淺談轉體橋梁設計施工的關鍵技術

陸 峰

(常州市市政工程設計研究院有限公司，江蘇 常州 213000)

0 引 言

跨越高速公路的橋梁通常跨徑較大，而且為確保施工期間的高速公路運營安全，對于該類橋梁的橋型及施工方法均有較為嚴格的要求。根據與高速公路管理部門的溝通，上跨高速公路橋梁需充分考慮施工對高速公路運營的影響，一般有三種可行的建設方案：

(1)架橋機頂推施工，搭設防護棚防護；

(2)掛籃懸臂施工，搭設防護棚防護；

(3)轉體施工[1]。

上述三種方案中，架橋機頂推施工，受限于頂推重量，上部結構一般采用鋼結構箱梁，其造價較高，而且后期養護工作量較大，除特殊情況外，一般不推薦采用。掛籃懸臂施工，工藝成熟，但在高速公路上方施工時間較長，安全隱患較大，也不推薦采用。隨著我國橋梁施工技術的進步，轉體施工技術的研發和應用，橋梁建設施工范圍有效增大，實現了橋梁新思路的轉化。轉體施工不僅工期較短，施工風險較小，而且工程施工的經濟效益得到有效提高[2]，近年來在跨高速公路橋梁中已經成為一種新的趨勢。

1 工程概況

大明路位于常州市天寧區東部，為天寧產城融合區新建南北方向骨干型主干路。大明路跨滬蓉高速大橋為該項目控制性節點工程。道路線路中心線與滬蓉高速中心線斜交70.96°，該橋上跨滬蓉高速公路，無中間設墩條件，故采用主橋一跨跨越滬蓉高速方案。該橋主橋為三跨變截面預應力混凝土連續梁橋，跨徑布置56 m+90 m+56 m，引橋為每側各一聯5×35 m先簡支后連續組合箱梁橋。全橋總長555.5 m，總寬25 m，工程總投資約1.3億元。滬蓉高速交通繁忙，為了最大程度減少對高速公路安全運營的干擾，規避高速公路上空施工安全風險，加快工程進度，經綜合方案比選，主橋采用轉體施工方案。

主橋跨高速公路中跨跨徑90 m，兩側邊跨跨徑為56 m；墩頂結構高度5.30 m，中跨跨中及邊跨支點結構高度為2.60 m，梁底縱向線形采用拋物線線形過渡。箱梁橫斷面為單幅整體式結構，總寬25 m，為直腹板大懸臂形式。箱梁頂板厚度0.28 m，底板厚度0.25～0.8 m；腹板厚度0.45～0.75 m，靠近中支點漸變至1.2 m，靠近邊支點漸變至1 m。在墩頂0號塊內設厚度為2.5 m的橫隔墻，跨中、邊跨合攏段設0.5 m厚橫隔板。中墩頂部轉體梁段(87 m長)采用大節段落地支架方式現澆施工，張拉縱向預應力后脫架，然后轉體梁段與中墩臨時固結后平面轉體70.96°就位，就位后邊跨首先合攏，中跨最后合攏。

2 轉體橋梁設計關鍵技術

本橋主橋上部結構為變截面連續梁結構，施工階段墩梁形成T型固結結構，采用平轉法轉體施工，單個轉體段長87 m，單個轉體重量約1.076萬t。平轉法轉體體系由承重系統、平衡系統和牽引系統、止動系統等組成。

2.1 承重系統設計

為確保轉體橋關鍵技術可靠、轉體體系穩定，設計階段結合計算數據與專業廠家產品參數，經多方考察論證，確定轉體施工核心部件球鉸采用定制鋼球鉸，其突出特點是承載力大、工藝穩定、摩擦面摩擦系數較小。

設計中將承臺分為上承臺及下承臺，上承臺厚3 000 mm，下承臺厚3 500 mm，上下承臺間設置定制鋼球鉸，起到轉動軸心及承重系統主要部件的作用。上下承臺間設置700 mm高操作空間，同時作為轉體結束后的封固空間(見圖1)。

圖1 承重系統示意圖(單位：mm)

鋼球鉸由型鋼上球鉸、型鋼下球鉸、轉心銷軸、型鋼骨架等部分組成。型鋼上球鉸與上承臺轉體面澆筑一體，型鋼下球鉸及型鋼骨架預埋入下承臺，中心設置直徑為270 mm轉心銷軸，上下球鉸間安裝聚四氟乙烯片，并且填充黃油四氟粉。

設計中需考慮上、下承臺混凝土局部承壓強度、聚四氟乙烯片承壓強度等控制性因素，采用平面簡化計算并通過有限元模型進行修正[3]，確定本工程采用D=3.50 m定制鋼球鉸。計算球鉸最大靜摩擦系數不大于0.1，最大動摩擦系數不大于0.06。球鉸表面鑲嵌739塊直徑60 mm的聚四氟乙烯片，經計算聚四氟乙烯片平均壓應力56.6 MPa，小于設計抗壓強度100 MPa。

2.2 平衡系統設計

本橋在施工過程中先形成T型對稱懸臂結構，結構總長87 m，理論上為完全對稱結構，兩側懸臂重量完全相同，無傾覆力矩。但根據以往工程經驗，懸臂澆筑橋梁施工中存在混凝土澆筑方量差異以及施工人員、機具荷載等不確定因素，設計中必須考慮豎向不平衡力矩的存在，采取安全可靠的措施，將不平衡力矩完全抵消。

本橋平衡系統由設置在上承臺底部的對稱混凝土撐腳、下承臺頂部的圓環形不銹鋼滑道組成(見圖2)。同時，由于轉體過程中上承臺受力復雜，每個方向都有可能承受撐腳反力，設計時單獨建模計算分析，最終確定上承臺采用全向預應力結構解決其動態受力問題。

圖2 平衡系統示意圖(單位：mm)

根據假設的不平衡荷載對撐腳的局部受壓進行驗算，上承臺設置6對直徑800 mm鋼管混凝土撐腳，撐腳鋼管內灌注C50微膨脹混凝土。下承臺設置中心半徑5.6 m的滑道。滑道頂部鋪著寬1.1 m，厚3 mm的不銹鋼滑板。

2.3 牽引系統設計

本橋由中央控制臺、液壓油泵、智能連續千斤頂、油路、電路等部分組成轉體牽引系統。兩臺千斤頂通過設置在下承臺上的反力裝置對稱張拉預應力鋼絞線使轉體梁段轉動。綜合考慮本橋轉體重量、摩擦力、安全系數等因素，牽引系統需克服兩部分摩阻力矩，即球鉸摩阻力矩及由豎向不平衡力矩產生的撐腳滑道間摩阻力矩。經計算，考慮2.0倍安全系數，所需牽引力為1 124 kN，即在上承臺預埋兩組15-15.2鋼絞線，牽引半徑為6.50 m。

2.4 止動系統設計

為了在轉體梁段轉體過程中控制平面轉動速度，同時在轉體到位前或遇到突發情況時及時止動，必須設計可靠的止動系統。本工程止動系統主要由設置在上承臺底部的上限位塊及設置在下承臺上的下限位塊對應組成。兩組限位塊上下對應，配合千斤頂可精確實現止動功能。

3 轉體橋梁施工關鍵技術

3.1 球鉸的加工及安裝

球鉸作為轉體施工的最核心部件，其產品質量及安裝精度對本工程的成敗起決定性作用，因此，施工中對其加工工藝及安裝質量提出相應要求。

(1)定制鋼球鉸必須有專業、有資質、具有類似工程經驗的廠家生產，并須附有相關質保文件。

(2)定制球鉸出廠前，須組織設計、施工、監理等各方進行出廠驗收。

(3)定制鋼球鉸的凹凸球面必須光滑，表面粗糙度指標達到滑3等級的相應要求。

(4)上下球面各方向的球面半徑應嚴格一致，其最大誤差不得超過2 mm。

(5)聚四氟乙烯板必須滿足抗壓強度不小于100 MPa。

(6)聚四氟乙烯板必須安裝在同一球面半徑上，半徑誤差不得超過0.2 mm。

(7)銷軸安裝必須保持鉛直，同時與中心線與球鉸中心半徑線重合。

(8)下承臺預埋型鋼骨架必須有足夠的剛度和強度，保證在安裝過程中不發生變形。

(9)下球鉸下部有型鋼骨架，而且鋼筋密集，難以保證混凝土澆筑質量，采用高性能自流平混凝土澆筑此部位，可確保施工質量。

(10)在球鉸安裝完成后，必須采取保護措施保證滑動面不受破壞。

3.2 撐腳和環道施工

撐腳和環道作為平衡系統的最重要組成部分，是保證本橋轉體過程中安全的根本保證，其施工技術要點如下。

環道采用16 mm鋼板和3 mm不銹鋼面板。其施工精度要求必須保證平整度不大于0.5 mm/m，高程誤差不大于1 mm。環道下混凝土務必澆筑密實。四氟板與鋼板之間用黏結劑可靠粘結。作為平衡系統的重要組成部分，混凝土撐腳必須保證混凝土壓實質量及鋼結構焊接質量。安裝就位后必須立即對環道及撐腳進行成品保護，確保其滑動性能。

3.3 試轉前不平衡重調整

由于施工臨時荷載及混凝土澆筑方量等差異，轉體前不可避免存在縱、橫向偏心。如轉體不平衡力矩超出設計容許范圍，可能引起平衡系統失效，甚至轉心銷軸被剪壞、撐腳混凝土局部受壓破壞等風險。施工中對于縱、橫向不平衡必須做出相應應對措施。

(1)縱向不平衡

通過稱重，測量出轉動體兩端實際不平衡力矩，然后通過水箱、沙袋等方法進行配重，調整轉動體重心，使結構縱向偏心調整到容許范圍內。

(2)橫向不平衡

可在環道周邊設置多臺大噸位千斤頂，配合監控測量手段，采用千斤頂對轉動體橫向不平衡進行糾偏。

3.4 試轉

在上部結構澆筑完成達到設計強度，轉體臨時T構形成后，需進行試轉工作，確定轉體機構的性能，并測定滑動面的實際摩擦系數、實際啟動牽引力等參數，并驗證整個轉體體系各系統的可靠性、協調性。

3.5 首次轉動

在正常工況下，兩臺連續千斤頂可以確保轉體梁段正常平轉。但當發生球鉸滑動面摩擦系數偏大、異物進入滑動面等特殊情況時，有可能發生轉動體系不能正常轉動的情況，此時可借助輔助千斤頂進行助推。若主千斤頂達到額定最大牽引力的75%，輔助千斤頂達到額定最大牽引力的50%，轉動體系仍然無法轉動，應及時停止系統運轉，同時對球鉸滑動面、滑道滑動面進行詳細檢查，清除異物。待異物清除后重新啟動轉體系統，使轉體梁段恢復正常轉體速度和角度。

3.6 箱梁澆筑線形控制

箱梁轉體段為支架現澆施工。搭設支架前對河塘、軟基等不良地基進行改良處理，并澆筑混凝土墊層。支架搭設完成后進行堆載預壓，以檢查支架的承載能力，測試縱梁和橫梁的變形值，消除支架非彈性變形。最大加載按設計荷載的1.2倍計。采取分級加載的方法，每級持荷時間不小于30 min，最后一級為1 h。支架預壓持荷時間不小于7 d，且連續3 d累計沉降不大于3 mm，方可結束堆載預壓。根據堆載預壓測量數據及設計預拱度調整箱梁底模立模標高，保證成橋線形與設計線形保持較高吻合度。

3.7 轉體完成后的封固

轉體到位后，完成機械鎖定。橋梁縱橫向線形調整完成后立即進行上下承臺的封固，通過外側及上承臺預留澆筑孔灌注澆筑封鉸混凝土。考慮到上下承臺間空間狹小，無法振搗，難以保證澆筑質量，后采用高性能自流平混凝土進行澆筑，取得良好效果。

4 結 論

大明路跨滬蓉高速大橋是我院首次自主設計的大跨徑、大噸位轉體施工連續梁橋，該項目的轉體長度、重量、角度在我市乃至省內橋梁建設史上都是少有的，技術含量高、難度大。該項目的成功實施，為保障天寧產城融合區骨架道路網的按時形成起到關鍵性作用，同時也為我院轉體橋梁設計及施工積累了技術經驗，可供類似跨高速、跨高鐵橋梁建設設計及施工參考。