摘要：茂湛铁路跨线桥为一2×75m变截面预应力混凝土T型刚构桥，采用双幅同步转体施工工艺，转体角度为83.6°，转体梁重达10500吨，由于上跨铁路桥，为设置防落网，对跨铁路线段加宽，因此桥梁结构自身存在纵横双向不平衡。本文对该桥转体前称配重试验等关键技术进行了介绍。该桥的转体称配重试验技术，可为今后同类桥梁施工提供经验。
关键词：转体桥梁；自身不平衡；称配重试验
1.工程概况
跨茂湛铁路转体桥项目是云湛高速控制性工程，公路里程为K252+620.78，采用（75+75）m双幅T型刚构错孔布置上跨茂湛铁路，采用双幅同步转体施工就位，转体长度均为（67+67）m，标准段宽18.5m，加宽段19.5m ，该桥是广东省高速公路建设史上首座转体桥。
由于上跨铁路桥，为设置防落网，60#墩大里程及62#小里程对跨线段加宽1m，因此桥梁结构自身存在纵横双向不平衡。在施工支架完全拆除后以及在转体过程中，转动体的自平衡或配重平衡对施工过程的安全起着至关重要的作用。
2. 称配重试验
2.1 必要性
转体施工的关键部件就是承载整个转动体重量的转动球铰，而转动球铰摩擦系数的大小直接影响着转体时所需牵引力矩的大小。转体桥梁在沿梁轴线的竖平面内，由于球铰体系的制作安装误差和梁体质量分布差异以及预应力张拉的程度差异，可能导致桥墩两侧悬臂梁段质量以及刚度分布不同，从而产生不平衡力矩。
为了保证桥梁转体的顺利进行，及时为大桥转体阶段的指挥和决策提供依据，有必要在转体前进行转体称重试验，测试转动体部分的不平衡力矩、偏心距、摩阻力矩及摩擦系数，并进行配重。
2.2 试验原理
称重试验假设梁体可以绕球铰发生刚体转动，通过对梁体施加转动力矩，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。
1）球铰摩阻力矩和转体不平衡力矩
这里仅以纵桥向测试原理予以说明。整个梁体的平衡状况可能出现两种形式：
（1）转动体球铰摩阻力矩大于转动体不平衡力矩。
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（见图1）。
设转动体重心偏向北侧，在南侧承台实施顶力，当逐渐增加到使球铰发生微小转动的瞬间，有：
（1）.png)
图1MZ大于MG平衡状态
然后，在北侧承台实施顶力，当逐渐增加到使球铰发生微小转动的瞬间，有
（2）
联立（1）和（2）可得：
不平衡力矩：
（3）.png)
摩阻力矩：
（4）
（2）转动体球铰摩阻力矩小于转动体不平衡力矩。
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（见图2）。
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图2 MZ小于MG平衡状态
设转动体重心偏向北侧，此时只能在北侧承台实施顶力，当（由撑脚离地的瞬间算起—观测百分表判断）逐渐增加到使球铰发生微小转动的瞬间，有：
（5）
当顶升到位（球铰发生微小转动）后，此时，转动体系不再转动，千斤顶回落到一定位置，球铰又发生微小转动，设为千斤顶逐渐回落过程中球铰发生微小转动时的力，则有：
（6）
联立（3）和（4）得到：
不平衡力矩：
（7）
摩阻力矩：
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2）球铰静摩擦系数和转动偏心距
称重试验时，转动体球铰在沿梁轴线的竖平面内发生逆时针、顺时针方向微小转动，即微小角度的竖转。如图3所示，摩阻力矩为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，由此可得：
；；
；
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式中α为θ的最大取值，本桥
，由式（9）可得，球铰静摩阻系数：
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转动体初始偏心距：
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式中：R为球铰中心转盘球面半径；N为转体重量。
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图3摩擦系数计算简图
3）配重原理
为了保证配重卸载的安全，配重应设置在非跨铁路孔一侧，配重的大小应保证配重后的偏心距满足的要求。
配重的目的是使转动体达到平衡状态，提高转体过程的稳定性。常用的配重方案有两种：
（1）梁体绝对平衡配重方案；
（2）梁体纵向倾斜配重方案。
绝对平衡配重会使梁体在转动过程中发生抖动，目前一般采用第（2）种方案。
该配重方案的思路是：在转体过程中转体梁应在梁轴线方向略呈倾斜态势，即梁轴线上桥墩一侧的撑脚落下接触滑道，另一侧的撑脚抬起离开滑道。这样做的好处：使转动体形成两点竖向支承，增加了转动体在转动过程中竖平面内的稳定性。根据偏心方向配重可分为两种情况：
（1）配重和不平衡力矩同向
；
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图5配重计算简图1
（2）配重和不平衡力矩反向
；
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图6 配重计算简图2
2.3 测点布置及设备
1）测点布置
根据具体工程实例，球铰静摩擦系数一般不大于0.06，考虑一定的富裕量，每侧需要600吨千斤顶两台。千斤顶及测点布置如图5所示，另一侧施加顶力时与此关于球铰中心对称。在梁的承台底面布置千斤顶和百分表，进行主梁的不平衡力矩测试，千斤顶及传感器具体布置见图7。
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图7千斤顶及传感器布置
2）测试设备
①位移传感器：量程50mm的机电百分表6个，精度0.01mm。
②压力传感器：长沙金码生产的JMZX-3360AT六弦智能型压力传感器4台，量程8000kN，精度1kN。
③压力采集系统：长沙金码JMZX-3006智能综合测试仪2台。
④联想Thinkpad笔记本电脑1台。
4.4现场试验
现场试验称重与配重流程图如图8所示。
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图8称重与配重流程图
1）判断转体平衡状态
在拆除沙箱前在四个反力墩上放置四个千斤顶，千斤顶上放置3cm厚的钢板，升千斤顶使钢板恰好与上承台接触（未挤压），清理撑脚及滑道，逐步对称解除支座处的临时支撑（砂箱），并观察撑脚是否随砂箱拆除连续向一侧下沉。在拆除沙箱的过程中为保证对称同步，由现场工作人员指挥施工人员保持拆箱速度同步，同时用综合测试仪测量各个千斤顶的受力情况判断摩阻力矩与不平衡力矩的大小，并根据千斤顶力的大小计算不平衡力的大小，判断转体体系的平衡状态。
2）配重过程
典型的称配重过程如下：
（1）在选定断面处安装位移传感器和千斤顶；
（2）调整千斤顶，使所有顶升千斤顶处于设定的初始顶压状态，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，到位移出现突变，此时千斤顶继续逐级加力，测量几组数据，以便绘制荷载位移曲线；
（4）绘制出荷载位移曲线，判断临界力（同样试验重复四次）；
（5）移动设备至另侧，重复以上试验；
（6）计算确定不平衡力矩、摩阻力矩、摩阻系数、偏心距；
（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距。
拆完沙箱后，发现60#墩大里程方向的两个千斤顶承受了较大力，说明60#墩处的T梁大里程方向较重，且不平衡力矩大于摩阻力矩。根据两个千斤顶的读数大小，以及假定的摩阻系数的大小，依据力的平衡原理可估计不平衡力的大小。然后结合配重原理，根据估计的不平衡力的大小算出所需配重的大小P，即相当与提前配重，或则理解为桥的总重量梁增加了P,且不平衡力减小了PL（L为配重距离球脚中心的距离）。
然后将大里程的千斤顶缓慢回油，并观察周围所布置百分表的读数。若直到千斤顶上的钢板与上承台脱离百分表的读数一直没有变化，则说明摩阻力矩大于不平衡力矩，即配重完成，然后可以进行称重实验；若百分表的读数出现突变且千斤顶依然有读数，说明第一次配完重后，摩阻力矩依然小于不平衡力矩，此时千斤顶停止回油，依据千斤顶的读数再一次配重，直到出现第一种情况为止。
60#墩和62#墩处的T梁在采用了上述配重方法后，配重结果：60#墩在小里程方向距桥墩中心32.5m且靠纵向中心线外侧处配重32t，配重材料为每块重0.35t的混凝土块及每盘重3.3t的钢绞线若干；62#墩在大里程方向距桥墩中心45m且靠纵向中心线内侧处配重3.3t。
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3）称重过程
上述的配重实质上是为了安全起见，对于摩阻力矩小于不平衡力矩的情况，通过提前配重减小不平衡力矩，使之变为摩阻力矩大于不平衡力矩的情况。称重过程按照实验原理顺利进行，图9~图12示出各墩称重试验时的荷载-位移曲线。.png)
图960#墩大里程顶力-位移曲线
图1060#墩小里程顶力-位移曲线
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图1162#墩大里程顶力-位移曲线
图1262#墩小里程顶力-位移曲线
由图9和图10可以看出：60#墩大里程侧顶力临界值为：3900kN，小里程侧顶力临界值为：950kN；所以，球铰纵向摩阻力矩：，纵向不平衡力矩：，纵向滑动时球铰静摩阻系数。
由图11和图12可以看出：62#墩大里程侧顶力临界值为：1450kN，小里程侧顶力临界值为：1300kN；所以，球铰纵向摩阻力矩：，纵向不平衡力矩：，纵向滑动时球铰静摩阻系数。
3 结论
（1）本桥采用边称重边配重的方式，保证球脚的摩阻力矩大于梁体的不平衡力矩，全部8个撑脚脱空 ·、4个称重试验用千斤顶位置脱空，即球铰完全自由的情形下，球铰保持静止。这样不仅保证了撑脚的安全，也避免了由于可能的撑脚着地而导致的梁端起伏过大，减小了转体后精调工作的难度。
（2）采用力和位移双重监控进行称重配重。两台综合测试仪时时监控千斤顶力的大小，纵向对称布置的六个百分表时时监控球脚的位移，并辅以梁端位移测量结果，准确判断T构的力学状态，以保证梁体称重与配重的顺利进行。
（3）该桥为广东高速公路建设史上首座大吨位转体桥，双幅同步转体跨越铁路，施工难度、工艺和工法等有一定代表性，采用了科学、经济、有效的施工方法进行施工，可为同类桥梁施工提供借鉴。
参考文献：
[1] JTJ D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范.
[2] 张联燕等.桥梁转体施工.人民交通出版社，2002.3.
[3] 姚海涛.转体施工控制要点分析[J].桥梁工程，2013（2）：134-141.
[4] JTG/T F50-2011 公路桥涵施工技术规范
[5] 陈宝春等.桥梁转体施工方法在我国的应用于发展.公路交通科技，2001(18)：24-28.
论文作者:范先贵,
论文发表刊物:《建筑实践》2019年第38卷第18期
论文发表时间:2020/1/14
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