高速铁路曲线梁桥转体施工不平衡力测试方法

摘要

本发明公开了高速铁路曲线梁桥转体施工不平衡力测试方法，包括如下步骤：步骤一：测试前的准备：安装千斤顶及布置位移计；步骤二：称重试验：割掉临时支撑后，调整千斤顶顶推力大小，当位移计读数发生突变时，千斤顶顶推力产生的弯矩、转体不平衡力矩、转动体球铰摩阻力矩三者之间达到瞬时平衡，可求出转体不平衡力矩、转动体球铰摩阻力矩；步骤三：绘制荷载与位移曲线，并计算球绞摩阻系数、转动体偏心距。本发明通过转体不平衡称重现场试验，以保证转体施工阶段的结构安全，提高施工质量；同时，也为类似转体桥梁的设计和施工积累经验和数据，为桥梁运营期间的技术管理和技术评估提供依据。

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁转体施工技术领域。更具体地说，本发明涉及高速铁路曲线梁桥转体施工不平衡力测试方法。

背景技术

转体施工法的关键技术问题包括：(1)转动设备与转动能力；(2)施工过程中结构的强度和稳定性的保证；(3)结构合拢过程中的体系转换。尽管目前桥梁转体技术日渐成熟，但是对于不同的桥梁，必须根据其结构形式、施工过程和场地及环境条件等特点制定出合理可行的转体方案，以确保转体过程中结构具有足够的稳定性和强度保证，避免由于转体而影响到结构的正常受力或导致不可控制的局面。

连续梁桥的转体系统由上盘、下承台、上下球铰、撑脚、滑道、牵引系统组成。整个转体系统以球铰支承为主，撑脚起控制转体稳定的作用。球铰由上球铰、下球铰、摩擦副、上套筒、下套筒、销轴、下球铰骨架组成。转动球铰是转体施工的关键构件，它承载整个转动体的重量，转动中其摩擦系数的大小直接影响着转动时所需牵引力矩的大小。在施工支架完全拆除后一直到转体结束，转动体的自平衡或配重平衡对转体施工过程的安全性起着至关重要的作用。

发明内容

本发明的一个目的是提供高速铁路曲线梁桥转体施工不平衡力测试方法，通过转体不平衡称重现场试验，确定梁体转动不平衡力矩、转体配重、摩阻系数、转体偏心距等，以保证转体施工阶段的结构安全，提高施工质量；同时，也为类似转体桥梁的设计和施工积累经验和数据，为桥梁运营期间的技术管理和技术评估提供依据。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了高速铁路曲线梁桥转体施工不平衡力测试方法，包括如下步骤：

步骤一：测试前的准备：主梁施工完成，支架拆除前，在球绞的上下转盘之间的外环道位置关于转盘中心对称安装4台400t千斤顶，沿梁体大里程侧和小里程侧分别放置2台，同时，在球铰转盘底四周布置4个位移计；

步骤二：称重试验：割掉临时支撑的工字钢后，调整大里程侧或小里程侧千斤顶顶推力P₁大小，通过位移计观察P₁改变过程中的梁体位移变化；当位移计反应的梁体位移读数发生突变时，说明球铰产生了微小转动，则此时千斤顶顶推力P₁产生的弯矩P₁L₁、转体不平衡力矩M_G、转动体球铰摩阻力矩M_Z三者之间达到瞬时平衡，通过这种平衡关系求出转体不平衡力矩M_G、转动体球铰摩阻力矩M_Z；

步骤三：绘制荷载与位移曲线，并计算球绞摩阻系数、转动体偏心距，再确定配重重量、位置及新偏心距。

优选的是，所述千斤顶与转台以及下承台两接触面各放置钢板，以防止集中受力造成混凝土破坏。

优选的是，梁体分别进行纵向称重和横向称重，以确定转体不平衡力矩M_G、转动体球铰摩阻力矩M_Z以及球绞摩阻系数、转动体偏心距；步骤二中，割掉临时支撑的工字钢后，观察撑脚是否着地，如果撑脚着地，先进行第一次称重，得到实际需要配重块的重量，进行配重使得撑脚全部离地，然后进行复称；如果全部撑脚未着地，则不需要配重，直接进行称重；其中，配重块采用混凝土折板。

优选的是，所述千斤顶包括：

千斤顶本体，其具有上表面开口的中空腔体；

活塞，其为上小下大的阶梯型，所述活塞位于所述千斤顶本体的腔体内，以将千斤顶本体的腔体分为上部的型腔和下部的液压腔，所述千斤顶本体具有贯通液压腔的第一进液口，所述活塞下部具有向内凹陷的一圈环形第一凹槽，所述第一凹槽槽口通过弹性板与活塞外侧密封连接，所述活塞下底面具有向上凹陷的第二凹槽，其为上大下小的阶梯型，所述第二凹槽靠近槽底的侧面具有多个贯通第一凹槽的倾斜通道，所述通道沿第一凹槽向第二凹槽向下倾斜设置；

顶推机构，其包括工字型的顶推块和阻挡环，所述顶推块上部和中部配合于第二凹槽内，且可沿第二凹槽上下滑动，所述第二凹槽槽底与顶推块上表面之间填充有液体，所述顶推块下部外侧密封连接阻挡环下侧，阻挡环上侧固定于活塞下底面，所述阻挡环上侧位于顶推块下部的外侧，且所述阻挡环为高强柔性材质制得。

优选的是，所述弹性板包括外层、中层和内层，所述内层为弹性材质，所述外层为耐磨弹性材质且外层具有贯通中层的多个微孔洞，所述中层为海绵且浸满润滑油。

优选的是，所述千斤顶本体还具有贯通液压腔的第二进液口，所述第一进液口和第二进液口均固定连通有第一进液管和第二进液管，两者管口相对设置于液压腔内，第一进液管和第二进液管之间设置有调节阀，其由球体均分为四等分且其中三等分均向内形成弧形凹陷，所述调节阀未凹陷的一等分恰好可密封住第一进液管或第二进液管的管口，所述调节阀中心固定有转动轴一端，转动轴另一端水平穿出千斤顶本体外并通过驱动机构驱动转动，所述转动轴与千斤顶本体内壁之间设置有密封圈。

优选的是，所述调节阀未凹陷的一等分两侧设置有远离调节阀中心向外延伸的一对挡板，所述第一进液管或第二进液管的上侧端部具有向内凹陷的凹通道，其恰好可容纳调节阀转动时挡板通过，所述第一进液管或第二进液管的下侧具有向内凹陷的第三凹槽，其恰好与挡板相配合。

本发明至少包括以下有益效果：

1、受梁体质量分布不均、梁体纵坡等因素影响，T构桥转体前通常承受着结构的纵向和横向不平衡力矩M_G。称重试验的主要内容是通过试验测试纵向和横向不平衡力矩M_G和转动体摩阻力矩M_Z，进而计算球铰静摩阻系数和转动体偏心距，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。

2、由于上、下承台的刚度很大，变形很小，容易使球铰发生微小转动。采用球绞的转动不平衡力矩测试方案操作相对简单，安全性高，是目前应用较多的桥梁转体施工不平衡称重方法。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明当Mz>M_G，千斤顶在大里程侧时的结构示意图；

图2为本发明当Mz>M_G，千斤顶在小里程侧时的结构示意图；

图3为本发明当Mz<M_G，千斤顶在大里程侧时的结构示意图；

图4为本发明转动体球铰绕Z轴转动擦系数计算示意图；

图5为本发明千斤顶及位移计布置图；

图6为本发明实施例中45#墩复称荷载位移曲线(千斤顶在大里程加载)；

图7为本发明实施例中45#墩复称荷载位移曲线(千斤顶在小里程加载)；

图8为本发明千斤顶结构示意图；

图9为本发明活塞结构放大图；

图10为本发明调节阀的一种状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明采用球绞的转动不平衡力矩测试法，即用测试刚体位移突变的方法，该方法假设转动体系为一刚体，通过使刚体由静摩擦力转为动摩擦来建立刚体的平衡方程。

4.1不平衡力矩与摩阻力矩的测试方法

如图5所示所示，梁体下部是球铰，球铰两侧在大里程方向放置千斤顶4，小里程侧放置位移计5。P₁为千斤顶4产生的顶推力，M_G为转体不平衡力矩(转体不平衡力矩主要是因为施工偏差、转体系统安装误差等原因，引起转体自身在顺桥向某侧产生小的偏心位移，从而产生偏心距)，M_Z为转动体球铰摩阻力矩。

测试过程中，调整P₁大小，通过位移计5的读数观察P₁改变过程中的梁体位移变化。当位移计5读数发生突变时，说明球铰产生了微小转动，则此时千斤顶4顶推力P₁产生的弯矩P₁L₁、转体不平衡力矩M_G、转动体球铰摩阻力矩M_Z三者之间达到瞬时平衡。通过这种平衡关系可以求出转体不平衡力矩M_G、转动体球铰摩阻力矩M_Z。这种方法各力矩之间关系明确，且只考虑了梁体转动的刚体位移，不涉及梁体挠度等影响因素较多的参数，测试结果准确。

当钢束张拉完毕且脱离支架之后，整个转体系统重量由球绞承担，此时主梁的平衡有两种情况：

(1)转动体球铰摩阻力矩Mz>转动体不平衡力矩M_G

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。

先假设转动体重心偏向小里程侧，在大里程侧承台实施顶力P₁(见图1)。当顶力P₁逐渐增加到使球铰发生微小转动的瞬间，有：

P₁·L₁+M_G＝M_Z(4-1)

再在小里程侧承台设置千斤顶4，施加顶力P₂(见图2)。当顶力P₂逐渐增加到使球铰发生微小转动的瞬间，有：

P₂·L₂＝M_G+M_Z(4-2)

解方程(4-1)和(4-2)，得到，

不平衡力矩M_G：

摩阻力矩M_Z：

(2)转动体球铰摩阻力矩Mz＜转动体不平衡力矩M_G

此时，梁体发生绕球铰的刚体转动，直到撑脚6参与工作，体系的平衡由球铰摩阻力矩、转动体不平衡力矩和撑脚6对球心的力矩所保持。

设转动体重心偏向小里程侧，此种情况下，只能在小里程侧承台实施顶力P₂(见图3)。当顶力P₂(由撑脚6离地的瞬间算起)逐渐增加到使球铰发生微小转动的瞬间，有：

P₂·L₂＝M_G+M_Z(4-5)

当顶升到位(球铰发生微小转动)后，使千斤顶4回落，设P₂'为千斤顶4逐渐回落过程中球铰发生微小转动时的力，则

P₂'·L₂＝M_G-M_Z(4-6)

解方程(4-3)和(4-4)，得到，

不平衡力矩M_G：

摩阻力矩M_Z：

4.2球绞摩阻系数及转动体偏心距的计算

转动体球铰静摩擦系数的分析计算。

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。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(见图4)。图4中O为球绞中心，O³为任意截面平面圆的圆心。

由图可以得到：dM＝L·dF(4-9)

其中

dF＝μ_z>

dA＝Rsinθ·dβ·R·dθ(4-12)

所以

其中，β∈[0,2π]；

当时，代入公式进行积分可以得到：

此时，

当时，此时与平面摩擦的结果基本一致，可以通用，所以，当球铰面半径比较大，而矢高比较小时，即α比较小时，可将摩擦面按平面近似计算。

根据研究成果及工程实践，使用四氟乙烯片滑道3并填充黄油的球铰静摩阻系数和偏心距可用下列各式为：

球铰静摩阻系数：

转动体偏心距：

式中，R为球铰中心转盘球面半径；N为转体重量。

4.3试验步骤

①在选定断面处安装位移计和千斤顶；

②调整千斤顶，使所有顶升千斤处于设定的初始顶压状态；

③千斤顶逐级加力，纪录位移计的微小位移，直到位移出现突变；

④绘制出P-Δ荷载与位移曲线；

⑤确定不平衡力矩、摩阻系数、偏心距；

⑥确定配重重量、位置及新偏心距。

⑦出具转体梁称重试验报告。

具体实施例：

(1)纵向称重

45#墩T构同样由于桥梁纵向大里程方向存在1.53％的坡度，会产生较大的不平衡力矩。试验开始时，割掉临时支撑的工字钢后，发现大里程一侧撑脚着地，此时不平衡力矩大于摩阻力矩。经理论计算，应在墩中心往大里程29m～31m范围内配重23t。第一次称重后，实际在大里程方向29m～31m范围配重18.4t，配重之后，45#墩T构达到平衡，撑脚全部离地，此时不平衡力矩小于摩擦力矩。完成配重后，进行复称。复称结果详见表4-2，荷载与位移曲线如图6和图7所示。

表4-2 45#墩T构复称试验测试数据

由图6和图7分析可知

纵向不平衡力矩M_G：

摩阻力矩M_Z：

球铰静摩阻系数：

转动体纵向偏心距:

(2)横向称重

纵向配重完后，对横向进行称重。横向不平衡力矩为814.61kN·m，静摩阻力为1890.11kN·m，横向偏心距为1.94cm，偏向右侧，不需要配重能满足转体平衡要求。复称结果如下：

横向不平衡力矩：M_G＝791.76kN·m

摩阻力矩：M_Z＝1890.11kN·m

球铰静摩阻系数：μ＝0.0315

转动体横向偏心距：e＝1.94cm

45#墩T构纵向配重在墩中心往大里程方向29m～31m范围内均匀配18.6t，横向不需配重。配重后复称结果汇总如表5-1所示。

表5-1配重后复称结果

由纵向称重可得，45#墩T构静摩阻系数分别为0.0311。配重后各T构摩阻力矩大于各自不平衡力矩，45#墩T构纵向偏心距分别为2.71cm，偏向大里程。

由横向称重可得，45#墩T构静摩阻系数分别为0.0315。配重后各T构摩阻力矩大于各自不平衡力矩，45#墩T构横向偏心距分别为1.95cm，偏向右侧。

因此，对45#墩T构纵向和横向配重后可以进行正常转体。

如图8至10本发明所用的千斤顶包括：

千斤顶本体401，其具有上表面开口的中空腔体；

活塞402，其为上小下大的阶梯型，所述活塞402位于所述千斤顶本体401的腔体内，以将千斤顶本体401的腔体分为上部的型腔403和下部的液压腔404，所述千斤顶本体401具有贯通液压腔404的第一进液口405，所述活塞402下部具有向内凹陷的一圈环形第一凹槽406，所述第一凹槽406槽口通过弹性板407与活塞402外侧密封连接，所述活塞402下底面具有向上凹陷的第二凹槽，其为上大下小的阶梯型，所述第二凹槽靠近槽底的侧面具有多个贯通第一凹槽406的倾斜通道408，所述通道408沿第一凹槽406向第二凹槽向下倾斜设置；

顶推机构，其包括工字型的顶推块409和阻挡环410，所述顶推块409上部和中部配合于第二凹槽内，且可沿第二凹槽上下滑动，所述第二凹槽槽底与顶推块409上表面之间填充有液体，所述顶推块409下部外侧密封连接阻挡环410下侧，阻挡环410上侧固定于活塞402下底面，所述阻挡环410上侧位于顶推块409下部的外侧，且所述阻挡环410为高强柔性材质制得。

在上述技术方案中，活塞402在滑动的过程中需要密封性较好。当下部的液压腔404通过进液口进液推动活塞402向上运动的过程中，顶推块409的下部被推动向上，从而带动顶推块的上部和中部向上滑动，进而推动第二凹槽槽底与顶推块409上表面之间填充的液体沿着倾斜通道408向第一凹槽406内填充，第一凹槽406内填充完液体后，顶推块409继续向上滑动的过程中，第一凹槽406内的液体向外挤压弹性板407，从而弹性板407略凸出于活塞402外侧面，从而起到紧贴千斤顶本体401的腔体内壁并进一步起到在活塞402向上运动时的密封作用。当卸掉液压腔404的压力时，第一凹槽406内的液体因为重力作用沿通道408向下滑动到第二凹槽内，此时弹性板407内缩，活塞402可方便下移，同时顶推块409也会自动下落，顶推块409连接的阻挡环410可阻挡液压腔404内的液体进入到第二凹槽内，阻挡环410上侧设置为远离顶推块409下部位于外侧，在顶推块409上移的过程中，其自动向外缩为一体，不影响顶推块409的上移。阻挡环410的材质设置为强度较大，不容易破损，同时其为柔性材质，方便缩成一体。弹性板407为弹性材料制成，且耐磨。

在另一种技术方案中，所述弹性板407包括外层、中层和内层，所述内层为弹性材质，所述外层为耐磨弹性材质且外层具有贯通中层的多个微孔洞，所述中层为海绵且浸满润滑油。在第一凹槽406内的液体挤压弹性板407的过程中，内层起到密封的作用，中层的海绵在挤压作用下，其内的润滑油通过外层的微孔洞流入到千斤顶本体401腔体内壁上，活塞402上移下滑过程中起到润滑作用，也减小了弹性板407与千斤顶本体401腔体内壁的摩擦力。

在另一种技术方案中，所述千斤顶本体401还具有贯通液压腔404的第二进液口411，所述第一进液口405和第二进液口411均固定连通有第一进液管413和第二进液管414，两者管口相对设置于液压腔404内，第一进液管413和第二进液管414之间设置有调节阀412，其由球体均分为四等分且其中三等分均向内形成弧形凹陷，所述调节阀412未凹陷的一等分恰好可密封住第一进液管413或第二进液管414的管口，所述调节阀412中心固定有转动轴一端，转动轴另一端水平穿出千斤顶本体401外并通过驱动机构驱动转动，所述转动轴与千斤顶本体401内壁之间设置有密封圈。

在上述技术方案中，通过多个进液口可调节活塞402向上的顶推力的大小，是通过调节阀412切换的。调节阀412最开始的状态是未凹陷的一等分向上，而左右两个凹陷等分分别对应第一进液管413和第二进液管414管口，管内的液体可通过弧形凹陷进入到液压腔404内，实现通过两个液压缸对活塞402的较大顶推力。同时为了防止液压缸临时的损坏，影响工程进度，可选择性通过第一进液口405或第二进液口411进液。通过驱动转动轴的转动，向左或向右转动分别可封堵住其中一个进液管口。

在另一种技术方案中，所述调节阀412未凹陷的一等分两侧设置有远离调节阀412中心向外延伸的一对挡板415，所述第一进液管413或第二进液管414的上侧端部具有向内凹陷的凹通道416，其恰好可容纳调节阀412转动时挡板415通过，所述第一进液管413或第二进液管414的下侧具有向内凹陷的第三凹槽417，其恰好与挡板415相配合。为了控制调节阀412向左向右转动时的幅度，设置了一对挡板415，而第一进液管413或第二进液管414上方设置有贯通管内的凹通道416，下方设置有凹陷的第三凹槽417，以向左转动为例，调节阀412未凹陷的一等分一对挡板415分别穿过凹通道416，最终下方的挡板415卡合于第三凹槽417中，上方的挡板415恰好配合于凹通道416内，如此恰好可密封住左边的管口，液体只能由右方的管口进入。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。