連續梁墩頂轉體施工技術研究

陳南寧

摘 要：本文首先介紹了橋梁轉體施工法的相關知識，然后以新建北京至張家口鐵路土木特大橋（60+100+60）m連續梁轉體施工為例，從轉體系統安裝、稱重、配重及轉體實施幾個方面探討了連續梁墩頂轉體施工技術，最后對墩頂轉體和墩底轉體進行了分析比較，為以后連續梁轉體施工法的設計和施工提供參考。

關鍵詞：轉體施工法；豎向轉體；水平轉體；墩頂轉體；墩底轉體；連續梁；體系轉換

1 前言

橋梁轉體施工法是指將橋梁結構在非設計軸線位置制作（澆筑或拼接）成形后，通過轉體就位的一種施工方法。它可以將在障礙上空的作業轉化為岸上或近地面作業。根據橋梁結構的轉動方向，它可分為豎向轉體施工法、水平轉體施工法（簡稱豎轉法和平轉法）以及平轉與豎轉相結合的方法[1]。其中以平轉法應用最廣，可應用于剛構橋、斜拉橋、預應力混凝土連續橋、連續鋼箱梁、簡支鋼桁梁和拱橋等橋型[2]。

橋梁轉體施工法最先出現的是豎轉法，國外始于20世紀40年代。平轉法于1976年首次在奧地利維也納的多瑙河運河橋上應用。我國于1977年3月在四川遂寧首次采用平轉法建成70m跨徑箱肋拱橋[1]。

隨著我國經濟的快速發展以及基礎設施的大規模建設，橋梁轉體施工法特別是平轉法因跨越鐵路、公路、航道時可以最大限度地減少對交通運輸的干擾，得到了運營管理單位的青睞，在跨越繁忙交通線路與航道的橋梁施工中逐步推廣，取得了諸多創新成果[2]。

預應力混凝土連續梁水平轉體分為墩頂轉體、墩底轉體，連續剛體轉體為墩底轉體[3]。本文以新建北京至張家口鐵路（以下簡稱京張高鐵）土木特大橋（60+100+60）m連續梁墩頂轉體施工為例，探討連續梁墩頂轉體施工技術，并與墩底轉體施工分析比較。

2 工程概況

京張高鐵土木特大橋位于河北省懷來縣土木村和官廳水庫之間，橋位處地勢平坦開闊，橋址區以村莊及耕地為主，其中心里程為K105+156.210，全橋長3503.48m。上跨大秦線設計為雙線（60+100+60）m預應力混凝土連續梁，墩號從23#至26#，位于直線上，線路縱坡2.5%，豎曲線半徑25000m，線間距5m，設計時速350km/h。

（60+100+60）m連續梁與大秦線交叉角度為38o，相交處土木特大橋里程為K104+272，大秦線里程為K223+002，位于沙城東至北辛堡區間。連續梁中墩墩高均為18m，采用圓端型截面，橫向寬11.2m，縱向寬5.0m；為布置墩頂轉體系統，墩帽尺寸加大，橫橋向寬11.2m，縱向寬8.8m，圓倒角半徑2.5m。連續梁為單箱單室直腹板截面，頂板寬12.6m，底板寬6.7m，底板下緣按二次拋物線變化，中支點梁高7.91m，中跨跨中及邊支點梁高4.91m。

3 總體施工流程

（60+100+60）m連續梁首先采用掛籃懸澆成形，然后墩頂轉體就位，再合龍邊跨、安裝支座，最后合龍中跨成橋。轉體長度2-2×49m，轉體角度順時針31°，轉體重量2-5630t。連續梁墩頂轉體法施工技術要求高，工序復雜，總體施工流程如圖2所示。

4 關鍵施工技術

4.1 墩身施工

墩身施工同陸地一般墩身，搭設盤扣腳手架作為施工平臺；采用汽車吊機進行吊裝（主墩靠近營業線，管理單位一般限制采用塔吊）；鋼筋在鋼筋車間制作成半成品，平板車運至現場安裝成形；模板采用大塊定型鋼模板，精軋螺紋鋼對拉加固；混凝土由拌和站集中供應，罐車運輸至現場，汽車泵輸送入模，分層澆筑，插入式振搗器振搗密實。

下轉盤設置于墩頂（墩帽），整個墩身應分節澆筑。施工到墩頂時應注意安裝、定位球鉸及滑道骨架，預埋牽引反力座、臨時固結、支座墊石、防落梁擋塊等結構的預埋筋（件）。

4.2 滑道安裝

滑道寬0.8m，環形，中心直徑5.24m，位于撐腳的下方（即下轉盤頂面）。滑道及其骨架現場整體吊裝安裝，采用“十字線”對中法定位，高程微調可利用滑道骨架上的螺栓進行。滑道骨架安裝應位置準確、固定可靠。滑道頂面的平整度應符合設計要求，設計無要求時，滑道3m長度內的平整度≯±1mm，徑向對稱點高差不大于環形滑道直徑的1/5000。

4.3 轉體球鉸組成

轉體球鉸主要由下球鉸支撐骨架（以下簡稱骨架）、下球鉸、上球鉸、夾層鋼板、鋼護筒、銷軸套管、定位銷軸（以下簡稱銷軸）、滑塊等結構組成。上球鉸下面板為凸面，通過鋼護筒與梁底轉盤連接；下球鉸上面為凹面，嵌固于骨架上，表面排布滑片嵌槽。球鉸中央設置銷軸套管，內置銷軸，用于球鉸定位及抗剪作用。上下球鉸之間設置滑片，滑片嵌于下球鉸面板的預留槽中，并通過沉頭螺釘固定[4]。

4.4 轉體球鉸安裝

球鉸制造完畢后，需先在工廠進行預拼裝，檢驗合格后運往工地安裝。

球鉸運輸過程中，應確保球鉸受力均勻，防止產生變形。

下球鉸安裝要求精確、牢固，應先安裝其骨架。骨架定位采用“十字線”對中法；高程調整時，可在骨架四角各設置1個5T手動螺旋千斤頂進行微調。骨架安裝精度規范和設計無要求時，可參照中心位置偏差≯1mm、高程誤差（-5，0）mm控制，以便精確安裝下球鉸。

骨架安裝固定后將下球鉸吊裝于其上，通過骨架上的調平螺栓進行定位，精確對位后鎖定。安裝精度規范和設計無要求時，下球鉸中心位置偏差≯1mm，邊緣各點的高程差≯1mm。

下球鉸中心的預埋銷軸套管應提前焊接好，并將底部封堵，確保焊接嚴密、位置精確。下球鉸安裝完成后將圓柱鋼錠放入，然后插入銷軸，注意銷軸表面應涂滿黃油，上端牢系φ5mm鋼絲繩，并從銷軸套管頂端引出，以便轉體后拔出銷軸。

下球鉸安裝完成后，將球面清理潔凈，對號入槽安裝滑塊。滑塊頂面應位于同一球面上，球面誤差≯0.2mm。檢查合格后，在球面上各滑塊頂面及滑塊間均勻滿涂黃油四氟粉，注意不得掉進雜物。

上球鉸安裝前，在凸球面上涂抹一層黃油四氟粉，然后將上球鉸吊起對準中心銷軸輕落至下球鉸上，用拉鏈葫蘆微調上球鉸位置，使之水平并于下球鉸外圈間隙一致，安裝水平位置誤差≯1mm。去除被擠出的多余黃油四氟粉，并用寬膠帶紙將上下球鉸邊緣的縫隙密封，嚴禁泥沙或雜物進入球鉸面。

上球鉸安裝就位后，在上球鉸腔內灌注C50微膨脹混凝土（宜在上球鉸安裝前完成），確保混凝土密實，達到要求強度后，吊裝夾層鋼板、鋼護筒，對中后采用高強螺栓將上球鉸、夾層鋼板、鋼護筒連接牢固。

4.5 銷軸套管安裝

上、下球鉸中心設置銷軸，用于球鉸定位及抗剪作用，為確保成橋后連續梁在支座處能順利縱、橫向位移，轉體完成后需將銷軸拔出。銷軸套管是銷軸拔出的通道，下端插入鋼護筒底板孔內，上端伸出至連續梁中橫梁過人孔。

本轉體系統銷軸套管外徑235mm、內徑211mm、壁厚12mm。上球鉸、夾層鋼板、鋼護筒連接牢固后，將銷軸套管吊起插入鋼護筒底板中央預留孔內，確保銷軸套管對中、豎直，并將銷軸套管外壁與鋼護筒底板中央預留孔的間隙封堵嚴密，防止進漿造成銷軸抽拔困難。

銷軸套管安裝應特別注意以下事項：

（1）銷軸套管下端嚴禁伸入夾層鋼板中央孔內，以免造成后期夾層鋼板抽出困難，詳見圖5、圖6。

（2）正確安裝后，必須采取可靠措施支撐銷軸套管，防止傾斜或掉落至夾層鋼板中央孔內。

為防止轉體后夾層鋼板抽拔困難的問題出現，建議從設計方面考慮優化。比如將夾層鋼板中央預留孔直徑設計成稍小于銷軸套管外徑；或將夾層鋼板沿通過其中央預留孔圓心的直線分割成兩塊，后期可分別抽拔。

4.6 轉體施工注意事項

轉體系統應設置防超轉限位裝置。

轉體前確保清除轉體范圍內各種障礙物。

轉體前應進行轉體結構穩定、偏心及牽引力計算，牽引設備應按計算牽引力的2倍配置。

轉體前應進行稱重，根據實測不平衡力矩計算出配重重量，使實際重心偏移量滿足設計偏心要求，宜為0.05m～0.15m。配重物應重量準確便于計量，并可靠固定，不得滑移或滾動。

轉體前對全橋各部位，包括轉盤、轉軸、滑道、撐腳、牽引系統等進行測量、檢查，無誤后進行試轉。試轉時記錄連續千斤頂啟動時油表讀數和均勻轉動時油表讀數；計算出靜摩擦力和動摩擦力，與設計值進行比較、分析；記錄每“點動”1s、2s、3s、5s時梁體轉動角度和梁端轉動距離。

轉體前應綜合考慮各種因素，準確實測轉體長度，并進行演示，確保中跨及邊跨處梁端間距滿足要求，不發生碰撞。

轉動時應控制轉速均勻，角速度不宜大于0.02rad/min，且橋體懸臂端線速度≯1.5m/min。

平轉接近設計位置1m時降低平轉速度，距設計位置0.5m時采用“點動”牽引法就位[3]。

4.7 轉體后施工內容

本連續梁墩頂轉體后，需進行體系轉換、支座安裝及合龍段施工，主要施工步驟及注意事項如下。

（1）臨時鎖定梁體；采用支架現澆方案快速施工邊跨合龍段；同時施工中墩支座墊石。

（2）卸落邊跨合龍段支架；解除梁體臨時鎖定；拆除撐腳。

（3）支座墊石混凝土強度滿足要求后，在中墩安裝、調試頂梁設備，將梁體頂升2～5mm；從銷軸套管內拔出球鉸中央銷軸；拆除連接上球鉸、夾層鋼板、鋼護筒的高強螺栓，抽出夾層鋼板（夾層鋼板厚度為40mm），再將上球鉸及鋼護筒采用高強螺栓重新連接牢固，使上、下球鉸脫空，后期梁體能自由位移。

（4）將永久支座頂推就位，調整至設計標高；緩慢落梁，使梁底與支座頂面密貼時鎖定頂梁千斤頂，以鎖定梁體高程。

（5）擰緊永久支座上、下鋼板的錨固螺栓，灌注支座砂漿。支座砂漿達到設計強度后卸落千斤頂，完成體系轉換。

（6）施工中跨合龍段，全橋合龍。可同時施工防落梁擋塊，安裝防落梁。主體完成。

5 梁端間距研究

轉體前清除轉體范圍內各種障礙物，選取合適的梁端間距防止轉體過程中發生碰撞，是確保順利轉體的關鍵之一。土木特大橋（60+100+60）m連續梁24#墩、25#墩轉動中心水平距離100m，轉動梁體懸臂長度49m。中跨合龍段長2m，采用“鋼殼法”施工，預埋段鋼殼外露梁端長0.5m，如圖7所示。

當24#墩、25#墩梁體完全同步轉體時，梁端理論最小間距為0.201m，如圖8所示。

實際施工中，銷軸與銷軸套筒存在間隙、溫度變化、不平衡配重導致梁體傾斜、施工誤差等因素都會導致轉動梁體梁端間距發生變化。應充分考慮各種不利因素，必要時采取交錯轉體方案，選取合適的梁端安全間距防止梁體發生碰撞。設最小安全間距為△s，可用以下公式計算：

△s≥△r+△t+△d+△e （式5-1）

其中：△r——轉動體縱向偏移引起的梁端間距變化

△t——溫差引起的梁長變化

△d——梁體縱向傾斜引起的梁端位移

△e——施工誤差引起的梁長變化

（1）轉動體縱向偏移引起的間距變化

理論上轉動體（上球鉸）中心應與下球鉸中心重合，實際中由于施工誤差、較大的縱坡、不平衡荷載等因素會引起轉動體在轉體前或轉體過程中發生縱橋向偏移。由于銷軸的定位及抗剪作用，最大偏移量為銷軸與銷軸套管的間隙值，例如本連續轉體裝置銷軸套管內半徑r1=105.5mm，銷軸半徑r2=87.5mm，則可能的最大偏移量為（r1-r2）/2=18mm。

但本連續梁縱坡為2.5%，小于球鉸動摩擦系數，且球鉸為“穩定平衡”結構（平鉸為“隨遇平衡”結構），當轉動體稍微偏離平衡位置時，所受的合力或合力矩將使其返回平衡位置，故不考慮縱坡及不平衡荷載因素。△r取值僅考慮施工誤差，△r=5mm。

（2）溫差引起的梁長變化

溫差引起的梁長變化參照支座縱向預偏量中溫差引起的偏移量計算方法：

△t=（轉體時溫度-轉動梁體最后一節澆筑時溫度）×α×L （式5-2）

其中：α——主梁混凝土線膨脹系數，取1×10-5/℃

L——轉動中心至梁端長度，本連續梁為49m

為確保安全，計算△t為負值則取0。本連續梁轉體溫度低于最后澆筑溫度，△t=0。

（3）梁體縱向傾斜引起的梁端位移

上轉盤共設有4組撐腳，中心線的直徑為5.24m，每組撐腳由2個φ500×24mm鋼管組成，下設30mm厚鋼板。安裝時撐腳與滑道的間隙為30mm。轉動梁體施工完成拆除臨時固結及砂箱后，測得撐腳與滑道的間隙平均為20mm，抄墊10mm厚MGE板后間隙為10mm。

為確保轉體過程中梁體穩定，擬采用由球鉸及2組撐腳共同受力的“三點受力”穩定體系。實現方法是在24#墩、25#墩轉動梁體中跨端施加配重，當配重引起的不平衡力矩大于球鉸球面摩擦力矩時，梁體將向中跨端傾斜直至撐腳支承于抄墊的MGE板上，此時2組受力撐腳底板間隙為0。轉動梁體向中跨方向縱向傾斜，將引起中跨端梁端間距減小。

如圖9所示，將轉動體看作剛體，球鉸球心為O、球面半徑為r，梁懸臂段長度為L，梁面至球心O高度為h；2組受力撐腳連線中點至球心距離為|OA|，設|OA|=R，R水平分量為d。

需要計算轉動體繞球心O轉動、當A點沉降△A（即撐腳鋼板底面與MGE板的間隙值，10mm）時，梁端D的水平位移△Dx。由于△A相對R很小，由幾何關系可得：

△d=2×△Dx=2×（h/d）·△A （式5-3）

代入數據，本連續梁r=3.645，h=6.175，d=1.977，計算得△d=62mm。

（4）施工誤差引起的梁長變化

施工誤差主要有放樣誤差、模板安裝誤差等，可根據實測數據取值。

本連續梁△e=30mm。

（5）允許安全間距的選取

綜上討論，梁端最小安全間距△s≥△r+△t+△d+△e=5+0+62+30=97mm。

考慮300mm的安全儲備，則允許安全間距[△s]=97+300=397mm，取[△s]=400mm，大于同步轉體時梁端理論最小間距201mm。考慮本連續梁轉體角度小為31°、要點時間較為充裕為90min，可采用交錯轉體方案。

允許安全間距[△s]的選取應根據設計圖紙、施工情況及“要點”時間長短等合理選取，且應考慮一定的安全儲備。

采用交錯轉體方案時，允許安全間距[△s]越小則轉體所需時間越少，[△s]越大則轉體所需時間越多，應綜合考慮在合適的范圍以內。[△s]不宜過小，若小于同步轉體梁端理論計算最小間距值，如圖10所示，則不必采用交錯轉體。[△s]不宜過大，以一側轉體到位、另一側梁的角點剛好在設計橋梁中心線時梁端間距為宜，如圖11所示；[△s]大于此值時意義不大，反而延長了轉體時間。故本連續梁選取的梁端允許安全間距[△s]=0.4m，在0.2m～0.6m的合理范圍內。

6 交錯轉體實施

在確定采用交錯轉體方案，且選取了合適的允許安全間距[△s]后，如何既確保梁端間距不小于[△s]、又不浪費時間，盡快在“要點”時間內順利完成轉體，是需要認真研究的問題。下面以本連續梁轉體為例討論：

假設轉體時24#墩、25#墩轉動體角速度ω相等且保持不變，ω=0.0175rad/min；忽略轉體啟動加速和停止減速的影響。

（1）前期同步轉體角度的確定

見圖12，設24#、25#墩轉動中心為O1、O2，分別以O1、O2為圓心，轉動中心到梁端角點的距離（即|O1A|、|O2D|）為半徑作圓O1、圓O2，與直線O1O2分別交于點P1、P2；過線段P1P2中點M作中垂線并左右各偏移[△s]/2=0.2m，分別與圓O1、圓O2交于G、H、I、J點。則∠AO1G、∠DO2I為前期可同步轉體角度，本連續梁為20.1°。

（2）交錯轉體步驟

①轉體開始時，24#墩、25#墩梁體同時啟動，并以相同的角速度同步轉動。轉體前初始平面位置如圖13所示。

②當轉體角度等于計算的前期同步轉體角度時，24#墩梁體暫停，25#墩繼續轉動，此時24#、25#墩梁體均轉動了20.1°，如圖14所示。

③當25#墩梁端角點與24#墩梁端角點相對時，梁端間距最小為[△s]=0.4m，如圖15所示。此時啟動24#墩梁體，25#墩梁體繼續轉動直至設計軸線位置。

④25#墩梁體轉體到位，停止；24#墩梁體剩余約7.2°，此時梁端角點距25#墩梁端間距為0.601m，如圖16所示。

注意，當一側梁體轉動到位瞬間，另一側梁體梁端角點可能位于橋梁中心線下方、可能正好位于橋梁中心線、也可能位于橋梁中心線上方，共有三種情況，本連續梁為第三種情況。其中角點正好位于橋梁中心線的情況，在此瞬間角點與先轉動到位的梁體梁端間距最小，為選取允許安全間距[△s]的最大值。本連續梁為0.601m。

⑤24#墩梁體轉動到位，轉體結束。此時兩梁端間距為1m，如圖17所示。

通過交錯轉體步驟演示可以看出，轉動總時間為25#墩梁體轉動31°的時間加上24#墩暫停等待的時間。25#墩梁體轉動剩余10.9°時24#墩梁體開始暫停，25#墩梁體轉動剩余3.6°時24#墩梁體又開始繼續轉體，則24#墩梁體等待了7.3°（=10.9°-3.6°，與圖16中24#墩梁體轉動剩余角度7.2°不一致的原因是小數升舍誤差造成）。與同步轉體31°相比需多花轉動7.3°的時間，且允許安全間距[△s]選取越大，轉體所需時間越多。

7 墩頂轉體與墩底轉體比較

現結合前述內容，對墩頂轉體和墩底轉體進行對比分析。

墩底轉體法中，轉體裝置設置于墩底，避免了高處作業，操作方便；它適用于連續梁和連續剛構。此法有以下主要缺點：

（1）因布置上球鉸、撐腳、牽引索等裝置需要，上轉盤尺寸較大，外露于地面影響美觀，故一般設置于地面以下，則轉體完成前承臺基坑無法覆蓋，需長時間暴露，必須做好防水淹措施和基坑臨邊防護設施。

（2）墩身和梁體一起轉動，增大了轉體重量，則需加大球鉸尺寸和轉體牽引力。就目前球鉸和連續千斤頂制造技術，影響不大。

（3）由式5-3可得，撐腳下沉引起梁端水平向位移與高度h成正比，采用墩底轉體，特別是高墩時，撐腳下沉引起的梁端水平向位移較大，需慎重考慮撐腳間隙確保安全。由幾何關系還可算得：

△Dy=△A·L/d （式7-1）

可見只要梁長、受力撐腳連線中心與球心半徑一致，撐腳下沉引起梁端豎向位移在墩頂轉體和墩底轉體中是一致的，轉體后在滑道上安裝千斤頂調整梁端高程的效果也是一致的。

（4）墩底轉體完成后，需封固轉盤。上轉盤底面和下轉盤頂面預留了大量鋼筋，影響轉體實施；轉體完成后上、下轉盤預留鋼筋連接不順直，焊接質量無法保證，且封固混凝土澆筑難以確保密實，存在隱患。這應該是墩底轉體最大的技術難題。

連續梁轉體為克服這些問題，墩頂轉體應運而生。它的主要優點是可以減輕轉體重量，無需封固轉盤。但也存在一些缺點：

（1）轉體裝置設置于墩頂，高空作業操作不便；需搭設作業平臺，采取防風、防高空墜落措施。

（2）不適用于連續剛構轉體，因為連續剛構采用墩頂轉體時仍需封固轉盤，那么墩頂轉體最大的優勢無法發揮。

（3）連續梁采用墩頂轉體到位后，需進行頂梁、抽拔夾層鋼板和銷軸、頂推安裝支座、落梁等施工，工序復雜，安全風險高。特別是支座安裝施工難度大：

①支座上螺桿需提前預埋，安裝精度要求高，且轉體后位置偏差不可預知，故支座下螺桿預留孔直徑需加大。

②由于施工誤差、轉體后梁體輕微傾斜等原因，支座頂推到位后，上鋼板難以與梁底面完全密貼，導致支座可能偏心受力。

③支座墊石頂面與上轉盤底面間距小，支座安裝、糾偏及高強度砂漿灌注操作不便。

墩頂轉體的這些不足，對施工方提出了很高的要求，必須采取有效措施，做好各項充分準備，現場嚴格管控，方可確保施工質量安全。

8 結語

橋梁水平轉體施工法以其獨特的顯著的優勢，得到越來越多的應用，但相關的施工規范和設計標準出臺滯后，還有許多技術難題需要研究和解決。本文結合實際案例對連續梁墩頂轉體施工進行了總結，希望能對我國橋梁轉體法施工研究和進步提供參考。

限于筆者水平有限，難免有不足或錯誤，敬請讀者斧正。

參考文獻

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