(shí)布置配重調(diào)整轉(zhuǎn)體段偏心使其符合施工要求。稱(chēng)重試驗(yàn)的目的是為獲得轉(zhuǎn)動(dòng)體的不平衡力矩、偏心矩、摩阻力以及摩擦系數(shù)等轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)，一是為后續(xù)實(shí)施轉(zhuǎn)體的牽引力、輔助千斤頂提供依據(jù)，二是轉(zhuǎn)體段布置平衡配重，保證球鉸支撐穩(wěn)定的依據(jù)。根據(jù)稱(chēng)重實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)體的不平衡偏心距<150 mm時(shí)，可不進(jìn)行平衡配重[1]。

1 項(xiàng)目背景

常州新建大明路(龍錦路—常鄭路)工程跨滬蓉高速公路采用(56+90+56)m連續(xù)梁跨越，橋梁總寬25 m，為城市主干道。線路于K0+832.09處跨越滬蓉高速，與滬蓉高速公路中心線斜交70.96°，轉(zhuǎn)體段在滬蓉公路兩側(cè)平行于公路方向滿堂支架現(xiàn)澆87 m梁段后，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)70.96°至規(guī)劃橋位，兩邊跨各布置9.42 m長(zhǎng)現(xiàn)澆段，施工邊跨3 m合龍段，最后施工中跨3 m合龍段完成全橋合龍。

主橋上部結(jié)構(gòu)為三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，縱向采用變高度：中支點(diǎn)梁高5.3 m，跨高比1/17；邊支點(diǎn)梁高2.6 m，跨中梁高2.6 m，跨高比1/34.6。箱梁采用單箱三室直腹板形式，箱梁頂寬25 m，底寬17.4 m，懸臂板長(zhǎng)度3.8 m。

本橋采用平面轉(zhuǎn)體施工，橋梁轉(zhuǎn)體段長(zhǎng)度為87 m，轉(zhuǎn)體重量達(dá)10 076.4 t，為滬蓉高速蘇南段最大轉(zhuǎn)體橋梁。

2 轉(zhuǎn)體稱(chēng)重試驗(yàn)

2.1 抗傾覆穩(wěn)定

T構(gòu)施工完成時(shí)，轉(zhuǎn)體梁段與橋墩通過(guò)臨時(shí)支座墩梁固結(jié)，梁與上承臺(tái)采用臨時(shí)柱固結(jié)，整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)體依靠球鉸、撐腳、臨時(shí)砂箱保持穩(wěn)定，因此不存在傾覆穩(wěn)定問(wèn)題。進(jìn)入轉(zhuǎn)體階段，撤除臨時(shí)砂箱及撐腳墊板，整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)體由穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，須復(fù)核轉(zhuǎn)動(dòng)體的傾覆穩(wěn)定性。

轉(zhuǎn)體前一般都已清除臨時(shí)施工荷載，因此影響穩(wěn)定性主要因素是風(fēng)力，按百年一遇的基本風(fēng)速產(chǎn)生的風(fēng)壓考慮[2]。轉(zhuǎn)動(dòng)體的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為整體自重產(chǎn)生的抗傾覆力矩與基本風(fēng)壓產(chǎn)生的傾覆力矩的比值。按規(guī)范要求抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不小于1.3[3]。計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)體縱向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為5.04，橫向抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為16.0，均滿足要求。

2.2 球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)法測(cè)試原理

本項(xiàng)目采用球鉸的微小轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試不平衡力矩的方法，這種方法采用剛體位移突變進(jìn)行測(cè)試，受力明確，受干擾因素小，而且只考慮剛體作用，結(jié)果比較準(zhǔn)確。實(shí)際操作比較簡(jiǎn)單，所需設(shè)備也較少，便于工地現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。

測(cè)試的原理是假設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)體可以繞球鉸進(jìn)行剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)體段形成后，整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)體的平衡表現(xiàn)為兩種形式之一。

(1)當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)體球鉸摩阻力矩MZ>不平衡力矩MG，此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)體不發(fā)生繞球鉸的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，體系的平衡由球鉸摩阻力矩和不平衡力矩所保持。在轉(zhuǎn)動(dòng)體一側(cè)放置千斤頂，使得轉(zhuǎn)動(dòng)體在沿梁軸線的豎向平面內(nèi)發(fā)生逆時(shí)針微小轉(zhuǎn)動(dòng)，并記錄轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中千斤頂頂力P1和力臂L1以及位移計(jì)讀數(shù)，回落時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)體不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；在轉(zhuǎn)動(dòng)體另一側(cè)放置千斤頂，使得轉(zhuǎn)動(dòng)體在沿梁軸線的豎向平面內(nèi)發(fā)生順時(shí)針微小轉(zhuǎn)動(dòng)，并記錄轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中千斤頂頂力P2和力臂L2以及位移計(jì)讀數(shù)，回落時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)體不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，見(jiàn)圖1。對(duì)中心取矩，則有

圖1 摩阻力矩MZ>不平衡力矩MG

(1)

通過(guò)式(1)可知，不平衡力矩MG為正值時(shí)，表示轉(zhuǎn)體重心偏于P1側(cè)；不平衡力矩MG為負(fù)值時(shí)，表示轉(zhuǎn)體重心偏于P2側(cè)。

(2)當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)體球鉸摩阻力矩MZ<不平衡力矩MG，見(jiàn)圖2，此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)體發(fā)生繞球鉸的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，直至撐腳參與工作，體系的平衡由球鉸摩阻力矩、不平衡力矩和撐腳對(duì)球鉸中心的力矩所保持。在轉(zhuǎn)動(dòng)體偏心一側(cè)放置千斤頂，加壓使得轉(zhuǎn)動(dòng)體在沿梁軸線的豎向平面內(nèi)發(fā)生逆時(shí)針微小轉(zhuǎn)動(dòng)，并記錄轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中千斤頂頂力P1和力臂L1以及位移計(jì)讀數(shù)；回落時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)體發(fā)生順時(shí)針微小轉(zhuǎn)動(dòng)，并記錄轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中千斤頂頂力P2和力臂L1以及位移計(jì)讀數(shù)，見(jiàn)圖2。對(duì)中心取矩，則有公式(2)。

圖2 摩阻力矩MZ<不平衡力矩MG

(2)

2.3 球鉸靜摩擦系數(shù)及偏心距

稱(chēng)重試驗(yàn)時(shí)，球鉸在軸線豎直平面內(nèi)發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)，摩阻力矩MZ為球鉸摩擦面每個(gè)四氟滑片上摩擦力對(duì)球鉸中心的力矩總和。球鉸靜摩擦系數(shù)μ=MZ/(R·G)，轉(zhuǎn)動(dòng)體偏心距e=MG/G，其中R為球鉸半徑；G為轉(zhuǎn)動(dòng)體總重量[1]。

2.4 稱(chēng)重試驗(yàn)準(zhǔn)備及流程

(1)拆除支架、模板，撤除梁段上所有材料、機(jī)具、設(shè)備。

(2)拆除砂箱，解除上下承臺(tái)間的聯(lián)系鋼筋。

(3)檢查上轉(zhuǎn)盤(pán)撐腳下承臺(tái)間隙，測(cè)量梁體標(biāo)高。

(4)安放千斤頂、百分表。

(5)逐級(jí)施加荷載，并記錄千斤頂及百分表的讀數(shù)。

(6)根據(jù)測(cè)試結(jié)果，計(jì)算摩阻力矩、偏心距、摩擦系數(shù)等相關(guān)參數(shù)。

(7)通過(guò)計(jì)算綜合現(xiàn)場(chǎng)情況確定是否進(jìn)行配重。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)拆除撐腳墊板及臨時(shí)砂箱后，6#墩邊跨側(cè)撐腳接觸滑道，初步判斷不平衡力矩大于球鉸摩阻力矩，在邊跨側(cè)軸線撐腳兩邊各布置一臺(tái)400 t千斤頂，同時(shí)對(duì)稱(chēng)各布置一套百分表。

頂升時(shí)按每級(jí)800 kN加載，從3 200～4 000 kN 時(shí)百分表突變，重新卸載至3 200 kN，按每級(jí)160 kN加載，從3 840～4 000 kN時(shí)百分表突變，取平均值3 920 kN作為上頂滑力P1。

回落時(shí)按每級(jí)800 kN卸載，從1 600～800 kN時(shí)百分表突變，重新加載至1 600 kN，按每級(jí)160 kN卸載，從960～800 kN時(shí)百分表突變，取平均值880 kN作為回落滑力P2。計(jì)算得

不平衡力矩：MG=(3 920+880)/2×5.5=13 200 kN·m；

摩阻力矩：MZ=(3 920-880)/2×5.5=8 360 kN·m；

轉(zhuǎn)動(dòng)體偏心距：e=13 200/100 764=0.131 m；

球鉸摩阻系數(shù)：μ=8 360/(7×100 764)=0.012。

結(jié)論：6#墩轉(zhuǎn)動(dòng)體偏心距為131 mm<150 mm，且偏向于邊跨側(cè)，依據(jù)計(jì)算結(jié)果綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定轉(zhuǎn)動(dòng)體不配重。

(2)拆除撐腳墊板及臨時(shí)砂箱后，7#墩邊跨側(cè)撐腳接觸滑道，初步判斷不平衡力矩大于球鉸摩阻力矩，考慮結(jié)構(gòu)與6#墩一致，預(yù)估上頂滑力為3 920 kN。在邊跨側(cè)軸線撐腳兩邊各布置一臺(tái)400 t 千斤頂，同時(shí)對(duì)稱(chēng)各布置一套百分表。

頂升時(shí)按每級(jí)800 kN加載，從2 400～3 200 kN 時(shí)百分表突變，重新逐級(jí)卸載，發(fā)現(xiàn)梁體并未同步回落，因此判斷7#墩不平衡力矩小于球鉸摩阻力矩，在中跨側(cè)軸線撐腳兩邊各加設(shè)一臺(tái)400 t 千斤頂，如圖3所示。

圖3 7#墩千斤頂和測(cè)點(diǎn)布置圖

設(shè)備調(diào)試后，中跨側(cè)千斤頂按每級(jí)800 kN加載，至1 600 kN 時(shí)百分表突變，重新逐級(jí)卸載，發(fā)現(xiàn)梁體并未同步回落?？紤]不平衡力矩MG最大時(shí)，取P1為3 200 kN，P2為800 kN，計(jì)算得

不平衡力矩：MG=(3 200-800)/2×5.5=6 600 kN·m；

摩阻力矩：MZ=(3 200+800)/2×5.5=11 000 kN·m；

轉(zhuǎn)動(dòng)體偏心距：e=6 600/100 764=0.065 m；

球鉸摩阻系數(shù)：μ=11 000/(7×100 764)=0.016。

結(jié)論：7#墩轉(zhuǎn)動(dòng)體偏心距為65 mm<150 mm，計(jì)算偏心距較小，考慮施工無(wú)須再精確測(cè)試頂力，以減少現(xiàn)場(chǎng)等待時(shí)間，依據(jù)計(jì)算結(jié)果綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定轉(zhuǎn)動(dòng)體不配重。考慮兩側(cè)相同結(jié)構(gòu)、同一品牌球鉸及相同施工條件，7#墩摩阻系數(shù)稍大于6#墩，而平衡分屬兩種不同形式，反映出實(shí)際施工質(zhì)量控制較好。

3 結(jié) 語(yǔ)

采用球鉸的微小轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試不平衡力矩的方法，理論依據(jù)充分，操作簡(jiǎn)便，快速，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工要求低。雖然6#墩偏心距131 mm稍大，但仍滿足要求，故采用不配重轉(zhuǎn)體，以減少現(xiàn)場(chǎng)施工流程并降低費(fèi)用，本橋在2019年6月19日、20日在無(wú)配重情況下先后平順完成轉(zhuǎn)體施工，為大噸位轉(zhuǎn)體施工技術(shù)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。