基于关键点位移监测计算支架现浇转体桥不平衡力矩的方法

1.本发明涉及桥梁转体施工领域，特别是涉及桥梁转体不平衡力矩的计算方法。


背景技术：

2.目前，桥梁转体施工技术是较为成熟且应用广泛的桥梁施工技术，桥梁转体施工主要应用于上跨峡谷、河流、铁路、高速公路等不能做支撑的情况。桥梁转体前，应对转动结构进行称重，根据不平衡力矩对转动体进行配重，确保偏心距满足设计要求。目前较为广泛采用的是称重法测试转体桥梁不平衡力矩。
3.然而，称重法在称重前需在上下转盘之间布置千斤顶、百分表、压力传感器及配套的抄垫等；起顶前，用千斤顶顶紧上转盘，降低砂箱高度，记录各百分表的初始值，对四周撑脚位置进行标记，测量撑脚底缘线距离滑道面的初始距离；根据监控指令实施分级加载，直至转体结构发生转动为止，每一级加载完成后，记录各百分表读数，同时测量各撑脚标记点至滑道面的距离；根据监控指令实施分级卸载，每一级卸载完成后，记录各百分表读数，同时测量各撑脚标记点至滑道面的距离；称重完成后，根据测量数据计算转体所需配重及位置。
4.综上所述，称重法施工工艺复杂、时间长、成本高，因此，亟需一种无称重配重方法，用来解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于关键点位移监测计算支架现浇转体桥不平衡力矩的方法，以解决上述现有技术存在的问题。
6.为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案，
7.本技术是一种基于关键点位移监测计算支架现浇转体桥不平衡力矩的方法，该方法基于桥梁主梁两端位移值、转动体上转盘沿主梁纵轴向最外侧点位移值与转动体不平衡力矩的函数关系式。
8.本技术基于关键点位移监测计算支架现浇转体桥不平衡力矩的方法，该计算方法基于支架现浇转体桥支架拆除前后桥梁主梁两端位移值、转动体上转盘沿主梁纵轴向最外侧点位移值的监测与计算，及本发明函数关系式，将所得的各点位移值代入所述函数关系式经过简单计算即可得到转动体不平衡力矩这一重要参数，然后可根据所求得的不平衡力矩对转动体进行配重，确保转体结构的偏心距满足设计要求
9.借助各类位移监测方法及工具对桥梁关键点进行位移监测得到桥梁关键点位移值，即获取桥梁关键点并进行位移监测得到桥梁关键点位移值δ1、δ2、δ3，其中桥梁主梁两端位移值δ1、δ2、转动体上转盘沿主梁纵轴向最外侧点位移值δ3，根据不平衡力矩对转动体进行配重，确保转体结构的偏心距满足设计要求，关键点位移值δ1、δ2、δ3与转动体不平衡力矩mg的函数关系式为：
[0010][0011]
式中，e1为主梁混凝土弹性模量，i1为主梁横截面惯性矩，e2为墩柱混凝土弹性模量，i2为墩柱横截面惯性矩，l为主梁端部距离墩柱中心的距离，h为墩柱的高，r为上转盘的半径。
[0012]
进一步地，所述主梁各横截面相等时，即不存在变截面的情况，所述的桥梁关键点位包括桥梁主梁纵轴线两端，以及转动体上转盘沿主梁纵轴向的最外侧点，这三个点的位移值较为容易测得。
[0013]
进一步地，关键点位移值按以下步骤确定：在转体桥支架拆除前记录各关键点的位置数据z1、z2、z3，支架拆除，主梁下挠，球铰转动，记录此时关键点的位置数据z1′
、z2′
、z3′
，根据对应位置数据计算得到关键点的位移数据δ1、δ2、δ3，计算公式如下：
[0014]
δ1＝|z
1-z1'|
[0015]
δ2＝|z
2-z'2|
[0016]
δ3＝|z
3-z
′3|；
[0017]
现浇转体桥支架拆除之后，桥体因自重会产生下挠，也会因为桥墩两侧主梁的自重不平衡导致球铰发生竖向平面内的转动。下挠和转动都是微小的，且实际工程不可能出现大的下挠或转动。
[0018]
进一步地，公式推导时为简化计算将桥墩两侧主梁端部距墩柱中心距离均设为l，且考虑到大多实际情况下，桥梁墩柱两侧梁长也同样长，因此这样的简化对实际工程应用来说是符合实际要求的。
[0019]
进一步地，桥梁墩柱与桥梁主梁采用同样强度混凝土时，混凝土弹性模量相同，即e1＝e2＝e，则公式可简化为
[0020][0021]
式中其余各参数含义同上。
[0022]
进一步地，所述函数关系式系按照以下方法获得：根据等截面悬臂梁在均布荷载作用下自由端挠度计算公式，推导出桥梁墩柱两侧主梁在不同自重荷载作用下的下挠，通过求出自重引起的不平衡力矩计算得到桥梁墩柱上端转角，根据上转盘沿主梁纵轴向最外侧点位移值计算出转动体球铰在竖向平面内转动角度，将墩柱上端转角与转动体球铰转角进行线性叠加，最终得到主梁两端实际挠度值，对其进行反算推导得到桥梁主梁两端位移值δ1、δ2、转动体上转盘沿主梁纵轴向最外侧点位移值δ3与转动体不平衡力矩mg的函数关系式。
[0023]
进一步地，所述桥梁墩柱上端转角为桥梁墩柱上端在沿主梁纵轴线的竖平面内发生微小转动，即微小角度的竖转所产生；所述的转动体上转盘沿主梁纵轴向最外侧点位移值应满足所述上转盘两侧点位移仅由转动体球铰在沿主梁纵轴线的竖平面内发生微小转
动，即转动体球铰发生微小角度的竖转所产生。
[0024]
进一步地，所述转动体球铰在支架拆除后没有发生竖向平面内的转动时，所述转动体上转盘沿主梁纵轴向最外侧点位移值δ3＝0，则所述函数关系式简化为
[0025][0026]
本技术无称重配重方法主要通过对桥梁关键点实施位移监测，将所得监测数值代入本发明所述函数关系式中进行简单计算即可得到桥梁转体施工前所需的转动体不平衡力矩这一重要参数，然后可根据不平衡力矩对转动体进行配重，确保转体结构的偏心距满足设计要求。本发明具有技术设备简单、操作简便、节约称重时间、成本低的优点。
附图说明
[0027]
图1是本发明基于关键点位移监测计算支架现浇转体桥不平衡力矩方法中关键点布置示意图。
[0028]
图2是本发明1、2号关键点位移示意图。
[0029]
图3是本发明3、4号关键点位移示意图。
[0030]
图4是支架现浇转体桥结构示意图。
[0031]
图5是理想状态下现浇转体桥下挠示意图。
[0032]
图6是转体桥两侧主梁质量不对称时主梁下挠示意图。
[0033]
图中：1-下装盘、2-上转盘、3-球铰、4-桥墩、5-主梁、6-1号关键点、7-2号关键点、8-3号关键点、9-4号关键点、10-主梁初始高度、11-1号关键点位移、12-2号关键点位移、13-上转盘初始高度、14-3号关键点位移、15-4号关键点位移、16-支架。
具体实施方式
[0034]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]
本发明的目的是提供一种基于关键点位移监测计算支架现浇转体桥不平衡力矩的方法，该方法的基本原理为：
[0036]
基于均布荷载作用下悬臂梁自由端挠度计算公式，求出桥梁墩柱两侧等截面主梁在不同自重荷载作用下自由端下挠值；根据墩柱两侧不同自重算出桥梁墩柱上端所受的不平衡力矩，根据不平衡力矩计算墩柱上端转角，利用上转盘沿主梁纵轴向最外侧点位移值计算出转动体球铰转角，之后将墩柱转角与球铰转角进行线性叠加，推导主梁在转角作用下产生的下挠值；将上述两个下挠值进行叠加，得到主梁两端理论位移值，反算即可得到桥梁主梁两端位移值δ1、δ2、转动体上转盘沿主梁纵轴向最外侧点位移值δ3与转动体不平衡力矩mg的函数关系式。
[0037]
主梁横截面满足等截面假定，即桥梁主梁各横截面均相等，不存在变截面情况；当主梁为变截面主梁时，各截面的惯性矩不同，抗弯刚度也就不同，且主梁自重荷载不再是简
单的均布荷载，难以实现简化计算，本发明所述的函数关系式将不再适用，可按照上述方法重新进行推导。
[0038]
本发明中仅考虑在沿主梁纵轴线的竖平面内发生所述主梁下挠，转动体球铰微小转动。
[0039]
桥梁墩柱上端、转动体球铰在沿主梁纵轴线的竖平面内发生的都是微小转动，即桥梁墩柱上端、转动体球铰所发生的均为微小角度的竖转；当桥梁墩柱上端、转动体球铰所发生的为较大角度的竖转时，本发明所述的函数关系式将不再适用，但实际工程中桥梁墩柱上端、转动体球铰不可能发生较大角度的竖转，故本发明所述的函数关系式具有普遍适用性。
[0040]
在一种实施方式中，参考图1至图4，通过如下步骤确定主梁纵轴线两端位移值δ1、δ2、转动体上转盘沿主梁纵轴向最外侧点位移值δ3：
[0041]
1)在桥梁浇筑成型后，在支架未拆除前在桥梁主梁纵轴线两端点和转动体上转盘沿主梁纵轴向最外侧点布置位移监测装置，监测并记录转体桥主梁纵轴线两端点位置数据z1、z2，转动体上转盘沿主梁纵轴向最外侧点位置数据z3；
[0042]
2)在支架拆除后监测并记录转体桥主梁纵轴线两端点位置数据z1′
、z2′
，转动体上转盘沿主梁纵轴向最外侧点位置数据z3′
；
[0043]
3)将同一点的两次位置数据进行处理，即可得到关键点位移值δ1、δ2、δ3。
[0044]
桥梁墩柱两端主梁长均为l，主梁横截面不变，横截面惯性矩为i1，主梁混凝土弹性模量为e1，桥梁墩柱高为h，墩柱横截面惯性矩为i2，墩柱混凝土弹性模量为e2，上转盘半径为r，桥梁墩柱两侧主梁自重荷载分别设为q1、q2。
[0045]
如图5所示，理想状态下，桥梁墩柱两侧主梁自重相等，即桥梁墩柱两侧自重均布荷载q1＝q2＝q，根据均布荷载作用下悬臂梁自由端挠度计算公式可知此时两侧主梁下挠相同均为根据均布荷载作用下悬臂梁固定端弯矩计算公式，可知墩柱两侧弯矩均为两侧弯矩平衡，桥梁墩柱不发生弯曲。
[0046]
如图6所示，实际情况下，桥梁墩柱两侧主梁可能会因为设计、施工等原因导致墩柱两侧主梁质量分布不对成，即墩柱两侧主梁自重不相等；假设桥梁墩柱左侧自重简化为均布荷载q1，桥梁墩柱右侧自重简化为均布荷载q2，且q1＜q2，则桥梁主梁纵轴线左右两端下挠值分别为两端弯矩分别为其中弯矩以主梁下部受拉为正，上部受拉为负。
[0047]
此时墩柱两侧弯矩不平衡，会引起墩柱顶端发生弯曲，造成主梁发生刚体转动，不平衡力矩为根据自由端弯矩作用下悬臂梁自由端转角计算公式可知此时桥梁墩柱上端转角为
[0048]
桥梁墩柱两侧质量分布不对称也可能引起转动体球铰发生绕球铰中心的微小角度竖转，进而带动转动体上转盘发生转动，因转动体球铰发生的是微小角度转动，故上转盘转角和转动体球铰转角近似相等。
[0049]
假设上转盘沿主梁纵轴向最外侧点位移值为δ3，根据微小角度假定，上转盘转过的角度较小，最外侧点的位移值即可近似代替上转盘最外侧点转过的弧长，进而用圆心角计算公式计算得到球铰发生的转角为
[0050]
桥梁墩柱上端转角和转动体球铰转角都对主梁两侧点的位移产生贡献，将桥梁墩柱上端转角与转动体球铰转角线性叠加，得到主梁转过的角度为θ＝θ1+θ2。
[0051]
如图2所示，桥梁主梁两端点实际位移值为自重下挠、下部结构转动共同作用的结果。即
[0052]
左侧主梁位移
[0053][0054]
右侧主梁位移
[0055][0056]
(2)-(1)可得
[0057][0058][0059][0060]
由上述可知，不平衡力矩
[0061][0062]
式中，e1为主梁混凝土弹性模量，i1为主梁横截面惯性矩，e2为墩柱混凝土弹性模量，i2为墩柱横截面惯性矩，l为主梁端部距离桥梁墩柱中心的距离，h为墩柱的高，r为上转盘的半径。
[0063]
如图6所示，当转动体球铰没有发生转动时，即所述转动体上转盘沿主梁纵轴向最外侧点位移值δ3＝0时，上述函数关系式可简化为
[0064][0065]
式中其余参数含义同上。
[0066]
本发明还保护基于关键点位移监测计算支架现浇转体桥不平衡力矩的方法的应用，按照前述方法对某支架现浇转体桥进行无称重法转体桥梁不平衡力矩计算。
[0067]
如图4所示，在该转体桥支架未拆除之前监测记录主梁初始高度10，1、2、3、4号关键点位置数据z1、z2、z3、z4，拆除支架后，主梁下挠，球铰转动，再次监测1、2、3、4号关键点位置数据z1、z2、z3、z4，根据对应点位前后两次位置数据计算得到1、2、3、4号关键点位移δ1、δ2、δ3、δ4。
[0068]
如图2所示，1、2号关键点位移数据也可根据主梁初始高度10与支架拆除后1、2号关键点高度值之差来确定，即11为1号关键点位移δ1，12为2号关键点位移δ2。如图4所示，3、4号关键点位移数据也可根据上转盘初始高度13与支架拆除后3、4号关键点高度值之差来确定，即14为3号关键点位移δ3，15为4号关键点位移δ4。因球铰转动为微小角度转动，故|δ3|＝|δ4|，为计算简便，本发明所述函数关系式中取用3号关键点位移δ3。具体采用何种方式确定关键点位移，可根据实际精度要求进行选择，当精度要求高时可采用关键点位移监测的方法，当精度要求低时可采取高度做差的方法。
[0069]
查阅桥梁设计资料确定如下参数，主梁混凝土弹性模量e1，主梁横截面惯性矩i1，墩柱混凝土弹性模量e2，墩柱横截面惯性矩i2，主梁端部距离桥梁墩柱中心距离l，墩柱高h，上转盘半径r。
[0070]
将上述各参数及各关键点位移数据δ1、δ2、δ3带入本发明所述函数关系式中，即可得转体结构的不平衡力矩
[0071][0072]
根据不平衡力矩对转动体进行配重，确保偏心距满足设计要求。
[0073]
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。

技术特征：
1.一种基于关键点位移监测计算支架现浇转体桥不平衡力矩的方法，其特征在于，该方法基于桥梁主梁两端位移值、转动体上转盘沿主梁纵轴向最外侧点位移值与转动体不平衡力矩的函数关系式。2.根据权利要求1所述的转体桥不平衡力矩计算方法，其特征在于，获取桥梁关键点并进行位移监测得到桥梁关键点位移值δ1、δ2、δ3，其中桥梁主梁两端位移值δ1、δ2、转动体上转盘沿主梁纵轴向最外侧点位移值δ3，关键点位移值δ1、δ2、δ3与转动体不平衡力矩m
g
的函数关系式为：式中，e1为主梁混凝土弹性模量，i1为主梁横截面惯性矩，e2为墩柱混凝土弹性模量，i2为墩柱横截面惯性矩，l为主梁端部距离墩柱中心的距离，h为墩柱的高，r为上转盘的半径。3.根据权利要求2所述的转体桥不平衡力矩计算方法，其特征在于，所述主梁各横截面相等时，所述的桥梁关键点位包括桥梁主梁纵轴线两端，以及转动体上转盘沿主梁纵轴向的最外侧点。4.根据权利要求2所述的转体桥不平衡力矩计算方法，其特征在于，关键点位移值按以下步骤确定：在转体桥支架拆除前记录各关键点的位置数据z1、z
2、
、z3，支架拆除，主梁下挠，球铰转动，记录此时关键点的位置数据z1′
、z2′
、z3′
，根据对应位置数据计算得到关键点的位移数据δ1、δ2、δ3。5.根据权利要求2所述的转体桥不平衡力矩计算方法，其特征在于，公式推导时为简化计算将桥墩两侧主梁端部距墩柱中心距离均设为l。

技术总结
本发明提出了一种基于关键点位移监测计算支架现浇转体桥不平衡力矩的方法，属于桥梁转体施工领域。该无称重配重方法主要通过对桥梁关键点实施位移监测，将所得监测数值代入本发明所述函数关系式中进行简单计算即可得到桥梁转体施工前所需的转动体不平衡力矩这一重要参数，然后可根据所求得的不平衡力矩对转动体进行配重，确保转体结构的偏心距满足设计要求。本发明具有技术设备简单、操作简便、节约称重时间、成本低的优点。成本低的优点。成本低的优点。


技术研发人员：王强 刘伟 张渭 陈盈 张文学 冷文波
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/9/9