跨线自锚式拱桥转体施工技术

胡 娟,孙晓义

(1.陕西铁路工程职业技术学院道桥工程系,陕西渭南 714000；2.中铁一局集团桥梁有限公司,重庆 401121)

1 工程概况

该桥为某客运专线跨城市高架桥而设计的,桥位与高架桥斜交25°。上部结构采用自锚上承式拱桥。桥梁下部为钻孔灌注桩基础,主墩承台为上下两层。拱肋采用单箱单室变高箱形截面,边中跨截面高4.0 m,边中跨拱肋拱脚处截面高6.0 m。拱肋轴线采用二次抛物线,矢跨比为1/6,拱肋截面顶板宽7.5 m,顶、底板及腹板厚度均采用0.6 m,拱脚处局部加厚。拱肋上设置3个拱上立柱,腹孔连续梁边跨采用变截面,梁端截面高度4 m,跨中截面高度采用3 m,连续梁与拱肋结构分离。拱桥立面布置和转体施工平面如图1所示。

图1 拱桥立面及转体施工平面布置(单位：m)

因跨越交通繁忙的高架桥,为减少桥梁施工对高速公路交通的影响,主桥采用平面转体施工[1～2],即在高架桥两侧,与高架桥平行进行搭设支架,分段现浇拱肋,然后转体,再进行合龙。

2 转动系统构造及施工

本桥转动系统[3]由下转盘、球铰、上转盘、转体牵引系统、助推系统、轴线微调系统组成。转体体系设计为中心支承与环道支承相结合,以中心支承为主的平转体系。中心支承采用钢球铰,是转动体系的核心,承受转动体系主要重力,四周的环道控制转动的稳定。顶推工具为普通千斤顶,顶推反力座设在下承台上。如图2所示。

图2 1/2下球铰及滑道骨架预埋件布置(单位：cm)

2.1 下转盘及滑道的施工

下转盘是转体重要支撑结构,布置有转体系统的下球铰、撑脚的环形滑道、转体牵引系统的反力座、助推系统、轴线微调系统等。

待下层混凝土强度达到25%后,利用预埋件安装下滑道骨架和下球铰骨架。复查无误后,绑扎预留槽两侧钢筋,安装预留槽模板,第二次浇筑混凝土。

环形滑道[4～5]是由25 mm厚、1.2 m宽的钢板经机加工后镀铬刨光处理而成,钢板加工好后应做好防锈处理。通过滑道定位架定位滑道钢板,先将环形滑道放入定位架上,进行微调,然后安装第2块,直至24块全部装完。装完后将整个滑道检测1遍,确保滑道任何位置高差满足要求。达到设计要求后与预埋铁件焊牢。

2.2 球铰安装

球铰是转体系统中最重要的部件,它传递了近97%的竖向力,其制造和安装的精度决定了转体的成功与否。

2.2.1 下球铰安装

球铰安装在主墩承台中央,承台浇筑时,预留R=5.8 m、深0.5 m的安装槽,并在槽内预埋安装支架。将下球铰吊放在预埋支架上,利用千斤顶将球铰在水平面上移动,使球铰中心处于理论中心位置,先将球铰在水平位置限位,防止调整球铰高差时使球铰位置偏移，然后进行球铰的高程调整,以确保下球铰周边高程处于同一水平面内,中心套管轴线为一铅垂线。调整后进行将其与预埋定位架焊死,焊完后复查1次,如无变化就可以浇筑下球铰混凝土。

2.2.2 浇筑预留槽混凝土

在滑道及下球铰的定位精度及牢固性均满足要求后,浇筑预留槽混凝土。下球铰的混凝土采用C50无收缩混凝土。由于下球铰处钢筋较密,灌注条件较差,混凝土需具备良好的流动性。混凝土灌注完毕及时清理下球铰处污染物并封闭保护好。混凝土应进行收面和养生,待混凝土强度达到50%后进行上球铰安装。

同时,将助推反力座及牵引反力座一并浇筑完成。如图3所示。

图3 预留槽混凝土浇筑示意(单位：cm)

2.2.3 安装上球铰

将下球铰球面及各滑块安装槽内清理干净,安装聚四氟乙烯复合滑块,由中间向边缘逐排安装。滑块安装完,用特制样板复查滑块顶面是否处于同一球面。确认无误后,在下球铰球面处涂黄油四氟粉,吊起上球铰,缓慢下放与下球面对中,精确调好后,将转动轴涂上黄油四氟粉,插入上下球铰轴套,并通过临时限位装置进行固定。最后将上下球铰用胶带密封防止杂物进入。

2.3 安装撑脚及浇筑下层上转盘

2.3.1 撑脚的安装

撑脚主要是用来防倾覆并与球铰构成三点支撑以保证转体平稳,同时作为转体起动时助推的着力支点,因此撑脚的安装精度要求较高。撑脚与滑道之间的间隙由上下球铰间的滑片的压缩变形及上转盘在砂箱脱空状态下撑脚处的挠度确定,并且要再预留3～5 mm间隙以安装四氟乙烯板。

每个转体下设6个撑脚,每个撑脚由2根φ0.9 m的钢管组成，焊在扇形钢板上,撑脚内填充无收缩混凝土。撑脚在安装时与滑道钢板间预留10 mm间隙,以薄砂箱垫紧。

2.3.2 牵引索的安装和保护

牵引索是一头预埋在上转盘上的19根φ15.24 mm钢绞线,为转体提供牵引力,牵引索的锚固端采用P锚,计算锚固长度2.1 m,实际按3 m埋设,出口处采用平滑设计,不留死弯；钢绞线采用双排设置,中心与牵引座中心对中,2条牵引索高度一致,有各自的索道,互不干扰。

下层上转盘为厚度0.7 m,直径12 m的圆形结构,根据施工需要应考虑埋设竖向预应力筋,采用φ32 mm精轧螺纹钢。绑扎钢筋,安装后牵引索,浇筑混凝土。

2.3.3 浇筑上层上转盘混凝土

上层上转盘为14 m×13 m×1.4 m的矩形结构,结构中心与转体中心重合,按照设计要求进行钢筋、预应力及预埋件施工。如图4所示。

图4 转动体系(单位：cm)

3 转动力矩及顶推力[6]

顶推设备选择ZLT3000/300型连续千斤顶,配合泵站、主控台,组成连续牵引系统。牵引千斤顶额定力3 000 kN,牵引动力储备系数3.2。助推千斤顶选择4台YCD3000/300型千斤顶。根据设计，启动时静摩擦系数按0.1,转动过程中动摩擦系数按0.06,经计算，设计所需的转动力矩及顶推力见表1。

表1 设计所需转动力矩及顶推力

4 拱肋的施工

4.1 支架布置

主拱肋支架采用钻孔桩加承台基础,承台上设置φ1 000 mm×12 mm钢管桩支撑,横桥向在钢管桩顶设置4I56型钢横梁,在横梁上沿顺桥向设置贝雷纵梁,在贝雷纵梁上设置钢管脚手支架；卸架设备为安装在钢管桩与工字钢间的砂筒。

支架完成后进行预压,通过预压确定预拱度的设置参数。

4.2 拱肋施工节段划分

4.2.1 总体划分

拱肋总体划分为7个节段,由拱桥中跨中心对称为：中跨合龙段、拱肋段、边跨合龙段、边跨现浇段。

4.2.2 单肢拱肋浇筑

拱肋现浇采取对称、逐段、分环浇筑方案,单肢拱肋分为6个节段,节段长度13.5 m；每个节段分为2环,分割位置在顶板倒角下40 cm处。如图5所示。

图5 拱肋现浇节段划分

拱肋环向浇筑划分为两段,如图6所示。

图6 拱肋环向浇筑划分(单位：cm)

4.2.3 浇筑顺序

根据图5,节段浇筑顺序按编号依次1→13。1号节段浇筑完成等强期间,施工2号节段支架、钢筋及模板,同步可以施工3号节段底模及钢筋；2号段浇筑完成等强期间完成3号节段浇筑准备工作,2号节段强度满足后,即可浇筑3号节段,形成平行流水作业。

4.3 腹孔墩及连续梁施工

立柱模板采用大块钢模,一次浇筑。立柱在拱肋施工快结束前完成。

连续梁施工采用在拱肋上设置钢管柱,与立柱形成多个支点,在钢管柱及立柱牛腿上安装贝雷梁,贝雷梁上铺设底模,钢管柱与拱肋浇筑时的预埋件焊接在一起。钢管柱间设置平联及斜撑。混凝土立柱两侧设置预应力牛腿,并根据落梁需要设置施工操作平台以及落架砂筒。然后对称浇筑边孔两跨简支梁,以及对称浇筑中孔两跨简支梁,强度满足要求后,张拉简支梁体预应力。浇筑湿接缝,强度满足要求后,张拉部分梁体顶板负弯矩区预应力,完成简支到连续转换。

然后拆除支架,对称将落架砂筒内细砂放出,使支架与连续梁底脱空后,用倒链将模板支架逐层移出,用吊机吊走。

4.4 拱、梁临时固结

在梁端与拱肋处,预留20 cm缝隙,在拱梁固结前,用18 cm厚预制板安装在预留缝隙处,不足的2 cm用钢板塞实；张拉拱梁临时固结预应力筋,完成拱梁固结施工。

4.5 拱肋支架拆除

在拱梁完成临时固结后,自拱脚向拱顶对称同步拆除拱肋支架。

5 转体实施

5.1 牵引及助推系统布置

牵引系统主要作用是张拉牵引索给上转盘提供一个克服上下球铰之间及撑脚与下滑道之间动摩擦力矩的力偶。助推系统主要作用是提供一个克服静、动摩擦阻力矩差的力偶,以免牵引系统太复杂,另外,也作为牵引系统不正常工作时的应急手段。如图7所示。

图7 牵引系统、助推系统布置(单位：cm)

5.2 转体

5.2.1 试转

试转的目的主要是检测理论牵引力的准确性；测定摩擦系数,最大启动力；将密封几个月的球铰初步转动,消除部分静摩阻；检验牵引及助推系统,为正式转体提供保障；检验转体整体平衡情况。

试转步骤如下：

准备→设备安装就位→设备空载试运行→安装牵引索→拆除上、下盘之间的固定装置以及支垫,清理环道,并涂润滑油以减小摩阻力→全面检查转体结构各关键受力部位是否有裂纹及异常情况→转体试运行。

5.2.2 正式转体

试转结束,各项数据采集完成并能指导正式转体、试转过程中出现的异常情况全部处理完毕后,进行正式转体。

(1)准备工作全部就绪,气象条件符合要求,各岗位人员到位,先让辅助千斤顶达到预定吨位,转体人员接到总指挥长的正式实施转体命令后,启动动力系统设备,并使其在“自动”状态下运行。

(2)每座转体使用的两对称千斤顶的作用力始终保持大小相等、方向相反,以保证上转盘仅承受与摩擦力矩相平衡的动力偶,无倾覆力矩产生。

(3)设备运行过程中,各岗位人员的注意力必须高度集中,时刻注意观察监控动力系统设备的运行情况、转体各部位的运行情况。如果出现异常情况,必须立即停机处理,待彻底排除隐患后,方可重新启动设备继续运行。

(4)转体结构到达设定位置时,系统“暂停”为防止结构超转,先借助惯性运行结束后,动力系统改由“手动”状态点动操作,每点动操作一次,测量人员测报轴线走行现状数据一次,反复循环,直至结构轴线精确就位,转体过程结束。

5.3 封铰及合龙

转体结构精确就位后,测量平面及高程,复核均满足要求后,使转动系统临时锁定,迅速进行预埋钢筋及预埋件的焊接,进行封铰混凝土浇筑施工,以最短的时问完成转盘结构固结。

待封铰混凝土强度达到设计要求后开始合龙段施工,合龙段施工采用先边跨后中跨施工顺序,边跨合龙段及中跨合龙段长度均为2 m,均采用吊架现浇法进行施工。

6 结语

拱桥采用转体施工可以减少对所跨城市主干道的影响。转体桥的关键部位是转盘、转轴的定位精度、下转盘表面的平整度，下盘底混凝土的密实与否。因此，在平铰转盘施工中必须抓好上述几个关键部位的施工质量,其是转体成功的保证。

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