新建铁路沪杭甬客运专线上海至杭州段（88+160+88）m自锚上承式拱桥
转体施工不平衡称重试验方案
北京交通大学土木工程试验中心
中铁十二局集团公司第四工程公司
2010.4
一项目概况
新建铁路沪杭甬客运专线上海至杭州段跨高速公路特大桥在铁路里程DK59+075.555～DK59+413.555设计为88m+160m+88m自锚上承式拱桥，其中主跨跨越沪杭高速公路主线，沪杭高速公路与沪杭客专轴线夹角为57°，沪杭高速公路净高要求5.5m。
拱肋采用抛物线线形，矢跨比为1/6，边、中跨拱肋跨中截面高4.0m，边、中跨拱肋拱脚处截面高6.0m。
主拱截面采用单箱单室箱形截面，顶板宽7.5m，顶、底板及腹板厚度均采用60cm，拱脚处局部加厚。
边拱在主拱的端部、拱脚、拱上立柱等处各设相应厚度的横隔板。
中拱主拱的拱脚、拱上立柱、中合龙等处各设相应厚度的横隔板。
为减少上部结构施工对行车安全的影响，确定采用平衡转体的施工技术。
根据高速公路管理部门的要求，路两侧两个转体结构进行一前一后顺序施工。
转体完毕精确就位后立即锁定，然后进行封铰施工,使全桥贯通。
每个转体重量约16800吨，球铰半径8米。
转体施工法的关键技术问题是转动设备与转动能力,施工过程中的结构稳定和强度保证,结构的合拢与体系的转换。
总的来看，桥梁转体技术的原理相同、转体技术也日渐成熟。
然而，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，以便确保结构的稳定和强度要求，不至于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。
为此，设计要求在试转前，进行不平衡称重试验，测试转体部分的不平衡力矩、偏心矩、摩阻力矩及摩阻系数等参数，实现桥梁转体的配重，达到安全施工、平稳转体的目的。
二试验目的
围绕该桥的结构和施工特点，本项目将在转动体的不平衡力矩、摩阻系数、转体配重、转体偏心控制等方面开展工作，以保证转体阶段的结构安全,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。
达到进一步完善桥梁水平转体施工方法、提升企业施工技术能力的目的。
三试验内容
转体竖向不平衡力矩测试、摩阻系数测试、转体姿态分析、转体平衡配重。
四 试验方案
1、试验方法
沿桥梁轴线的竖平面内，由于球铰体系的制作安装误差和拱体质量分布差异以及预应力张拉的程度差异，导致两侧拱段刚度不同，质量分布不同，从而产生不平衡力矩，使得悬臂段下挠程度不同。
为了保证转体过程中，体系平稳转动，要求预先调整体系的质量分布，使其质量处于平衡状态。
原理如下：
以球铰为矩心，顺、反时针力矩之和为零，使转动体系能平衡转动，当结构本身力矩不能平衡时，需加配重使之平衡。
即：
M 左一M 右= M 配
式中：M 左—— 左侧悬臂段的自重对铰心的力矩；
M 右—— 右侧悬臂段的自重对铰心的力矩； M 配—— 配重对铰心的力矩。
根据实测偏心结果，对于纵向偏心，采用在结构顶面的偏心反向位置，距离墩身中心线一定距离的悬臂段，堆码加沙袋作为配载纠偏处理法。
要使球铰克服静摩阻力发生微小转动，需要的转动力矩应大于等于静摩阻力矩。
静摩阻力矩可由下式计算：
R N M z ⋅⋅=098.0μ
式中，N 为转体重量，R 为球铰球面半径，μ0 为静摩擦系数。
2 摩阻系数及偏心距
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1-1)。
由图可以得到：
dF R R dM 22)cos ()cos sin (θθθ+=
z dF PdA μ=
θβθd R d R dA ⋅⋅⋅=sin cos P P θ=竖
22sin N
P R πα=
竖
所以：
2cos sin sin z z RN M d μθβθπα
=⎰⎰
其中，[0,2]βπ∈； 当6
π
α=
时，代入公式进行积分可以得到：
RN RN
M z z
z μα
πμ93328.0732619.0sin 2
=⨯= 此时， 0.9328z
z M RN
μ=
当 5.75
π
α=
时，z
z M RN
μ≈
，此时与平面摩擦的结果基本一致。
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，使用四氟乙烯片并填充黄油的球铰静摩阻系数和偏心距可用下列各式为：
图1-1 转动体球铰绕Z 轴转动摩擦系数计算示意图
球铰静摩阻系数： RN
M Z
98.0=μ
转动体偏心距： N
M e G
=
式中，R 为球铰中心转盘球面半径；N 为转体重量。
3、施力设备及测点布置
1）撑脚处施力
N =16800t ，R =8m ，根据经验摩阻系数取μ0 =0.05； 得到设计静摩阻力矩为：0.98×0.05×168000×8=65856kN.m
本试验拟于上盘承台施加顶力。
在距转体中心线约5.5m 处设置三台5000kN 的千斤顶，分别对转体梁进行顶放,在每台千斤顶上设置压力传感器,用以测试反力值，同时在上转盘底四周布置4个位移传感器，用以测试球铰的微小转动。
每台千斤顶需要的顶力预计：65856/（3×5.5）=3991kN 测点布置见图1-2～图1-5。
2）梁端处施力
为减小千斤顶出力，可增大力臂即在悬臂端适当位置处（如距悬臂端2米处）放置千斤顶，施加顶力，如图1-6～1-7所示。
每台千斤顶需要的顶力：65856/（2×77）=427kN
可采用QLD-50型手动螺旋式千斤顶。
但需要在悬臂端位置处布置施力平台，如图1-8所示。
4、试验步骤
1）转体体系平衡状态判定
逐步解除临时固结措施过程中，在撑脚处布置位移传感器，如图1-2所示。
测试步骤：
①两幅转体施工完成后，布置传感器，读取初读数。
②清理撑脚及滑道，逐步解除支座处的临时支撑（砂箱），进行连续测量，并观察撑脚是否随砂箱拆除连续向一侧下沉。
判断转体体系的平衡状态。
图1-2
2）称重步骤
①在选定断面处安装位移传感器和千斤顶及压力传感器；
②调整千斤顶，使所有顶升千斤处于设定的初始顶压状态，记录此时压力传感器的反力值；
③千斤顶逐级加力，纪录位移传感器的微小位移，直到位移出现突变；
④绘制出P-Δ曲线；
⑤重复以上试验；
⑥对两幅转体共进行4次上述顶升试验；
⑦确定不平衡力矩、摩阻系数、偏心距；
⑧确定配重重量、位置及新偏心距。
⑨出具供铁路有关部门审批用的转体梁称重试验报告。
14m
图1-4 承台处布置千斤顶平面图
13m
11m
千斤顶施力点8m
4
3 2 图1-5 千斤顶布置立面图
5
1
说明：图1-3～1-7中， 1- LVDT 位移传感器； 2-500吨压力传感器； 3-千斤顶； 4-梁底垫钢板（150mm ×150mm ×40mm ）；5-千斤顶底座
距转体理论中心77m
千斤顶施力点
（横向为腹板位置处）
距转体理论中心77m 59m
4 3 2
5
图1-6 悬臂端布置千斤顶平面图
图1-7 千斤顶布置立面图
悬臂端
施力平台
图1-8悬臂端施力平台示意图
5、测试仪器和设备
（1）传感器
试验中采用的传感器及其主要技术指标如下：
●应变式位移传感器：用于测试撑脚处和重心位置处的位移。
4个
主要技术指标：量程±5 mm ，精度1/1000，线性度大于0.2%
使用条件：受周围环境影响不大。
●BLR-3型压力传感器：用于测试千斤顶处的反力。
4个
量程：5000kN
精度：±1%
灵敏系数：2.0
（2）数据采集系统
本项目采用美国生产的IOTECH Wave Book 512数据采集系统。
IOTECH Wave Book 512的技术参数如下：满足本次测试的要求。
采样率：100万次/秒；
分辨率：12bit
通道： 40个电压通道，16个动态应变通道
（3）数据分析软件系统。
本次试验采用美国DADiSP 数据分析软件包。
该软件包可实现本次测试中相关数据的处理及分析，并能做到实时处理，可满足及时提供主要测试结果的要求。
6、进度安排
(1)研究制订试验实施方案：1天
(2)试验材料采购及设备配套：1天
(3)仪器的检测与标定：1天
(4)测点布置及传感器、数据线和相关设备的安装调试；1天
(5)按照进度计划要求完成现场测试:2～3天
(6)转体平衡配重、摩阻系数及配重：不平衡力矩测试后3天内给出。
7、实验配合事项
1）220V电源
2）500吨以上千斤顶三台
3）30～40mm钢板若干。
4）工人若干：移动千斤顶等设备、清理盛脚滑道、电工
8、实验经费
人民币约25万元。