我國橋梁轉體施工技術的發展現狀與前景

程 飛，張琪峰，王景全

(1.滬杭鐵路客運專線股份有限公司，上海 200237;2.東南大學土木工程學院，南京 210096)

1 概述

對于橋梁建設來說，每一種施工工藝的出現都會引起橋梁界的一場革命。轉體施工技術的出現，擴大了橋梁建設的地域范圍，創造了一種新的建橋思路——將橋梁從跨中分成兩個半跨，半跨結構在偏離軸線位置施工，成型后通過轉動體系將兩個半跨結構同時旋轉到位，在跨中合龍。全世界范圍內，從20世紀40年代出現這種施工工藝以來，采用轉體施工建設的橋梁已經不勝枚舉。同時，轉體施工技術的理論與實踐水平發展迅猛，萬噸級、超長懸臂的轉體橋梁也越來越多地出現在橋梁建設中。

隨著轉體技術的發展，人們越來越認識到該項技術的巨大優越性，特別是施工條件受到嚴重限制的情況下，轉體施工無可取代。如今，轉體施工技術發展已經相當成熟，從山區到平原地區，從拱橋到斜拉橋、連續梁、連續剛構等，從公路到鐵路，從豎轉到平轉、豎轉平轉相結合［1］，轉體施工的應用無處不在。通過對轉體施工工藝進行總結歸納，可以將轉體施工工藝作為一項獨立的技術形成一個理論體系。本文將概述轉體施工技術的要點，國內外的發展概況，同時對其將來的發展方向、應用前景作展望。

2 轉體施工技術概要

2.1 轉體施工分類及組成

根據橋梁結構的轉動方向，可將橋梁轉體施工方法［2］分為豎轉施工、平轉施工以及平豎轉相結合施工，其中以平轉法應用最廣泛，而近年來更大跨徑的橋梁轉體則更多的考慮豎轉和平轉相結合的方法。豎轉法按其轉動方向分為向上和向下2種。平轉施工可分為平衡轉動體系轉體施工和無平衡重轉體施工方法，其中平衡轉動體施工游客分為結構自平衡轉體施工與需專門配重的轉體施工。轉體施工方法的分類情況見圖1。

圖1 轉體施工方法分類

(1)豎轉法

豎轉體系一般由牽引系統、索塔、拉索組成。豎轉的拉索索力在脫架時最大，因為此時拉索的水平角最小，產生的豎向分力也最小，而且拱肋要實現從多跨支承到鉸支承和扣點處索支承的過渡，脫架時要完成結構自身的變形與受力的轉化。為使豎轉脫架順利，有時需在提升索點安置助升千斤頂。

豎向轉體還可細分為:負角度轉體和正角度轉體。負角度豎轉施工在國外稱為“旋轉降低法”，與常見的自下而上豎轉施工方法(正角度轉體)不同，該方法將拱圈在跨中分成兩段，然后將各段拱圈在拱座上沿豎直方向制作，然后將兩拱圈向前方向旋轉，在跨中合龍。

(2)平轉法

平轉法的轉動體系主要有［3］:轉動平衡體系、轉動牽引體系和轉動支承體系。轉動支承體系由以下3種［4］:中心支承、環道支承和中心與環道支承相結合。根據轉體體系實現平衡的方式不同，可將平轉法分為平衡轉動體轉體施工和無平衡重轉體施工。

①平衡轉動體轉體施工

平衡轉動體是指轉體結構的重心基本落在球鉸中心。平衡轉動體轉體施工又可分為結構自平衡轉體施工和需專門配重的轉體施工。

結構自平衡轉體施工是指依靠結構自身就能實現平衡，且結構自身強度完全能滿足轉體施工階段的受力要求，采用這種類型進行轉體施工的橋梁有大里營斜拉橋［5］、江西德興太白橋等;須專門配重的轉體施工是指通過調整背墻尺寸或配重把轉動體系重心設計在球鉸中心，采用這種轉體方式施工的橋梁有河東大橋、江西高安樟樹嶺水庫大橋。

②無平衡重轉體施工

無平衡重轉動體系由錨固體系、轉動體系、和位控體系組成。錨固體系由錨碇、尾索、平撐和立柱組成;轉動體系由上下轉軸、拱箱和扣索組成;位控體系就是通過纜風索來控制拱肋轉動速度和位置。

無平衡重轉體施工利用錨固體系形成平衡體系，節省了平衡轉動體系的龐大平衡圬工，再通過轉動體系及位控體系的作用，實現結構轉動就位合龍。1984年，我國進行了“拱橋無平衡重轉體施工工藝”研究，結合巫山縣龍門橋地形特點，完成了巫山龍門橋L=122 m箱形拱無平衡重轉體施工試驗橋。1993年德興太白橋采用該法轉體成功，使我國拱橋的跨徑首次躍上200 m大關。

(3)平豎轉相結合轉體施工

顧名思義，平豎轉相結合轉體施工綜合了平轉方法與豎轉方法的特點，此種工藝適用于大跨度拱橋的轉體施工中。第一座采用此法建設的橋梁是安陽鋼管混凝土拱橋，此后有廣東佛山東平大橋、廣州丫髻沙大橋等陸續采用此法進行橋梁建設。

2.2 轉體施工工藝特點及適用范圍

轉體施工在某些特定的地理環境下，具有獨特的優勢，但是其也存在諸多不利之處，下面將全面總結轉體施工方法的優缺點。

轉體施工的優點有:(1)轉體施工法用橋梁結構本身做成轉動體系，充分利用結構本身及結構用鋼作施工設備，完全避免了在河道上搭設大量支撐管架，大大減少了鋼管等周轉性材料的投入，降低了成本。(2)改高空作業或水上作業為岸邊陸地作業，擴大了施工場地，改變了施工環境和施工條件，施工安全得到了保證。(3)在航河道或車輛頻繁的跨線立交橋的施工中可不間斷通航、不干擾交通，且當主要構件先期合龍后，能給以后的施工帶來方便。(4)用簡單的機械就能使結構轉體合龍，且能很好地控制橋梁成形后的線形和外觀質量。(5)轉體施工法施工簡單快速，有利于加快工程進度，縮短施工周期，直接經濟效益十分明顯。

轉體施工的缺點有:(1)施工中鋼筋混凝土球鉸(上、下轉盤)的加工制作、磨合等工藝都很繁瑣復雜，精度控制對于土建施工而言難度較大。(2)合龍過程中連續千斤頂沿著鋼絞線只能上升不能自動下降，當頂升超位，需要把結構高程下調時，必須手工放松夾片，這是非常困難的。一旦控制夾片的小螺釘拉斷，要取出夾片就更困難了。(3)轉體施工結構為了減輕質量、增大跨度，盡量采用輕型結構或勁性骨架，這樣很容易使得結構的穩定性降低，所以轉體階段容易出現結構失穩的現象，必須予以關注。(4)轉體階段結構容易出現裂縫，尤其是在背墻和拱架等部位，給結構埋下了安全隱患。

同樣是采用轉體施工，平轉法、豎轉法及平豎轉相結合法的適用范圍差別較大。

(1)平轉法:在山區深谷或平原跨線、跨河的橋梁施工。

(2)豎轉法:對于季節性河流或河流水深較淺搭設支架不困難的河流，常采用搭設簡單支架組拼和現澆拱肋;對于通航河流，也可采用工廠制造，浮船浮運至橋位，拱肋由下向上豎轉至設計高程。也可采用橋臺結構豎向搭設組拼或現澆拱肋的腳手架，拱肋由上向下豎轉至設計高程。

(3)平豎結合法:要兼具以上兩種施工條件，比如在平原區，當跨越寬闊河流及橋位地形較平坦時，采用平轉法施工難以有效利用地形，宜采用豎轉與平轉相結合的方法。

3 我國橋梁轉體施工技術發展概況

3.1 發展概況

我國20世紀70年代開始研究轉體施工技術。1977年，首先采用平轉施工新技術建成了四川遂寧建設橋，主跨為70 m的箱肋拱橋。此后，平轉法在山區的鋼筋混凝土拱橋中得到推廣應用。20世紀70年代末80年代初我國平轉法施工的拱橋，跨徑均在100 m以下，且均為有平衡重轉體施工。為解決大跨徑拱橋轉體重量大的問題，四川省交通廳公路規劃設計院從1979年開始了“拱橋雙箱對稱同步轉體施工工藝”研究(又稱為無平衡重轉體施工)，并于1987年成功地進行了跨徑為122 m的四川巫山龍門橋試驗橋的施工。

2000之后鋼管混凝土拱橋在我國的應用與發展迅猛，為拱橋的輕型化和向大跨度發展提供了可能，轉體施工方法也被廣泛應用于這種橋型之中。平豎轉結合的方法在拱橋中的應用，使橋梁轉體施工法進入了一個新的發展時期。1993年，鄭州鐵路局為滿足跨越鐵路編組站且不影響通車的需要，首次采用豎轉與平轉相結合的轉體施工工藝，建成跨徑為150 m的安陽鋼管混凝土拱橋。1999年廣州丫髻沙大橋［6］，2006年廣東佛山東平大橋將轉體施工工藝進一步向前發展，它們的建成使我國橋梁轉體施工技術取得了重大突破，進入了世界領先水平。

目前，我國轉體噸位最大的是滬杭高速鐵路跨滬杭高速拱橋，采用平轉法施工，轉體噸位達16 800 t。表1列出了我國具有代表性的采用轉體施工工藝的 橋梁。

表1 我國部分轉體橋梁實例

3.2 概況總結

本文對我國自1977年建成第一座轉體橋以來的所有轉體施工橋梁進行了全面調研，總共搜集了119座轉體施工橋梁的相關資料［7～10］，其中豎轉法9座，平轉法105座，平豎轉相結合5座。同時，在這119座橋梁中，斜拉橋7座，剛構橋23座，連續梁橋11座，拱橋74座。在地域分布上，四川、湖南等多山多河的地區轉體施工橋梁較多。

如圖2、圖3所示，20世紀80年代之前，轉體施工橋梁的數量較少，轉體質量均在2 000 t以下;1980年到2000年間，轉體施工技術得到大規模推廣與應用，每年都有好幾座轉體施工橋梁，但是轉體質量并沒有顯著提高，大多數在4 000 t以下，少數超過4 000 t;2000年至2010年間，轉體施工橋梁的數量持續快速增長，更重要的是轉體質量大幅提升，過萬噸級轉體施工的橋梁比比皆是。目前最大的轉體質量是2010年建成的滬杭客運專線鋼筋混凝土拱橋，達16 800 t。

圖2 不同時期我國轉體施工橋梁的噸位

圖3 不同時期我國轉體施工橋梁的數量

我國大規模的基礎設施建設仍將持續一段時間，大量跨線橋的施工非常適合采用轉體施工技術，同時轉體橋梁也在朝著大噸位、大跨度的方向發展。我國的轉體施工技術還有較大的發展空間，但是目前我國對轉體施工技術的理論認識遠落后于實踐，尚未形成可供工程界普遍采納的規范性文件。因此，我國今后轉體施工技術的發展，必須將重點放在理論研究上，只有從理論上掌握轉體施工的技術要領，才能做到以不變應萬變，指導更大噸位、更大懸臂長度的轉體施工橋梁建設。

4 轉體施工關鍵技術

橋梁轉體施工與其他施工工藝的最大區別在于，要實現橋梁轉體“轉得動、轉得穩、轉得準”的目標。為此，橋梁轉體施工存在以下幾項關鍵技術:①球鉸的設計與施工;②轉動體系的布置;③轉體施工準備;④轉體穩定性控制。

4.1 球鉸的設計與施工

4.1.1 球鉸設計

球鉸是實現橋梁轉體施工的關鍵，常用的球鉸材料有混凝土和鋼材，還有一些新材料球鉸，比如高強混凝土球鉸，鋼纖維混凝土球鉸，尚處于研發階段，短時間內難以付諸工程實踐。目前，世界上鋼制球鉸的最大轉體質量是瑞士的本·艾因橋，轉體質量達19 100 t，國內鋼制球鉸的最大轉體質量是滬杭高速鐵路跨滬杭高速轉體橋，轉體質量為16 800 t。世界上混凝土球鉸的最大轉體質量是江蘇蘇州的跨蘇嘉杭高速公路特大橋，轉體質量達6 320 t。從實際工程應用來看，過萬噸級橋梁轉體施工無一例外的采用鋼制球鉸，混凝土球鉸的轉體質量大多數在5 000 t以下，究其原因，主要是因為鋼材具有很高的強度和較低的摩擦系數。鋼制球鉸最大的問題是價格昂貴，而混凝土球鉸則有價格低廉、易成型的優勢，因此混凝土球鉸值得研發并推廣應用。

目前的球鉸設計多依據經驗，缺乏系統設計理論的指導。轉體施工技術的進一步發展，應當在理論研究方面取得突破，這樣一方面保證轉體的安全、順利實施，同時避免材料的浪費。

4.1.2 球鉸施工

鋼制球鉸與混凝土球鉸的施工工藝大相徑庭。首先在球鉸形式上，鋼制球鉸是上凸下凹，混凝土球鉸下凸上凹;在施工工藝上，鋼制球鉸與混凝土球鉸又有著各自的施工流程。

球鉸的球面制作精度是施工的難點。鋼制球鉸由于是在工廠進行制作，現場施工較為簡便，而混凝土球鉸則須現場打磨球面，其施工要點主要是:

(1)研制母線板，準確澆筑球鉸轉動軸;

(2)涂油細磨，提高球鉸表面圓順光滑度。

4.2 轉動體系布置

轉動系統由牽引及助推系統、防過轉及微調系統、測量系統等構成。

轉動牽引系統宜采用全液壓、自動、連續運行系統，以達到大動力、高穩定性的目標。一般上轉盤設置兩束牽引索，逐根順次沿著既定索道排列纏繞3/4圈以后穿過千斤頂。牽引索固定端在上轉盤預埋件上，用千斤頂對鋼絞線預緊，使同一束牽引索各鋼絞線持力基本一致。牽引索安裝完到使用期間注意保護，防止電焊打傷或電流通過，防潮防淋避免銹蝕。

微調系統在轉體過程中發生偏位超標時，用微調系統進行調整，以使轉體繼續;在轉體完成后，利用微調系統將相關技術參數調整到允許范圍內。微調系統包括軸線微調及標高微調。

測量系統通過在轉體上布置監控點，對轉體過程中進行位置測量，及時動態反應轉體狀態，為轉體提供數據支持。在轉體就位后進行測量，保證結構精度。

助推系統對轉動有較大幫助，可降低對牽引設備的要求，而且穩定性較好。

防過轉系統主要是為了控制轉體軸線偏差。

4.3 轉體施工準備

轉體施工的關鍵構件就是承載整個轉動體質量的轉動球鉸，而轉動球鉸摩擦系數的大小直接影響著轉體時所需牽引力矩的大小。在施工支架完全拆除后以及在轉體過程中，轉動體的自平衡或配重平衡又對施工過程的安全性起著至關重要的作用。

轉體橋梁在沿梁軸線的豎平面內，由于球鉸體系的制作安裝誤差和梁體質量分布差異以及預應力張拉的程度差異，可能導致橋墩兩側懸臂梁段質量分布不同以及剛度不同，從而產生不平衡力矩。為了保證橋梁轉體的順利進行，及時為大橋轉體階段的指揮和決策提供依據，有必要在轉體前進行轉動體稱重試驗，測試轉動體部分的不平衡力矩、偏心距、摩阻力矩及摩擦系數。

轉體前施工準備的主要流程歸納如下:①解除臨時固結措施，確定是否需要進行稱重試驗;②通過稱重試驗，確定轉動體縱向不平衡力矩、偏心距、球鉸摩阻力矩及摩擦系數;③根據稱重試驗結果，完成配重方案;④球鉸試轉。

4.4 轉體穩定性控制

轉體橋梁的穩定性控制包括兩方面:一是轉動體的傾覆穩定性控制;一是拱肋屈曲穩定性控制。

(1)轉動體傾覆穩定性控制

在施工支架完全拆除后及在轉體過程中，轉動體的自平衡或配重平衡對施工過程的安全性起著至關重要的作用。施工支架拆除后，轉動體的平衡體系將出現下列兩種情況中的一種:轉動體球鉸摩阻力矩小于轉動體不平衡力矩;轉動體球鉸摩阻力矩大于轉動體不平衡力矩。當轉動體球鉸摩阻力矩小于轉動體不平衡力矩時，意味著支架拆除后，轉動體部分在自身的不平衡力矩作用下發生轉動;當轉動體球鉸摩阻力矩大于轉動體不平衡力矩時，意味著支架拆除后，轉動體部分在自身的不平衡力矩作用下不能發生轉動。為了保證橋梁轉動體形成整體后拆架過程中的安全和轉體過程的順利進行，及時為大橋轉體階段的指揮和決策提供依據，有必要在轉體前進行轉動體稱重試驗，測試轉動體部分的不平衡力矩、偏心距、摩阻力矩及靜摩擦系數。

所以，在橋梁轉體施工中，尤其是在轉體重達萬噸以上的橋梁施工中，為了確保轉體過程的安全性，及時為大橋轉體階段的指揮和決策提供依據，有必要在轉體前對轉動體部分的不平衡力矩進行測試。

(2)拱肋屈曲穩定性控制

拱肋的穩定性一向都是拱橋施工中的關鍵技術問題，而當采用轉體施工，這個問題又進一步被強調。長期以來，對拱的穩定性研究都只限于光滑的理想拱軸線(圓弧拱、拋物線拱或懸鏈線拱)的狀態，而實際上理想拱軸線在拱橋的施工過程中幾乎不可能實現。轉體橋為了實現自重輕，施工方便，往往采用薄壁結構，從而使得橋梁整體在轉動過程中和二期荷載施加過程中的穩定安全問題顯得突出。

特別是對鋼箱薄壁截面拱肋，主拱在合龍前后容易發生加勁肋板及側板的局部屈曲，合龍后的二期混凝土澆筑時，由于剛澆筑的混凝土沒有任何承載力，純粹以自重荷載的形式施加在薄壁箱形拱圈上，加之轉體橋施工應用范圍主要在高山深澗之中，無法做有效支架。這些不利因素導致二期混凝土加載過程中，橋梁可能發生平面外屈曲。

實際施工中，拱肋穩定性可以通過計算和施工監控來保證。首先，要通過有限元程序進行施工全過程的受力分析，確保在計算上拱肋穩定性滿足要求。然后在施工過程中進行施工監控，當出現變形異常或明顯屈曲，則應當立即停止施工，采取適當的處理措施保證拱肋穩定性后再進行施工。

5 結論與展望

通過對轉體施工技術進行系統的理論總結，以及對國內外橋梁轉體實例、現有技術的分析，得出以下結論:

(1)我國的橋梁轉體施工技術起步落后于國外，但是一經采用便得到迅猛發展，至今，不管在實踐還是理論上都處于國際領先水平。同時，橋梁轉體施工在我國仍然具有廣泛的應用前景，特別是在當前我國大規模基礎設施建設的大背景下，跨線橋急劇增多，因此對轉體施工技術的研究具有重要意義。

(2)球鉸的設計與施工、轉動體系布置、轉體施工準備及轉體穩定性控制是橋梁轉體施工中的關鍵技術，是一座橋梁安全、順利建成的保證。而實際上，這些技術在我國的理論研究并不深入，仍有較大的提升空間。雖然我國已能建大跨大噸位的轉體橋梁，但是理論指導不夠，如果能做到理論實踐相結合，則必將大大促進我國轉體施工技術的進一步發展。

(3)雖然目前轉體施工大多采用鋼制球鉸，但混凝土球鉸仍具有較大的開發應用價值，可望將其適用范圍從小跨徑橋梁擴展到較大跨徑的轉體橋梁施工。同時對球鉸的研究不僅要從材料上尋求突破，更要從計算理論上進行深化設計，提高球鉸性能。

(4)目前我國轉體施工方面的理論研究落后于工程實踐，尚未形成可供工程界普遍采納的規范性文件。因此，我國今后轉體施工技術的發展，必須將重點放在理論研究上，只有從理論上掌握轉體施工的技術要領，才能做到以不變應萬變，指導更大噸位、更大跨度的轉體施工橋梁建設。

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