跨武廣特大橋轉體施工技術

王曉明

1 工程概況

跨武廣特大橋橋址位于湖北省咸寧市橫溝橋鎮,橋位沿G 107國道走行,全長 1 483.534m,全橋 43墩 2臺,橋梁跨越武廣高速鐵路位于武廣客專鐵路咸寧段,鐵路里程為K 1300+348。在該處跨武廣特大橋采用 48m+80 m+48m現澆連續梁斜跨武廣客專,斜交角度 155°(21孔 ～24孔);在施工時,三跨連續梁在平行武廣客專線路方向的武廣客專兩側防護柵欄之外采用掛籃懸臂現澆施工;懸澆至最后一段跨中合龍段后,通過水平旋轉 22號、23號主墩承臺帶動墩身及梁體轉動使主梁就位,調整梁體線形、封固球鉸轉動體系的上、下盤,最后澆筑合龍段,使全橋貫通。轉體段梁長2-(39m+39m);轉體總重量 2-4 500 t,為中心承重轉體。跨武廣特大橋橋下有武廣上下行客車線共計2股道,既有線的線間距5m。武廣線全程行車速度350 km/h,行車密度30min/趟,每天有 40對列車行駛。

2 主要施工技術方案

2.1 轉體施工方案綜述及流程

采用中心支承轉動、輔以保險平衡腳穩定的方案,并以中心支承為轉體體系。在上下層承臺間設置轉動體系,轉盤采用專用球鉸。

轉體結構由下轉盤、球鉸、上轉盤、轉體牽引系統組成。下轉盤(下承臺)為支承轉體結構全部重量的基礎,轉體完成后,與上轉盤共同形成基礎。下轉盤上設置轉體系統的下球鉸、撐腳的環形滑道及轉體拽拉千斤頂反力座等。下承臺頂面,布置不銹鋼環道、助推反力孔、牽引反力支座等;上承臺底面布置鋼管混凝土撐腳、托盤,撐腳底部距離下轉盤滑道頂面 30mm,保證脫架后環道撐腳懸空,形成中心承重轉動體系。路線兩側各采用2臺ZLD100型 100 t連續千斤頂作為牽引千斤頂形成牽引力偶,2臺普通QJ100型 100 t千斤頂作為啟動助推千斤頂。牽引反力支架布置于下承臺,牽引索布置于上承臺底部。箱梁澆筑完成后,拆除砂箱形成轉動體系,啟動牽引系統,上承臺、墩身及箱梁形成的整體繞下承臺頂面中心位置設置的鋼軸旋轉 25°左右,到達設計位置、精確測量并臨時限位后,及時連接豎向鋼筋并采用 C50微膨脹混凝土填充兩層承臺間的縫隙進行封盤。

轉體施工工藝流程圖見圖 1。

2.2 橋梁轉體施工技術方案

2.2.1 轉體系統

下轉盤(下承臺)為支承轉體結構全部重量的基礎,轉體完成后,與上轉盤共同形成基礎。下轉盤上設置轉體系統的下球鉸、撐腳的環形滑道及轉體拽拉千斤頂反力座等。下轉盤分三次澆筑施工:第一次在綁扎底層鋼筋網片及側面面層鋼筋,并綁扎承臺內豎向鋼筋后,立模澆筑混凝土;第二次在下球鉸和滑道安裝固定后,綁扎其余鋼筋,澆筑第二層混凝土;第三次澆筑球鉸下凸出部分的混凝土。上轉盤(上承臺)分兩次澆筑施工。第一次在上球鉸安裝和鋼撐腳完成后,綁扎上球鉸鋼筋網片及轉臺鋼筋,澆筑混凝土;第二次澆筑上轉盤剩余部分混凝土。

轉體結構系統組成見圖 2。

2.2.2 轉體結構動摩擦力矩及牽引力計算

1)力矩計算。

根據JTJ 041-2000公路橋涵施工技術規范第16.4.3條,T= 2FfR/3D,M1=T1D1=2f1GR1/3=2(D/2)Gf1/3=2 700 kN?m。

2)牽引力計算。

考慮動摩擦力矩全部由兩束牽引鋼絞線索承受,則鋼絞線索牽引力T1為:T1=M1/D1=337.5 kN。

其中,M1為轉體結構球鉸處動摩擦力產生的力矩,kN?m;T1為牽引力,kN;f1為動摩擦系數,按JTJ 041-2000公路橋涵施工技術規范第 16.4條,考慮四氟板圓柱形實體滑塊涂抹黃油四氟粉后與鋼板之間的摩擦力較小,取f1=0.06;G為轉體總重力,取45 000 kN;D為球鉸外徑,D=3.0 m;R1為球鉸水平投影半徑, R1=D/2=1.5m;D1為牽引力偶臂(轉盤半徑),D1=8.0m。

3)轉體結構靜摩擦力矩及助推力計算。

靜摩擦力產生的力矩Mj:Mj=2f2GR1/3=4 500 kN?m。

助推力計算:

考慮動摩擦力矩與靜摩擦力矩間的差值全部由轉盤撐腳處的2臺助推千斤頂承受,則有:T2=(Mj-M1)/(2R2)=276.9 kN。

其中,T2為助推力,kN;Mj為靜摩擦力產生的力矩,kN?m; R2為撐腳中心線至鉸中心的距離,R2=3.25m;f2為靜摩擦系數,按JTJ 041-2000公路橋涵施工技術規范第16.4條,取f1=0.1。

4)牽引千斤頂選擇。

選用φ15.2-7鋼絞線作為牽引索,其標準強度:fytp=1 860MPa, n=7;單根截面面積:A=140 mm2;鋼絞線錨下控制應力fk= 0.75fytp=1 395 MPa。

則單束鋼絞線容許應力[T]:[T]=nAfk=1 367.1 kN＞ 337.5 kN。

安全系數:K1=[T]/T1=3.62＞2,滿足要求。

根據計算結果確定千斤頂及助推千斤頂,采用 2臺 1 000 kN連續千斤頂分別對稱布置,則動力系數:η1=T1/F1=0.377＜0.85,滿足要求。

同理,助推千斤頂選用 2臺 1 000 kN螺旋千斤頂,則動力系數:H2=T2/F1=0.277＜0.85,滿足要求。

5)慣性制動距離計算。

轉動單元達到設計位置之前,連續千斤頂停止牽引,轉動單元在慣性力作用下繼續轉動,此時動摩擦力將阻止整個轉動單元繼續轉動并迫使其停止轉動。轉動單元的轉動速度由位于牽引力支座上的連續千斤頂對鋼絞線的牽引速度確定,因此,為了便于控制轉動速度,對連續千斤頂油缸行程進行控制,當將連續千斤頂油缸行程調整到0.12m/min時,轉動單元的角速度:ω=V1/ r1=0.12/4.0=0.03 rad/min=5×10-4rad/s。

跨徑為 80m的連續箱梁的單個T構旋梁端頭轉動線速度: V2=ωr2=1.17m/m in。

其中,ω為轉動體的角速度,rad/s;V1為轉盤的轉動線速度, V1=0.12m/min;r1為轉盤的半徑,r1=4.0m;V2為梁端的轉動線速度;r2為梁體的旋轉半徑,r2=39m。

為保證轉動單元的安全,連續千斤頂以 0.12 m/min的速度牽引鋼絞線,帶動轉盤轉動,那么,梁端以1.17m/m in速度轉動時,其動能:W1=MV22/2=2.025。

在摩擦力矩作用下,設止動所需要的轉角為α,提供的摩擦力矩為W1=αM1,則α=W1/M1=2.025/2 700=0.000 75 rad,此時梁端中心線與梁體就位中線的差距:L=αr2=0.029 3m。

其中,W1為梁體的轉動動能;M1為轉動體的質量;α為止動角度。

在止動階段,當梁頂端部的結構橫斷面中心線與設計橋位縱斷面軸線相差 0.029 3m時應停止牽引,利用慣性就位。然后利用千斤頂逐步將轉動單元頂推到設計線位置。

6)平衡措施。

為防止轉動單元失衡,在滑道外側、T構縱橫軸線方向設置4臺 4 000 kN的備用千斤頂,以便及時調整轉體的運行狀態。

2.2.3 轉體

1)主要設備布置。主要設備布置見圖 3。2)脫架并形成轉動體系。脫架步驟:清除上下承臺間雜物→拆除撐腳下鋼楔塊→擰開砂箱卸砂孔螺栓→使砂箱內砂自然流出或用高壓水槍沖擊→移走砂箱→轉動體系形成。為了判斷轉動體系脫架前后實際的重心偏離情況,在澆筑上承臺時在其四周設置永久觀測標志,并在施工全過程觀測記錄(精度0.5mm)它們的變化。3)試轉體。試轉體的目的:a.檢驗轉體方案的實用性、可靠性;b.檢驗整個指揮系統的協調性;c.檢驗操作人員是否明確自己的崗位職責和協同反應能力;d.通過演練取得經驗并找到差距,以便進一步改進預定的轉體方案;e.為了測試連續千斤頂加載后的工作性能,并確定合理轉速的油泵控制參數和停止牽引后轉動體在慣性作用下可能產生的轉動距離。4)正式轉體。當轉動體系快到預定位置時,迅速將 2臺 1 000 kN螺旋千斤頂、型鋼、鋼板對稱地安放到助推反力孔上作為限位裝置,防止轉體到位后繼續前行。通過觀察上承臺軸線上懸掛的錘球與下承臺軸線的差值以及測量人員測量的數據,調整助推千斤頂的頂推速度,采用經緯儀校正箱梁端頭中線指揮轉動單元就位,中線偏差不大于 2 cm。轉動單元就位后,利用備用的型鋼、螺旋千斤頂、鋼楔子將轉盤固定,防止風或其他因素引起轉動體發生位移。

2.2.4 轉動單元的精調

在下承臺頂面與縱橫橋向較低位置分別安放 2臺 4 000 kN千斤頂,對橋體的縱橫向高程進行調整。整個精調過程中,利用電子水準儀對縱橫橋向高程進行準確測量;利用全站儀對橋梁軸線進行跟蹤監測。在梁頂高程、縱軸線符合設計要求后,在鋼撐腳下揳入 4個小鋼楔子,完成T構精調。精調過程中應控制頂升力不超過設計限值,并在千斤頂頂面和上承臺底面間設置 2Ⅰ28型鋼δ=50mm的鋼板以擴散局部應力。

2.2.5 鎖定與封鉸

精調結束后,立即在鋼撐腳與內外助推反力支座之間安放型鋼反力架,對轉動單元進行鎖定。然后清洗滑道上的潤滑劑、清理底盤上表面臟物,焊接上下承臺間的預埋鋼筋、鋼件、綁扎鋼筋,立模澆筑C50微膨脹混凝土封鉸,加強養護,使承臺形成整體。

[1] TB 10303-2009,鐵路橋涵工程施工安全技術規程[S].

[2] TZ 210-2005,鐵路混凝土工程施工技術指南[S].

[3] TZ 213-2005,客運專線鐵路橋涵工程施工技術指南[S].

[4] 鐵建設[2005]160號,鐵路混凝土工程施工質量驗收補充標準[S].

[5] 鐵建設[2005]160號,客運專線鐵路橋涵工程施工質量驗收暫行標準[S].

[6] 鐵科技[2005]101號,客運專線用高性能混凝土技術條件[S].

[7] JTJ 041-2000,公路橋涵施工技術規范[S].