桥梁工程转体施工主要技术研究

徐绍兵

（广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530000）

0 引言

桥梁转体施工技术为工程施工人员提供了很多便捷，使得施工过程中能够突破较长跨度及其他一些不可抵御情况的限制，在当前国内各大型桥梁工程中应用广泛。与常规的桥梁施工方法相比，桥梁转体施工技术的应用使施工过程更加科学、合理和安全，同时使桥体结构的承载能力得以提高。由于施工技术的不成熟及施工设备的欠缺，传统桥梁转体施工技术主要局限于山区的小河、小涧等地质环境，这类施工环境的跨度较小，施工难度不大。而现代的桥梁转体施工技术能够应用在较大距离的山谷和较长跨度的河流大桥的建设中。我国桥梁工程领域相关施工机械、材料和技术日趋成熟，对转体施工技术的标准也更加严格。毋庸置疑，转体施工技术的发展拓宽了桥梁工程领域建设的范围，很好地弥补了自然条件及施工环境的不足［1］。

1 桥梁转体施工技术的概念及特点

1.1 转体施工技术的概念

桥梁转体施工技术是指在非设计位置完成桥梁结构制造（浇筑或拼接）后，以转体的方法就位到指定设计位置的一种施工技术，该技术能够将障碍物上方位置的施工作业转移到岸上或地面，使桥梁施工作业变得容易和规范，保证了桥梁工程的质量和安全。依据桥体结构的转动方向，桥梁转体施工技术可分为竖向转体、水平转体及竖向与水平相结合的转体方式，其中水平转体法在桥梁工程中的应用比较广泛。

1.2 转体施工技术的特点

与传统施工技术相比，桥梁转体施工过程中需要的机械设备较少，施工工艺简单，很好地解决了在高山峡谷、水流湍急或是通航频繁河道上建设大跨度桥体结构的难题。对城市中运输繁忙的立交桥及其他跨线桥等各类工程，转体施工技术的优势也很明显。在近地面或平地上施工，该技术能够有效避免高处、受限等不利于施工的环境和自然条件，在一定程度上能够保证人员的安全。施工过程中桥体结构较为合理且受力情况明确，结构力学性能更好［2］。此外，转体施工一般速度较快、工程造价较低，同等条件下，拱桥建设所使用的转体施工法，在社会效益和经济效益方面都要优于传统的施工方法，如悬吊拼装法和桁架伸臂法等，工程总体造价可节约10%～15%。

2 桥梁转体施工技术的发展历程

从目前的情况来看，桥梁转体施工技术中的水平转体法使用比较普遍，在各类长跨度及超长跨度的桥梁工程建设中都有具体使用，如斜拉桥、拱桥和钢桁梁桥等，此外在“T”形架构桥中也有深入使用。水平转体法施工技术首次使用是在1976年的维也纳多瑙河桥施工中，此后其他国家相继使用该项技术，如德国、美国、日本等。

20世纪70年代，我国桥梁领域的工作者已开始进行转体施工技术的研究。20世纪80年代初期，我国四川遂宁首次使用水平转体法建成了钢筋混凝土箱拱肋，跨径约77 m，此后水平转体法在我国山区桥梁工程的施工中得到了大量使用，但这一阶段我国使用水平转体法所建成的桥梁都为平衡重转体工程且跨径均为100 m以下。四川省公路设计院于1979年开始进行无平衡重转体施工技术的相关研究，并建成了四川巫山龙门桥，其跨径长度为120 m，成功突破了我国桥梁工程转体重量大、跨径小的技术瓶颈。于1998年竣工的四川涪陵乌江大桥工程，是我国首次使用无平衡重转体施工技术的桥梁典范，该桥梁跨径达200 m。随着我国桥梁工程施工技术的不断发展和创新，转动机构的牵引能力也在逐渐提高，摩擦系数在逐年下降，无平衡重转体施工技术在我国刚构桥和斜拉桥中得到了成功的运用，施工区域也从山区逐渐发展到平原。比利时建成的本艾因桥是20世纪世界范围内转体重量最大的工程，而我国山东菏泽的丹阳路跨铁路立交桥是迄今为止世界上转体重量（24 800 t）最大的桥梁工程，其转体总长度达238 m，同时也是使用单球铰转动系统最长的桥梁工程，其球铰直径长达4.5 m，是我国桥梁工程领域整体铸造的最大尺寸［3］。

近年来，我国钢筋混凝土拱桥施工技术在逐渐完善和成熟，而转体施工技术的充分运用也为我国桥梁工程轻型化发展模式奠定了基础。相比水平转体法，竖向转体法是应用最早的施工技术，如意大利多姆斯河桥的跨径长度为75 m，德国的阿根托贝尔桥跨径长度为140 m，这两座桥梁均使用了竖向转体法施工技术，主要是采用搭架的方式在竖向位置进行混凝土拱肋的浇筑，完成后将拱肋从两侧逐渐放倒，最后将其搭接成拱。在竖向转体施工技术方面我国的研究起步较晚，直到20世纪80年代末才取得初步研究成果，于1996年竣工的三峡莲沱钢管混凝土拱桥和1999年竣工的广西鸳江钢管混凝土拱桥均使用了竖向转体施工技术，近年来竖向转体和水平转体相结合的施工技术也取得了一定的应用效果。

3 桥梁转体施工技术要点分析

桥梁转体施工技术的核心问题是转动机械和转动性能，这些因素是施工过程中桥体结构强度和稳定性的保证。

3.1 竖向转体法

竖向转体法通常使用在跨径较小的桥梁施工中，因为如果桥梁的跨径较大，将使得竖向脱架具有较高的高度且拱肋也相对较长，使转动过程变得困难和不易控制。竖向转体法经常用于肋拱桥，在较低位置完成拱肋的浇筑和拼装，而后将拱肋提升到设计标高再进行合拢。竖向转体主要由牵引系统和索塔、拉索构成，竖向的拉索索力在脱架时达到最大，因为这时拉索水平方向的角度最小，即竖向分力也最小，拱肋要分别经历从多跨支撑到铰支撑再到扣点索支撑的过度，在脱架时要实现从结构体形变与受力转化，必要时可在提升索点处放置千斤顶来助升，可使竖向转体脱架顺利［4］。

在制订竖向转体施工方案时，应合理布设竖转体系，如果索塔较高、支架较高（拼装位置），则水平方向的交角也大，使得脱架的提升力变小，但此时的索塔和拼装支架的受力较大，尤其是在受压稳定的情况下受力更大，施工材料用量变多。竖向转体施工中应着重考虑索塔和拱肋的受力情况，同时应特别关注风力的作用。在实际的施工工艺和流程中，为保证竖向转体的质量和转动的灵活性、安全性，应注意竖转铰的结构构造和安装时的精度、索鞍和牵引动力装置的性能、索塔及锚固系统的稳定性等。国内目前的拱桥工程以无铰拱居多，竖转铰多为临时施工构件，因此竖转铰结构强度与精度要求应符合施工工艺标准，并最大限度地降低工程造价。当桥梁跨径较小时可使用插销式，拉索牵引系统可使用卷扬机进行牵引，当跨径较大时可使用滚轴式，此时需要的牵引力较大，用到的牵引索较多，应使用液压千斤顶辅助系统。

3.2 水平转体法

水平转体法的转动体系统包括转动支撑系统、转动牵引系统和平衡系统。

3.2.1 转动支撑系统

转动支撑系统主要指水平转体法施工中的机械设备所构成的系统，包括上转盘和下转盘，上转盘用来支撑转动结构，下转盘与基础连接，上转盘与下转盘的相对运动完成转体施工。应注意的是，转动支撑系统应兼顾转体、承重及平衡等功能，依据转动支撑过程中的平衡条件，转动支撑可以分为磨心、撑脚、磨心和撑脚相结合3种支撑类型。磨心支撑的全部转动重量由中心撑压面负担，一般情况下磨心安装有定位轴，为提高施工过程的安全性，可在支撑转盘附近设置支重轮或支撑脚，在正常转动时支重轮或支撑脚与滑道面分离，当发生倾覆时可起到支撑作用，在已完成转体的桥梁中，通常要求此间隙范围是2～20 mm，当间隙越小时，对滑道面落差的要求越高。磨心支撑分为钢结构及钢筋混凝土结构，我国常见钢筋混凝土结构，应将位于上下转盘间弧形面混凝土打磨光滑，并涂以黄油或二硫化铜进行润滑，目的是为了减小摩擦系数（0.03～0.06）。撑脚情况下转盘实为一环形道，为保证水平转体过程的稳定性，上转盘撑脚应为4个及以上，转动过程中的支撑范围较大，抗倾覆性能较好，但是阻力力矩也相应变大，并且环道和撑脚施工精度较高。撑脚方式包括滚轮和柱脚，当滚轮平转情况下为滚动摩擦，摩阻力较小但加工较困难，加工的精度如果不够将导致滚轮变形而无法滚动；使用柱脚进行平转情况时为滑动摩擦，可使用不锈钢板及四氟板并涂以黄油进行润滑，加工的精度相比滚轮更容易得到保障。随着我国桥梁工程转体施工的精细化程度越来越高，在桥梁转体的结构悬臂很大时或对抗倾覆性要求较高时，通常使用转动支撑系统［5］。

3.2.2 转动牵引系统

在磨心和撑脚相结合支撑时，磨心和撑脚垂直方向安装有保护撑脚，假设撑脚大于1个，则支撑点数量应大于2个，上转盘与超静定结构相类似，因此在实际施工过程中，使各支撑点受力均满足设计要求比较困难，考虑到这一点，应适当减小磨心的受压比例，尽可能使其变为撑脚体系。在水平转体施工过程中，能否转动是最重要的问题，根据施工经验可知，启动摩擦系数应设定在0.06～0.08，但有些情况下为获得足够的启动力，可将启动摩擦系数按0.1进行配置，可见减小摩阻力和提高转动的力矩是水平转体施工的两个关键点。转动力一般位于上转盘外侧，为获得更大的力臂，转动力既可以是推力，又可以是拉力。推力可由液压千斤顶施作，但千斤顶的行程较短，在转体过程中，千斤顶的载重量又很大，为确保水平转体过程的连续性，单独使用千斤顶进行顶推转体的情况比较少见。转动力多为拉力，小转动重量时使用卷扬机，转动重量较大时则使用液压千斤顶牵引，必要时也可使用助推千斤顶辅助施工，在减弱启动时静摩阻力和动摩阻力间增量的效果较好。

3.2.3 平衡系统

平衡问题是水平转体施工中比较重要的问题，对斜拉桥和“T”形架构桥来说，应以桥墩的轴心作为转体的中心，对带悬臂的拱桥也应如此处理，因为这些类型的桥梁以桥墩轴线方向呈对称结构。为降低重心，一般将转盘下放到墩底。对单跨型拱桥和斜腿钢构桥而言，水平转体施工常见有平衡重和无平衡重两种形式，有平衡重情况下桥体上部的结构将和桥台一并作为桥梁转体结构，上部结构的悬臂较长、重量较轻，而桥台则相反，因此在进行转轴中心的设定时，为获得最佳的平衡状态，应尽量远离上部结构的方向，如果平衡效果较差，则可在后台施作新的平衡重。无平衡重转体过程中，仅转动上部的结构即可，使用背索达到平衡，使转体时的被转动部分为索和转铰两支撑点的简支结构。

4 球铰法转体施工技术的工程应用

4.1 工程概况

广西柳州市某立交特大桥在HK25+465.83～HK25+578.24上跨既有铁路，其上部的结构使用（40+64+40）m单线连续梁，为预应力混凝土连续梁，该桥与既有铁路线的夹角为30°，为使该段铁路安全运营，最大限度地减少施工对既有线路的运营干扰，连续梁计划使用转体施工，在进行转体前，连续梁主墩处挂篮浇筑施工，当进行到最大悬臂施工时，综合考虑当前铁路运营情况、天气环境因素等，选择合适的时间进行转体施工，逆时针旋转连续梁30°，转体施工完成后再进行合拢施工。

4.2 转体结构分析

钢球铰转动体系由三大部分组成，分别是承重、顶推牵引和平衡系统，承重系统结构包括上转盘、下转盘和转动球铰，下转盘和桩的基础连接，上转盘用以支撑转体结构，上、下转盘的相对运动最终完成转体的目的。顶推牵引系统主要由牵引设备、2台ZLD100型连续千斤顶（100 t）、2台YCW100普通型助推千斤顶（100 t）、牵引反力支座及顶推反力支座组成。平衡系统由结构体本身、上承台钢混圆形撑脚、大吨位的千斤顶和备用水箱构成，备用水箱应置于梁顶部，容积为5 m3，数量为4个。

4.3 施工方法

本工程案例中在承台和连续梁的桥墩之间设置转体球铰，钢球铰设置在承台正中心处，球铰的下转盘在承台顶部进行锚固，而上转盘锚固在墩身底部，如此，球铰上下转盘便可围绕中心位置的钢轴进行相对转体运动，涂以四氟滑片或硅脂等润滑剂来减少转体过程中的动摩阻力。转体施作时以球铰为中心对称架设2台连续千斤顶，通过千斤顶产生的力偶来抵消球铰摩阻力所产生的力偶，使墩身箱梁整体能够相对承台和桩基进行匀速转动，直至转动到设计位置为止。

箱梁浇筑前，应按指定位置预埋φ32 mm精轧螺纹钢用以临时固定上、下转盘，此外应使用木楔钢板来加固撑脚并施作焊接，最终使撑脚和承台临时性固结，达到梁体施工过程中横向的抗倾覆性提高的目的，避免在箱梁浇筑过程中出现承台和墩身的相对移位。

5 结束语

本文重点讨论了桥梁工程转体施工的技术要点，分别列举了水平转体施工法和竖向转体施工法，结合具体案例，分析了球铰法转体施工技术在实际工程中的应用情况。随着我国桥梁工程领域的施工技术在不断进步，越来越多的大跨径桥梁项目顺利通过竣工验收并投入使用，这其中转体施工技术发挥了巨大作用，不仅有效避开了正在运营的既有线路和其他不利施工的环境，近地面施工对保障工程的质量和作业人员的安全也具有重要意义。