浅谈转体桥梁设计施工的关键技术

陆 峰

(常州市市政工程设计研究院有限公司，江苏 常州 213000)

0 引 言

跨越高速公路的桥梁通常跨径较大，而且为确保施工期间的高速公路运营安全，对于该类桥梁的桥型及施工方法均有较为严格的要求。根据与高速公路管理部门的沟通，上跨高速公路桥梁需充分考虑施工对高速公路运营的影响，一般有三种可行的建设方案：

(1)架桥机顶推施工，搭设防护棚防护；

(2)挂篮悬臂施工，搭设防护棚防护；

(3)转体施工[1]。

上述三种方案中，架桥机顶推施工，受限于顶推重量，上部结构一般采用钢结构箱梁，其造价较高，而且后期养护工作量较大，除特殊情况外，一般不推荐采用。挂篮悬臂施工，工艺成熟，但在高速公路上方施工时间较长，安全隐患较大，也不推荐采用。随着我国桥梁施工技术的进步，转体施工技术的研发和应用，桥梁建设施工范围有效增大，实现了桥梁新思路的转化。转体施工不仅工期较短，施工风险较小，而且工程施工的经济效益得到有效提高[2]，近年来在跨高速公路桥梁中已经成为一种新的趋势。

1 工程概况

大明路位于常州市天宁区东部，为天宁产城融合区新建南北方向骨干型主干路。大明路跨沪蓉高速大桥为该项目控制性节点工程。道路线路中心线与沪蓉高速中心线斜交70.96°，该桥上跨沪蓉高速公路，无中间设墩条件，故采用主桥一跨跨越沪蓉高速方案。该桥主桥为三跨变截面预应力混凝土连续梁桥，跨径布置56 m+90 m+56 m，引桥为每侧各一联5×35 m先简支后连续组合箱梁桥。全桥总长555.5 m，总宽25 m，工程总投资约1.3亿元。沪蓉高速交通繁忙，为了最大程度减少对高速公路安全运营的干扰，规避高速公路上空施工安全风险，加快工程进度，经综合方案比选，主桥采用转体施工方案。

主桥跨高速公路中跨跨径90 m，两侧边跨跨径为56 m；墩顶结构高度5.30 m，中跨跨中及边跨支点结构高度为2.60 m，梁底纵向线形采用抛物线线形过渡。箱梁横断面为单幅整体式结构，总宽25 m，为直腹板大悬臂形式。箱梁顶板厚度0.28 m，底板厚度0.25～0.8 m；腹板厚度0.45～0.75 m，靠近中支点渐变至1.2 m，靠近边支点渐变至1 m。在墩顶0号块内设厚度为2.5 m的横隔墙，跨中、边跨合拢段设0.5 m厚横隔板。中墩顶部转体梁段(87 m长)采用大节段落地支架方式现浇施工，张拉纵向预应力后脱架，然后转体梁段与中墩临时固结后平面转体70.96°就位，就位后边跨首先合拢，中跨最后合拢。

2 转体桥梁设计关键技术

本桥主桥上部结构为变截面连续梁结构，施工阶段墩梁形成T型固结结构，采用平转法转体施工，单个转体段长87 m，单个转体重量约1.076万t。平转法转体体系由承重系统、平衡系统和牵引系统、止动系统等组成。

2.1 承重系统设计

为确保转体桥关键技术可靠、转体体系稳定，设计阶段结合计算数据与专业厂家产品参数，经多方考察论证，确定转体施工核心部件球铰采用定制钢球铰，其突出特点是承载力大、工艺稳定、摩擦面摩擦系数较小。

设计中将承台分为上承台及下承台，上承台厚3 000 mm，下承台厚3 500 mm，上下承台间设置定制钢球铰，起到转动轴心及承重系统主要部件的作用。上下承台间设置700 mm高操作空间，同时作为转体结束后的封固空间(见图1)。

图1 承重系统示意图(单位：mm)

钢球铰由型钢上球铰、型钢下球铰、转心销轴、型钢骨架等部分组成。型钢上球铰与上承台转体面浇筑一体，型钢下球铰及型钢骨架预埋入下承台，中心设置直径为270 mm转心销轴，上下球铰间安装聚四氟乙烯片，并且填充黄油四氟粉。

设计中需考虑上、下承台混凝土局部承压强度、聚四氟乙烯片承压强度等控制性因素，采用平面简化计算并通过有限元模型进行修正[3]，确定本工程采用D=3.50 m定制钢球铰。计算球铰最大静摩擦系数不大于0.1，最大动摩擦系数不大于0.06。球铰表面镶嵌739块直径60 mm的聚四氟乙烯片，经计算聚四氟乙烯片平均压应力56.6 MPa，小于设计抗压强度100 MPa。

2.2 平衡系统设计

本桥在施工过程中先形成T型对称悬臂结构，结构总长87 m，理论上为完全对称结构，两侧悬臂重量完全相同，无倾覆力矩。但根据以往工程经验，悬臂浇筑桥梁施工中存在混凝土浇筑方量差异以及施工人员、机具荷载等不确定因素，设计中必须考虑竖向不平衡力矩的存在，采取安全可靠的措施，将不平衡力矩完全抵消。

本桥平衡系统由设置在上承台底部的对称混凝土撑脚、下承台顶部的圆环形不锈钢滑道组成(见图2)。同时，由于转体过程中上承台受力复杂，每个方向都有可能承受撑脚反力，设计时单独建模计算分析，最终确定上承台采用全向预应力结构解决其动态受力问题。

图2 平衡系统示意图(单位：mm)

根据假设的不平衡荷载对撑脚的局部受压进行验算，上承台设置6对直径800 mm钢管混凝土撑脚，撑脚钢管内灌注C50微膨胀混凝土。下承台设置中心半径5.6 m的滑道。滑道顶部铺着宽1.1 m，厚3 mm的不锈钢滑板。

2.3 牵引系统设计

本桥由中央控制台、液压油泵、智能连续千斤顶、油路、电路等部分组成转体牵引系统。两台千斤顶通过设置在下承台上的反力装置对称张拉预应力钢绞线使转体梁段转动。综合考虑本桥转体重量、摩擦力、安全系数等因素，牵引系统需克服两部分摩阻力矩，即球铰摩阻力矩及由竖向不平衡力矩产生的撑脚滑道间摩阻力矩。经计算，考虑2.0倍安全系数，所需牵引力为1 124 kN，即在上承台预埋两组15-15.2钢绞线，牵引半径为6.50 m。

2.4 止动系统设计

为了在转体梁段转体过程中控制平面转动速度，同时在转体到位前或遇到突发情况时及时止动，必须设计可靠的止动系统。本工程止动系统主要由设置在上承台底部的上限位块及设置在下承台上的下限位块对应组成。两组限位块上下对应，配合千斤顶可精确实现止动功能。

3 转体桥梁施工关键技术

3.1 球铰的加工及安装

球铰作为转体施工的最核心部件，其产品质量及安装精度对本工程的成败起决定性作用，因此，施工中对其加工工艺及安装质量提出相应要求。

(1)定制钢球铰必须有专业、有资质、具有类似工程经验的厂家生产，并须附有相关质保文件。

(2)定制球铰出厂前，须组织设计、施工、监理等各方进行出厂验收。

(3)定制钢球铰的凹凸球面必须光滑，表面粗糙度指标达到滑3等级的相应要求。

(4)上下球面各方向的球面半径应严格一致，其最大误差不得超过2 mm。

(5)聚四氟乙烯板必须满足抗压强度不小于100 MPa。

(6)聚四氟乙烯板必须安装在同一球面半径上，半径误差不得超过0.2 mm。

(7)销轴安装必须保持铅直，同时与中心线与球铰中心半径线重合。

(8)下承台预埋型钢骨架必须有足够的刚度和强度，保证在安装过程中不发生变形。

(9)下球铰下部有型钢骨架，而且钢筋密集，难以保证混凝土浇筑质量，采用高性能自流平混凝土浇筑此部位，可确保施工质量。

(10)在球铰安装完成后，必须采取保护措施保证滑动面不受破坏。

3.2 撑脚和环道施工

撑脚和环道作为平衡系统的最重要组成部分，是保证本桥转体过程中安全的根本保证，其施工技术要点如下。

环道采用16 mm钢板和3 mm不锈钢面板。其施工精度要求必须保证平整度不大于0.5 mm/m，高程误差不大于1 mm。环道下混凝土务必浇筑密实。四氟板与钢板之间用黏结剂可靠粘结。作为平衡系统的重要组成部分，混凝土撑脚必须保证混凝土压实质量及钢结构焊接质量。安装就位后必须立即对环道及撑脚进行成品保护，确保其滑动性能。

3.3 试转前不平衡重调整

由于施工临时荷载及混凝土浇筑方量等差异，转体前不可避免存在纵、横向偏心。如转体不平衡力矩超出设计容许范围，可能引起平衡系统失效，甚至转心销轴被剪坏、撑脚混凝土局部受压破坏等风险。施工中对于纵、横向不平衡必须做出相应应对措施。

(1)纵向不平衡

通过称重，测量出转动体两端实际不平衡力矩，然后通过水箱、沙袋等方法进行配重，调整转动体重心，使结构纵向偏心调整到容许范围内。

(2)横向不平衡

可在环道周边设置多台大吨位千斤顶，配合监控测量手段，采用千斤顶对转动体横向不平衡进行纠偏。

3.4 试转

在上部结构浇筑完成达到设计强度，转体临时T构形成后，需进行试转工作，确定转体机构的性能，并测定滑动面的实际摩擦系数、实际启动牵引力等参数，并验证整个转体体系各系统的可靠性、协调性。

3.5 首次转动

在正常工况下，两台连续千斤顶可以确保转体梁段正常平转。但当发生球铰滑动面摩擦系数偏大、异物进入滑动面等特殊情况时，有可能发生转动体系不能正常转动的情况，此时可借助辅助千斤顶进行助推。若主千斤顶达到额定最大牵引力的75%，辅助千斤顶达到额定最大牵引力的50%，转动体系仍然无法转动，应及时停止系统运转，同时对球铰滑动面、滑道滑动面进行详细检查，清除异物。待异物清除后重新启动转体系统，使转体梁段恢复正常转体速度和角度。

3.6 箱梁浇筑线形控制

箱梁转体段为支架现浇施工。搭设支架前对河塘、软基等不良地基进行改良处理，并浇筑混凝土垫层。支架搭设完成后进行堆载预压，以检查支架的承载能力，测试纵梁和横梁的变形值，消除支架非弹性变形。最大加载按设计荷载的1.2倍计。采取分级加载的方法，每级持荷时间不小于30 min，最后一级为1 h。支架预压持荷时间不小于7 d，且连续3 d累计沉降不大于3 mm，方可结束堆载预压。根据堆载预压测量数据及设计预拱度调整箱梁底模立模标高，保证成桥线形与设计线形保持较高吻合度。

3.7 转体完成后的封固

转体到位后，完成机械锁定。桥梁纵横向线形调整完成后立即进行上下承台的封固，通过外侧及上承台预留浇筑孔灌注浇筑封铰混凝土。考虑到上下承台间空间狭小，无法振捣，难以保证浇筑质量，后采用高性能自流平混凝土进行浇筑，取得良好效果。

4 结 论

大明路跨沪蓉高速大桥是我院首次自主设计的大跨径、大吨位转体施工连续梁桥，该项目的转体长度、重量、角度在我市乃至省内桥梁建设史上都是少有的，技术含量高、难度大。该项目的成功实施，为保障天宁产城融合区骨架道路网的按时形成起到关键性作用，同时也为我院转体桥梁设计及施工积累了技术经验，可供类似跨高速、跨高铁桥梁建设设计及施工参考。