跨津山铁路主桥转体称重方案北方交大.docx
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跨津山铁路主桥转体称重方案北方交大
天津集疏港公路一期工程跨津山铁路主桥
工程转体施工及试验方案
北京交通大学
中铁六局集团公司
2008.1.26
1项目概况
天津集疏港公路一期工程跨津山铁路主桥是一座65m+65预应力混凝土连续刚构桥,全桥宽56m上部结构采用左、右两幅反对称布置的单箱三室斜腹板箱梁。
单幅箱梁顶板宽27m底板宽14.1—17.1m。
两幅之间的净距2m中支点梁高5.5m,端部梁高2.5m,端部等高段长8.9m。
下部结构中墩采用墩梁固结、单箱双室截面。
转盘结构采用环道与中心支承相结合的球铰转动体系。
为减少上部结构施工对铁路行车安全的影响,确定采用平衡转体的施工技术。
即先在铁路两侧浇筑梁体,然后通过转体使主梁就位、调整梁体线形、封固球铰转动体系的上、下盘，最后浇筑合拢段,使全桥贯通。
转体段梁长61m+61m现浇合拢段长4m转体角度75°，转体重量达13300t。
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。
天津集疏港公路一期工程跨津山铁路主桥转体施工的特点主要体现在如下方面：
1、左、右两幅梁同步水平转体。
左右两幅梁转体到位后的表面间距为2m，如此巨大的两个转动物体，特别是在
转体到位的瞬间，若两幅梁的转体角度偏差超过1.878°时，就会导致两幅梁在梁端
发生碰撞。
此外，转体过程中有可能出现的非匀速转动或急起、急停所产生的惯性力也会导致梁体变形、甚至产生裂缝。
因此，保持左、右两幅梁的同步、缓慢匀速转动是该桥转体施工的关键环节。
2、转体梁悬臂长度达到61m。
如此长的悬臂长度意味着，在竖平面内由于不平衡力矩使球铰转动体系产生
0.01°的微小转动时，在转体悬臂段的端部就会产生大约11mm勺竖向位移（此时，在
撑脚处产生大约0.6mm的竖向位移）。
因此，无论在转体过程中，还是在梁体线形的调整中，精确控制悬臂段的标高和转体体系的质量平衡，提高体系的抗倾覆稳定能力，就成为保证施工质量、顺利完成边跨合拢段施工的重要环节。
转体总重量大，因此减小摩阻力，提高转动力矩是保证转体顺利实施的两个关键。
桥梁的转体过程比较复杂、技术难度较大、精度要求高,一般来说是全桥施工的关键步骤。
尽管桥梁的转体施工技术日趋成熟，但具体桥梁均有其特殊性，这一技术的应用仍在不断完善中。
结合天津集疏港公路一期工程跨津山铁路主桥的特点，进行双幅、大悬臂、自重大的水平转体梁的施工技术研究是十分必要的。
4、转体过程中有客车通过的可能
该桥成桥后跨越津山线。
球铰的位置距铁路线很近，只有m。
按照设计要求，该桥转体过程需时约65分钟。
津山线是一条繁忙的运输通道，能拿出65分钟的时间限制列车（特别是客车）通过而供桥梁转体的可能性不大。
众所周知，当列车通过时会诱发周围地基土体的振动，尽管振动的大小与地基土环境和列车速度、载重等有关，但一般情况下人体能感知到这种振动。
从结构上讲，脱架后或平衡转体过程中，转体梁的姿态和抗倾覆稳定性完全靠球铰的静、动摩擦力和撑脚反力来保证。
列车通过时诱发的振动通过球铰传递到巨大的悬臂转体梁上，相当于一次有感知的地面运动输入。
那么，这种振动究竟对转体梁有多大影响？
特别是能否影响转体梁的整体安全呢？
所看到的资料还未对此做出过分析和估计。
因此，分析和估计列车通过时对转体梁的影响也是该桥转体技术应该把握的环节之一，以便做到未雨绸缪。
5、转体过程中有受风力影响的可能
塘沽地处海边，风力较大，最大风速达到km/h。
根据历次桥梁转体的经验，特别是当转体实施当天风力较大时，确定是否按时进行转体就成为所有参与人员（包括领导、技术人员甚至媒体工作者）非常关心的焦点问题。
天津集疏港公路一期工程跨津山铁路主桥转体段属于宽幅、大悬臂结构。
受风面积大，受风力就大。
尤其在阵风频带与转体段的自振频率接近时，转体梁在风激励下的响应将会很大。
这种响应究竟对转体梁有多大影响？
能否影响转体的正常进行呢？
显然，分析风对转体梁的影响，确定转体风力（风速）阈值供转体时决策使用，是十分必要的。
6、转体梁幅宽达27m
该桥的另一特点是宽幅，转体梁幅宽达27m横/纵向尺度比接近1/2。
类似于纵桥向混凝土分布不均匀、不对称而产生纵向不平衡力矩，混凝土的横向分布不均匀也产生横向不平衡力矩。
桥面越宽，产生横向不平衡力矩的可能性越大。
这种横向不平衡力矩使球铰侧转、使转体梁受扭。
如何估计横向不平衡力矩以及对转体梁有多大的影响？
是该桥主桥转体施工中应该把握的问题之一。
2项目目的
围绕该桥的结构和施工特点，本项目将在转动梁体的不平衡力矩、转体配重、摩阻系数、风力对转体的影响、列车通过时对转体梁的影响、脱架过程及不对称脱架对梁体受力的影响等方面开展工作。
对该桥的施工转体全过程进行监测、监控。
通过计算与测试分析,为转体施工过程中梁体的标高调整，变位和受力状态的控制提供依据,以保证转体施工阶段的结构安全,提高施工质量。
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。
3项目内容
本项目内容包括三个方面：
1、脱架后转体梁段的变形和竖向位移计算分析；
2、阵风作用下转体梁施转的安全性分析；
3、过路列车诱发的地面振动对转体梁稳定姿态的影响分析；
4、宽幅转体梁横桥向不平衡力矩估算；
5、转体梁竖向不平衡力矩测试、摩阻系数测试及配重。
4试验方案
1、试验目的
通过测试及分析,为转体施工过程中梁体的标高调整，变位和受力状态的控制提供依据,以保证转体施工阶段的结构安全,提高施工质量。
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。
2、试验内容、方法
（1）平转摩阻力测定。
在试转动阶段,采用连续顶推千斤顶。
通过球铰转动体系由静摩擦向动摩擦转化时千斤顶的力值，确定静摩擦阻力。
通过球铰转动体系平稳转动时千斤顶的力值,确
定转动摩擦力。
并以此计算出牵引力矩和摩阻力矩（可通过积分得到计算式），再根据力矩的平衡条件，反算出静摩擦系数和动摩擦系数。
（2）不平衡力矩测试
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，导致两侧梁段刚度不同，质量分布不同，从而产生不平衡力矩，使得悬臂梁段下挠程度不同。
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：
Mz0.980NR
式中，N为转体重量，R为球铰球面半径，卩0为静摩擦系数。
根据设计，N=13300t，R=8m，卩o=0.1;
得到设计静摩阻力矩为：
0.98X0.1X133000X8=104272kN.m
3、现场试验及测点布置
现场试验包括不平衡力矩、摩阻系数及梁体配重测试；脱架过程梁体位移监测与
控制测试；列车引起的地面振动测试等三个方面。
试验环节及测点布置叙述如下
（1）不平衡力矩、摩阻系数及梁体配重
本试验拟于两段悬臂梁距梁端1m处各布置手动式千斤顶8台，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：
104272/（8X60）=217kN
根据设计要求，加固后的复合地基承载力达到14.7kPa,即147kN/ml由此可知每台千斤顶至少需要217/147=1.48m2~1.5m2的地基面积来承受千斤顶施力。
对于碗扣式脚手架，每根竖向钢管的承载力按30kN考虑，则传递每台千斤顶力
时至少需要217/30=7.2〜8根竖向钢管。
满足地基承载力、脚手架传力、千斤顶施力条件且达到球铰产生微小转动的不平衡力矩测点布置图示于图-1、图-2和图-3中。
图中，1-LVDT位移传感器；2-30吨压力传感器；3-30吨手动千斤顶；4-梁底垫钢板（150mmX150mmX20mm）；5-千斤顶底座（放木或木板垫层）；6-方木（200mmX200mmX2000mm）
本试验环节大致如下：
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-△曲线；
5重复以上试验；
6对两幅梁共进行8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。
图-2脚手架局部加密（侧立面）
1-LVDT位移传感器；
2-30吨压力传感器；
3-30吨手动千斤顶；
4-梁底垫钢板（150mrK150mM20mrh;
5-千斤顶底座（放木或木板垫层）；
6-方木（200mM200mrK2000mm
在施工用脚手架的基础上，按图中指定区域进行脚手架加密即可。
图-3脚手架布置（正立面）
（2）脱架过程梁体位移监测与控制
1在转体梁悬臂端两侧共安装4只大量程位移传感器；
2拆卸支架过程中，实时监测、记录各点的位移变化；
3若位移差值超过计算设定值，及时通知脱架指挥着，调整脱架进程；
4
脱架完成后，利用梁端位移纪录进行宽幅转体梁横桥向不平衡力矩估算测点布置图示于图-4和图-5中。
分析°图-4脱架前转体梁状态
测点布置图示于图-6中。
正立面
图-6隧道测试断面及测点平面布置图
4、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±5mm，精度1/1000，线性度大于0.2%使用条件：
受周围环境影响不大。
•LVDT位移传感器：
用于悬臂梁端的位移。
4个
主要技术指标：
量程±250mm，精度5/1000，线性度大于0.2%使用条件：
受周围环境影响不大。
•891-4传感器：
用于测试列车引起的地面振幅时程。
4个频率响应：
0-30Hz；测量范围：
最大5m/s分辨率：
1x10-7
•5511型伺服式加速度传感器：
用于测试列车引起的地面加速度时程。
4个频率响应：
0-100Hz；测量范围：
5g
分辨率：
0.00005g
•BLR-1型压力传感器：
用于测试千斤顶处的反力。
4个
量程：
300kN
精度：
±1%灵敏系数：
2.0
•QLD-50型手动螺旋式千斤顶：
用于在悬臂梁端位置处施加支承力。
起重量：
300KN;起重高度：
150mm
手柄作用力：
510N；
（2）数据采集系统
本项目采用美国生产的IOTECHWaveBook512数据采集系统。
IOTECHWaveBook512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。
（4）紧急备用电源系统
2500W汽油发电机一台，UPS不间断电源两台。
5进度安排
1转体悬臂梁段的变形和竖向位移计算分析:
20天；
2阵风作用下转体梁施转的安全性分析:
30天；
3过路列车诱发的地面振动对转体梁稳定姿态的影响分析:
40天；
4宽幅转体梁横桥向不平衡力矩估算：
10天；
5过路列车诱发的地面振动测试：
1天；
6脱架过程梁体位移监测：
按照脱架进度计划；
7转体梁竖向不平衡力矩测试、摩阻系数测试及配重：
（1）研究制订试验实施方案：
3天
（2）试验材料采购及设备配套：
2天
（3）仪器的检测与标定：
2天
（4）测点布置及传感器、数据线和相关设备的安装调试；3天
（5）按照进度计划要求完成现场测试:
2天
8宽幅转体梁横桥向不平衡力矩估算结果：
脱架完成后1小时
9转体平衡配重、摩阻系数及配重：
不平衡力矩测试后两小时给出；
10转体关键技术环节试验及研究总报告：
20天
6经费预算
项目总经费:
53万元,由下列各项费用构成。
1、脱架后转体悬臂梁段的变形和竖向位移计算分析：
4万元（包括管理费）
2、阵风作用下转体梁施转的安全性分析：
6万元（包括管理费）
3、过路列车诱发的地面振动对转体梁稳定姿态的影响分析：
12万元（包括过路列车振动测试费及管理费）
4、宽幅转体梁横桥向不平衡力矩估算：
3万元（包括管理费）
5、转体梁竖向不平衡力矩测试、摩阻系数测试及配重试验费：
见下表
不平衡力矩测试、摩阻系数测试及配重试验经费预算表
费用名称
金额
备注
1
现场试验直接费
人工费
2.712
教授：
360元/人天X1人X12天=0.432万元副教授：
300元/人天X2人X12天=0.72万元
其他：
260元/人天X5人X12天=1.56万元
试验消耗材料费
2.35
导线0.85万兀，传感器座加工件，粘接胶，高能电池，各种仪器连线接头，测试人员安全用具以及绷带、砂纸、电刷、灯泡、部分小工具等1.50万元
仪器使用折旧费
6.55
本次实验所涉及的仪器总价值145万元，折旧费145
万兀X3%0/天X10天=4.35万兀。
本次试验所涉及的传感器总价值12.0万元，损耗率10%，传感器损耗费总计万元X10%=1.20万元，标定费：
1.0万元
千斤顶购置费
0.80
已有6台，还需增加两台，按两台千斤顶的30%计算
仪器设备运输费
0.50
包括运抵现场和返回以及运输所涉及到的公路、人工
运费、保险费。
差旅费
1.152
交通、食宿：
120元/人天X8人X12天=1.152万元
现场雇佣劳工费
（或由甲方负责）
2.00
主要完成诸如晚上看护仪器；清理混凝土基面；现场搬运；修搭仪器、设备操作房等方面的工作。
试验数据处理及分析费
8.00
文整费
1.00
以上小计
25.064
2管理费
3.00768
25.064万元X12%
3配重试验费用计
28.07168约28万
七工作基础及相关业绩
北京交通大学土建学院桥梁及隧道工程学科是为数不多的国家级重点学科，拥有结构实验中心及价值超过4000万元的各种先进的测试设备及仪器。
该学科拥有多名国家新近设定的职称系列的教授及副教授，工作重点主要针对交通土建方面的重大科研和工程项目。
近年来，该学科的桥梁研究方向先后承担了国家科委、基金委、北京市、铁道部交通部及其他省、市的几十项桥梁动、静力分析和试验方面的项目，取得了多方面有价值的成果，为本次试验提供了理论和试验基础，使得本次试验的可靠性得到了充分的保证。
1与本次桥梁转体、施工监测及静动载试验有关的主要业绩
拟参与本项目主要人员2000年以来的主要业绩
项目名称
项目时间
项目负责人
1
北京市西六环桥梁转体项目
进行中
高日1
2
张石高速公路石家庄段跨京广铁路跨线桥转体试验
2007.4
高日
3
张家湾铁路专用线跨线桥转体施工技术及试验研究
2006.12
高日n
4
邯济铁路K085+714、K222+783桥振动分析
2006.9
高日
5
宁西线康家沟、西磨沟、小赵峪及丁河桥桥梁动载试验
2006.7
高日n
6
大秦线郑重庄桥2万吨货车条件下动载试验
2006.3
高日
7
邯济铁路K023+231团结渠桥、K210+634赵牛河桥加固后全桥试验
2005.10
高日
8
邯济铁路K012+195、K215+922桥振动检测
2005.8
高日
9
青藏铁路桥墩混凝土剥蚀试验
2005.5
高日
10
嫩江公路钢桥技术检定及承载力试验
2005.4
高日
11
胶新铁路西坡中桥动载试验
2004.10
高日
12
地铁2号线崇文门过管地段动态试验
2004.7
高日
13
邯济铁路K003+826框构桥裂缝检测、分析及加固措施
2004.6
高日
14
抢修用钢桥墩及钢梁试验及设计（2004.6）
2003.11
高日
15
青藏线常用跨度桥梁技术和提高耐久性措施补充试验研究
2002.8
高日
16
万州长江二桥结构及结点试验
「2002.5
高日d
17
小桥涵出入口铺砌保温材料的试验研究
2001.3
高日
18
太原卫星发射基地5号公路桥静、动力试验
2000.8
高日n
19
大成桥振动计算分析
2007.6
夏禾
20
武汉站列车激励计算
2007.4
夏禾
21
南京大胜关长江大桥关键技术研究-大跨度铁路桁拱桥抗风性能研究
2007.1
夏禾
22
强风作用下大跨度桥梁的动力响应及行车安全控制研究
「2005.1
夏禾
23
桥梁加固效果试验分析
2003.9
夏禾
24
巴黎-布鲁塞尔高速铁路ANTONIN快桥动态性能试验
—2002.6
夏禾
25
城市轨道交通高架桥梁结构徐变控制的研究
2002.4
夏禾
26
秦沈客运专线综合试验科技攻关项目：
桥梁动力性能综合
2001.9
夏禾
试验
27
北京市城市铁路路基桥梁变形观测研究
-2001.4
夏禾
28
既有线路提速刚梁桥加固技术试验研究
2001.4
夏禾
29
广深线雅瑶桥试验
2001.1
夏禾
30
秦沈客运专线桥涵关键技术研究-常用跨度桥梁动力特性
2000.8
夏禾
31
2007-2008沿海铁路温福线宁德白马河桥施工监控
2007.9
季文玉
32
活性粉末混凝土铁路预制梁的设计与试验研究
2006.1
季文玉
33
北京通惠河北路2标钢梁架设仿真分析及施工监控
「2005.12
季文玉1
34
金属波纹管涵洞现场及室内试验研究
2002.1
季文玉
35
河南舞阳沙河桥、小石门桥、甘江河桥及澧河桥检测
「2001.10
季文玉n
36
整孔简支箱型梁桥综合试验
2000.9
季文玉
37
大跨径预应力混凝土梁桥长期变形精细化分析及下挠处治方案研究
2007.5
雷俊青
38
武广客运专线大跨度预应力混凝土桥梁技术研究
2007.5
雷俊青
39
山东省临忻市柳青河斜拉桥施工监控技术服务
2006.11
雷俊青
40
公路桥梁承载能力检测评定规程
2003.1
雷俊青〔
41
轨道交通机场线跨四兀桥结合梁顶升施工监测
2007.6
卢文良
42
内蒙海生不浪黄河特大桥与大黑河桥现场静动载试验分析
2007.4
姜兰潮
43
四号线12标区间隧道施工衬砌压力观测和西直门桥变形监测分析
2006.12
姜兰潮
44
大跨度连续结合梁桥负弯矩区预应力施加方法及试验
2005.3
黄炫晔
45
南阳二大桥检测
2002.6
黄炫晔
2、设备条件
结构试验中心是国家“21T重点建设的实验室，也是铁道部的重点实验室。
经过近二十年的建设，该实验室已经形成了相当完备的桥梁与结构室内外综合试验能力，拥有多台套世界上先进的试验设备，有的在国内是独一无二的。
如世界上目前最先进的现场数据采集系统，三十二通道数字式磁带记录仪，各种最新的进口传感器等。
并专门装备了一台具备在任何环境下工作的现场试验车，以保证试验工作能在各种条件下工作。
这些仪器设备不仅能够满足桥梁试验的要求，而且能够大大提高试验的精度和可靠性。
供本次试验使用的主要仪器包括：
主要试验仪器列表
名称、型号
性能指标
数量
美国I0TECH51动态数据米集系统
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
2
美国MEGADAC5414数据采集系
统
采样率：
25万次/秒
分辨率：
16bit
通道：
48个动态应变通道，
16个电荷放大通道，16个模拟输出通道
2
日本SONYPC216A数字式磁带
记录仪
分辨率：
16bit64倍超取样频率范围：
0—25KHZ
信噪比：
78DB
动态范围：
80DB
通道数：
32CH
1
瑞士KISTLER-8305A电容式传感
器
灵敏度：
500mv/g频率范围：
0-300Hz
最大加速度：
2G
20
日本AKASHI-V401BRH伺服式传感器
灵敏度：
1.414v/g频率响应：
0—100HZ
最大加速度：
5G
30
LVDT位移传感器
量程：
20mm分辨率：
1/1000mm
15
BJQN光电图象式桥梁挠度检测仪
测量范围：
5—250m频率响应：
0—20Hz
分辩率：
测量范围的千分之三
2
891-4型拾振器
测量范围：
0-200mm频率响应：
1-30HZ
12
日本三荣7T17数据分析仪
4通道高速米集
1
美国DASLab动态数据分析软件
美国DADiSP动态数据分析软件
1
日本NEC7V13数据
集录器
通道数：
140CH
1
7V14静态电阻应变仪
通道数：
400CH
2
八主要参加人员
北京交通大学主要参加人员
姓名
职称
年龄
分工
全时率（%）
姓名职称I年龄I分工~~全时率（％）
咼日
教授
48
方案、分析、试验
90
夏禾
教授
57
计算分析
50
雷俊青
教授
52
试验分析
50
季文玉
副教授
47
方案、分析
70
姜兰潮
副教授
35
试验、计算、分析
90
卢文良
副教授
35
试验、计算、分析
90
张楠
副教授
33
计算分析
60
冯东
副教授
46
试验
60
杨维
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