非对称斜拉桥转体称重测试

摘要：南西及西北上行联络线特大桥，是国内首次以非对称斜拉桥结构形式跨越350 km/h武广运营高速铁路，由于该桥具有其独特的非对称性，转体长度为(112+84)m，因此如何确保转体平衡为整个方案的技术控制重点。首先在转体前对不平衡力矩进行分析、理论配重，明确称重试验的目的、测试原理及测试方法，然后对称重试验测试的数据进行分析，从而进一步确定精确配重方案。非对称斜拉桥的转体成功，表明称重测试方法可行，测试确定的偏心距、摩阻系数等关键技术参数能够很好地满足工程实际需求，有效地解决转体不平衡力矩的问题，为该桥转体施工提供了理论技术支持。

1 工程概述

新建沪昆高速铁路长沙枢纽内的南西联络线和西北上行联络线特大桥，分别于两处上跨武广运营高速铁路，与武广高速铁路斜交角度均为21°。其中，西北上行联络线42号主墩对应武广运营里程K 1 589+ 860，南西联络线主墩37号对应武广里程K 1 589+ 700。两桥主跨结构形式均为(32+80+112)m非对称预应力槽型梁独塔斜拉桥。主梁为边箱式的槽型截面，梁面宽度为10.8 m，箱宽为2.1 m，两箱中心距为8.7 m;大主跨边箱顶、底板厚度均为45 cm，腹板厚30 cm;小主跨边箱顶板厚165 cm，底板厚75 cm，腹板厚55 cm。大主跨侧梁高为3.5 m，小主跨侧梁高为3.7 m。主塔与槽型梁采用固结方式，全桥设置16对斜拉索。

两桥设计结构、转体重量、转体角度、施工方法均一致。施工期间为避免对运营武广高速铁路造成影响，施工方案通过多次比选、优化及评审，首先在沿武广一侧搭支架施工槽形梁(80+4)m的边跨和112 m主跨，然后采用塔梁固结体系水平转体法跨越武广高速铁路，转体重量14 500 t，转体角度21°。待转体完成后，与(32－6)m边跨原位现浇段进行合龙，最终进行索力调整。以南西联络线为例，主跨立面布置如图1所示。

图1 南西联络线主跨立面布置(cm)

转体施工的核心工作部件为球铰，分为上球铰、下球铰两部分。上下球面板为5 cm的钢板压制而成的球面，上下球铰通过定位钢销轴连接。球面摩擦处填充聚四氟乙烯复合夹层滑片，上下球铰分别浇筑于上下承台之内。球铰平面直径4.0 m，球面半径8.0 m。待转体施工结束后固结于承台混凝土内。

2 不平衡力矩分析

根据本桥的结构特点，不平衡力矩的主要影响体现在如下方面:

(1)梁体质量分布不均性，该桥为不对称独塔双索面塔梁固结体系，转体桥小跨方向80 m、大跨方向112 m，两边跨度不对称达到1.4∶1，初步估算不考虑梁体内部横隔板的情况下，悬臂梁两端产生的不平衡力矩为24 350 t/m。

(2)斜拉索位置不对称，转体桥小跨长80 m，斜拉索的间距9 m;大跨长120 m，斜拉索的间距12.8 m;这导致斜拉的质量与重心不一致，从而产生不平衡力矩。

(3)索塔偏移量，转体总重量14 500 t，其中塔的重量约为7 331 t，西北上行转体桥塔自转体球铰至塔顶的高度为65.425 m，塔的偏移也是不平衡力矩的因素之一。

3 称重测试

称重试验的主要内容是通过试验测试竖向不平衡力矩MG、摩阻力矩MZ。通过计算球铰静摩阻系数μ=MZ/0.98RN，转动体偏心距e=MG/N，式中的R为球铰中心转盘球面半径;N为转体重量，通过对摩阻系数及偏心距的综合分析，为转体姿态分析及平衡配重提供技术支持，确保转体安全。

根据斜拉桥结构的不平衡力矩分析，进行理论计算，并进行配重后，方可进行称重测试。施工时，理论配重方案为在距小跨侧梁端53 m范围所需的理论配重7.8 t/m，配重块采用混凝土预制块加工而成。

(1)理论配重完成后，转动体球铰摩阻力矩MZ大于转动体不平衡力矩MG，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。设转体重心偏向大跨侧，大跨侧顶梁时，P1L1=MZ+MG，小跨侧顶梁时，P2L2+MG=MZ，通过两式联立进行求得不平衡力矩MG、摩阻力矩MZ，称重原理如图2所示。

图2 称重原理图

(2)考虑承台的刚度很大，变形很小，容易使球铰发生微小转动，且操作相对简单，安全性高，因此，施加顶力的位置设置在承台上。在距转体中心线6.2 m处设置千斤顶，测点布置如图3所示。分别对转体梁进行顶放，顶放过程中通过压力传感器、位移传感器进行收集载荷和位移相关数据。

图3 测点布置图

顶升过程中记录压力传感器(油表)和位移传感器(百分表)读数，绘制不平衡载荷与位移曲线图，如图4、图5所示。

图4 37号墩大跨侧顶升力P1与位移关系

图5 37号墩小跨侧顶升力P2与位移关系

通过测试可以看出，37号墩纵向大跨侧顶力临界值P1=12 516 kN，纵向小跨侧称重试验顶力临界值P2=5 178 kN，经计算求得，球铰纵向摩阻力矩MZ= 54 854.12 kN·m，转体纵向不平衡力矩MG= 22 746.99 kN·m，纵向偏心距e=0.15 m，纵向滑动摩擦系数μ=0.048，42号墩仅将结果列出，如表1所示。

表1 测试计算结果

4 精确配置

从称重结果中可以看出，经过初次配重完毕后，桥梁整体结构仍然存在15.6 cm和17.1 cm的偏心距，且靠近既有线方向。因此在纵向桥梁方向上，仍需进行精确配重，精确配重完成后，再次进行称重测试，现场施工经过3次反复配重后，37号墩实际为5.2 cm，42号实际为5.6 cm，实际施工要结合安全因素和运营线设备管理单位要求，偏心的设置在小跨方向(即远离既有线方向)。其结果如表2所示。

表2 转体前状态

5 转体及监测

准备工作完成后，进行试转，试转预偏角度控制在1°以内，大跨112 m梁端移动控制在1.50 m以内，全面检查牵引动力系统是否异常，做好相关角速度、线速度、牵引力等数据的初步采集及分析。

(1)准备工作全部就绪，包括上下转盘固结解除，气象条件符合要求。

(2)施工封锁命令下达前，工作人员各就各位。施工负责人接到封锁命令并确认封锁命令号后，才能发布施工指令开始正式转体，转体过程中与铁路有关部门保持密切联系。

(4)设备运行过程中，为了保证转体更加平稳，钢绞线牵引速度控制在0.08 m/min。

(5)各岗位人员的注意力必须高度集中，时刻注意观察、记录动力系统设备和转体各部位的运行情况。

(6)在桥面中心轴线距离距设计位置约1.5 m时，监测人员开始给控制台人员报告监测数据，及时降低顶推千斤顶的供油量。距设计位置约0.5 m，系统暂停，为防止超转，先借助惯性转动，结束后，动力系统改由“手动”状态下改为10 s、5 s、2 s的点动操作。每点操作1次，测量人员报轴线走行现状数据1次，反复循环，直至结构轴线就位。

(7)转体时间为武广高速铁路的天窗点凌晨00:00～04:00之间，在槽形梁两侧、塔顶设置反光片，该位置处布置足够的灯源，全程监测梁体轴线、高程，塔的偏位情况。

转体监测数据表明，实际转体时间为29 min与理论时间相差2 min。梁端高程在转体过程中累计下沉约2 cm，整体过程梁体姿态始终处于可控状态。撑脚间隙变化不明显。转体到位后，精调定位时以转盘承台位置调整为主。

6 结束语

通过称重试验，实际测定了非对称转体结构的竖向不平衡重、偏心距及球铰的摩阻系数等重要参数，确定了精确配重方案，明确了转体姿态偏心距关键参数的控制原则。两座斜拉桥分别于2014年7月20日及7月30日成功完成跨越武广高速铁路，转体时间约29 min，转体过程设备运转正常，撑脚与滑道间隙、梁体轴线及高程监测数据均满足设计要求，为转体后的合龙精确定位提供了技术支持。

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ZOU Benbo
(China Railway No.3 Engineering Group Co.，Ltd.，Taiyuan 030001，China)

Abstract：As the first domestic asymmetric cable-stayed bridge structure form，southwest and northwest uplink super major bridge crosses Wuhan-Guangzhou high speed railway with the speed of 350 km/h.As the bridge possesses unique asymmetry with the swivel length of 112+84 m，how to ensure the swivel balance is the key technology.First，the unbalanced torque shall be analyzed and theoretically balanced before rotating，the weighing test purpose，principle and method shall be definite，then the weighing test data shall be analyzed，so as to further determine the precise balance weight scheme.The swivel success of asymmetric cable-stayed bridge shows that weighing test method is feasible，the key parameters such as the eccentric the distance，coefficient of friction resistance and so on can meet the actual demand of engineering，effectively solves the problems of unbalanced moment，provides theoretical and technological support for the swivel construction of asymmetric cable-stayed bridge.