浅谈上跨高速铁路桥梁工程转体施工技术
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摘要：随着市政道路建设的快速发展，桥梁上跨既有铁路工程施工难度越来越大。结合太原市涧河路互通立交桥工程上跨石太客运专线双幅同步转体施工实例，分析了转体结构、落架体系、不平衡力矩测试及配重、转体牵引力及转体时间、试转参数分析、正式转体过程控制等关键环节，为类似施工提供一定的参考经验。
Abstract： With the rapid development of municipal administration path construction， the difficulty of the engineering construction of bridge crossing existing railway is bigger and bigger. Combined with the double amplitude synchronization rotation construction instance of Shitai passenger transport line crossing Jianhe Road interchange overpass in Taiyuan， Many key links such as the rotation structure， backout bracket system， test and weight of unbalanced torque， rotation traction and rotation time， turning parameters analysis， process control of formal rotation are analyzed， these provide certain reference for the similar construction.
关键词：市政道路上跨高铁；桥梁转体；施工技术
Key words： high-speed railway crossing municipal administration path；bridge rotation；construction technique
中图分类号：U445.465 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）17-0145-04
0 引言
桥梁转体施工是指将桥梁结构在非设计轴线位置制作成形后，通过转体就位的一种施工方法。桥梁转体法施工与连续梁挂篮悬臂施工、预制架设法以及顶推法相比，对交通运输繁忙的既有铁路特别是高速铁路的正常运营影响较小，其经济效益和社会效益十分显著。
1 工程概况
太原北中环涧河路立交桥是一座公路与铁路立体交叉桥梁，上跨石太客运专线和石太铁路共四条电气化铁路。为减少对铁路大动脉石太客专等既有铁路的运营干扰，桥梁设计采用双幅T构平面同步转体跨铁施工。东转体桥位于铁路东侧，全长134m，桥面宽21m～35.385m，转体部分跨径组合为（57+57）m，刚构上部结构采用单箱四室箱形截面，转体重量1.152万吨，两侧各设10m的支架现浇段；西转体桥位于既有铁路西侧，全长111m，桥面宽22.16m～19.75m，转体部分跨径组合为（49+52）m，刚构上部结构采用单箱三室箱形截面，转体重量1.017万吨，两侧各设5m的支架现浇段。
2 转体结构分析
本文以单箱三室不等跨T构西转体桥为例进行分析，如图1所示。
其中，转体结构由转体下盘、球铰、上转盘、转动牵引系统组成。
2.1 转体下盘
下盘用于支撑整个转体结构，它由下球铰、保险撑脚、环形滑道、转体拽拉千斤顶反力座等几部分构成。上、下转盘共同构成桥体基础。
2.2 球铰制造与安装
钢球铰是整个转体结构的转动体系，在转体施工中起到非常重要的作用，制作和装配时对精度有严格要求。它分上下两片，厚50mm，直径是？准4000mm。
2.2.1 球铰制造精度要求
钢球铰在工厂制造，其制作精度要求为：
①平面光洁度不小于3，球面各处按照相同的曲率设计，曲率半径差±1mm，边缘各点的高程差≯1mm，椭圆度≯1.5mm；
②各镶嵌四氟乙烯片顶面必须处于同一球面上，误差≯1mm；
③球铰上、下面形心轴、球铰转动中心轴应重合，在下球铰面指定位置铣钻四氟板镶嵌孔。为了在球铰面下浇捣混凝土，还须在下球铰面预留一定数量的混凝土振捣孔。
2.2.2 安装精度要求
下球铰应该精确对位。浇筑混凝土之前，先按设计要求的位置固定好球铰中心轴的预埋套筒。浇筑完下球铰混凝土后将转动中心轴？准270mm钢棒置于下转盘预埋套筒内，然后依次安装下球铰聚四氟乙烯滑动片和上球铰。装配聚四氟乙烯滑动片时，下球铰顶面和镶嵌孔内必须干燥清洁，无任何杂物，然后按编号把滑动片分别安装在指定镶嵌孔内。安装要点如下：
①彻底清理下球铰顶面和镶嵌孔，确保无杂物；
②滑动片与镶嵌孔按对应编号安装；
③安装时球铰面不得沾染混凝土等杂物，并且始终保持原有的椭圆度，不得变形，装配好的滑动片顶面必须保持在同一球面上，误差≯1mm；
④严格按设计要求的压实度将球铰范围内的混凝土振捣密实；
⑤球铰转动中心位置不得超过允许误差范围：顺桥向±1mm；横桥向±1.5mm；
⑥安装好的滑动片经验收合格后，在球面上滑动片间按120：1的重量比涂抹黄油聚四氟乙烯粉。黄油聚四氟乙烯粉应该比滑动片顶面略高，不仅要充斥整个滑动片空间，并且要在滑动片顶面铺一层。涂好后迅速安装上球铰，以免杂物落在球铰面破坏安装质量。上球铰精确定位并临时锁定限位，为了避免杂物混入球上、下铰摩擦面，还须用胶带缠绕密封上、下球铰吻合面。上、下球铰装配方法相同。
2.2.3 四氟滑动片应力检算
球铰的上下接触面受力全在四氟滑动片上，四氟滑动片的产品质量及安装质量是转体的关键之一。
支座反力为：101700kN。
每个球铰配备918块设计抗压强度为100MPa、Φ6cm的聚四氟乙烯片，总面积25955.9cm2。
平均应力=（101700×1000）/（25955.9×100）=39.20MPa
安全系数=100/32.9=3.04
经检算：四氟乙烯片的抗压强度满足转体要求。
2.3 转体上盘撑脚和滑道
在转体施工中，上盘撑脚的作用是确保平稳转体。在纵轴线两侧8个撑脚对称排布。撑脚下部设一半径500cm、宽130cm的滑道。在转体过程中，上盘撑脚在滑道内滑动使维持转体结构维持平稳。整个滑道面必须控制在同一水平面，相对高差不得大于2mm，施工过程中采用精度为0.01mm电子水准仪进行控制。
一个上盘下设8个双圆柱形的撑脚，各撑脚下垫钢板（厚度大概在30mm左右）。双圆柱撑脚实际是2根灌注C50微膨胀混凝土的钢管，管长24mm，直径？准800mm。撑脚与滑道不锈钢钢板间预留5mm以上的间隙。滑道上对称排布8对直径500mm、内装石英砂的砂箱，用以支撑上转盘及上部结构，同时起到稳定上转盘作用。为便于施工，在施工上转盘时撑脚位置滑道上虚铺一层1cm厚中粗砂，试转前将中粗砂清理后插入5mm四氟乙烯滑动片，利于转体施工。如图3所示。
2.4 转台施工
上盘通过转台连接球铰和撑脚，因而转台是直接承受转体牵引力的部位。本项目的转台高80cm，直径Φ1100cm。转台内预埋转体牵引索，预埋端采用P型锚具，同一直径线上同一对索的锚固端与圆心对称，所以对索的预埋高度必须与牵引力同向，每对索在转盘内的预埋长度不小于300cm，并且其出口点和转盘中心对正。索外露的部分应缠绕于转盘周围，并且妥善、完整有序的放置在预埋钢筋上，以免被锈蚀或被损伤。
2.5 转体上盘预应力施工
转体上盘边长1200cm，高220cm，上盘布设三向预应力筋，纵横向预应力采用12-Φs15.2钢绞线，采用单端交错张拉；竖向预应力筋采用抗拉强度标准值为930MPa的JL32精轧螺纹钢，采用无粘结套管体系，在上转盘顶面单端张拉。
3 落架体系分析
转体梁落架前并未真正开始作业，托架承担着梁体大部分重量。只有在落架时，梁体才开始承担自身重量和预应力的作用。
3.1 倾覆稳定性计算
结构的倾覆稳定性安全系数取决于结构自重构成的抗倾覆力矩与风力构成的倾覆力矩二者之比，取大于1.3。
按《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-2011中第4.3.7计算：
①太原地区设计基本风压查附录A：V10取23.0m/s；
②Z―距地面的距离，按10m计；
③地形、地理条件系数：K3取1.0；
④阵风风速系数：K5取1.38；
⑤高处Z处的设计基本风压Vd=K2K5V10=1.0×1.38×23.0=31.74m/s；
⑥空气重力密度γ=0.012017e-0.0001Z；
则γ=0.012017e-0.0001×10=0.012；
⑦设计基本风压Wd=γVd2/2g=0.012×31.742/（2×9.81）=0.616kN/m；
⑧对施工架设期桥梁：设计风速重现期换算系数K0=0.75；
⑨普通梁桥：本桥桥宽B=（22.16+19.75）/2=20.96m，取桥宽B为21m；梁高H=（5.2+2.2）/2=3.7m；B/H=20.96/3.7=5.67；风载阻力系数K1=2.1-0.1（B/H）；l≤B/H
⑩横向迎风面积Awh=101×3.7+8×10=453.7m2；
{11}横桥向风荷载标准值Fwh=K0K1K3WdAwh，即：Fwh=0.75×1.533×1.0×0.616×453.7=321.3kN；
{12}桥梁倾覆稳定性计算。
结构的倾覆稳定性安全系数取决于结构自重构成的抗倾覆力矩与风力构成的倾覆力矩二者之比，取大于1.3。
转体桥自重1017kN，横桥向风荷载为321.3kN，由于转体桥自重与风荷载对结构本身的作用点相同，因此桥梁倾覆稳定系数为：1017/321.3=3.165，满足规范要求。
3.2 梁端挠度监测
为确保转体梁在落架时均匀受力，应指派专人现场指挥落架进度。在落架后将梁端实际发生挠度值与设计值进行比较，有必要对落架过程梁体悬臂端挠度变化进行动态监测。
落架梁端挠度测试：在转体梁悬臂端左右两侧，从墩顶中心线向两侧每10m一个测试断面，在梁体左、中、右三个方位分别取一个水准观测点，在转体梁落架前、分次落架和落架后，用精密水准仪测控梁端挠度。
3.3 落架顺序控制
梁体两端落架的同步性及落架进度在很大程度上决定了梁体能否均匀受力。根据设计提供的梁挠度值，梁体落架分四次进行，第一次将梁体中心三分之一的排架拆除；两侧梁端三分之一的排架分三次拆除，其中前两次同步进行，两侧梁端第一次同步落架5cm，待梁体稳定后进行第二次落架，第二次两侧梁端同步落架10cm，基本能够脱离梁底；第三次落架可按施工情况进行。
4 不平衡力矩及配重分析
沿梁轴线的竖平面内，由于球铰体系的制作安装误差和梁体质量分布差异以及预应力张拉的程度差异，可能造成桥墩两侧悬臂梁端刚度及质量分布出现差异，最终导致力矩失衡。为确保转体梁平稳转体，必须先称量箱梁重量，根据所得数据依次配重，已确保整个箱梁结构实现平稳转体。在实际工作中，主要通过球铰转动或梁端挠度来测试不平衡力矩。本桥采用球铰转动测试不平衡力矩法称重。
4.1 平衡称重分析
由于本桥不对称、桥面不等宽且在曲线上，因此横向称重必不可少。结合本桥施工要求，应该按图4所示，在转台的四角分别设一个400t千斤顶+400t压力环，据此进行横纵向称重。
在梁体悬臂端同步开展高程观测，据此确认是否存在刚体转动的现象。称重前，梁端位移计分别进行初始读数，然后在T构一侧通过千斤顶对上承台加力，以施加荷载作为读数的控制参考，每施加ΔP=20t荷载，位移计读一次数值。当球铰发生微小转动的一刻，确定最终顶力P1及P2。
4.2 配重分析
西转体转体部分跨径组合为（49+52）m，但左侧桥面宽度较右侧宽，宽度变化范围为22.16m～19.75m。结构重量基本对称，所以配重量不会太大。配重在不平衡一侧（桥面较宽一侧），配重量位于最大悬臂附近可以采用较少的配重量。通过实际平衡称重分析得：
在实际施工中，可以调整称重、配重使实际重心与理论中心之间错开5～15cm。对转体梁配重后，转体结构前进端会出现一微小翘起，并且4对撑脚中的2对直接接触滑道平面。按照不平衡力矩进行配重，设配重荷载置于距离铰中心L=44m处（距离梁端5m），偏心距e取5cm，则配重重量P配=（MZ-Ne）/L=（18150-101700*0.05）/44=296.9kN
即配重重量为29.7t，实际采用钢筋混凝土预制块进行配重，其中心置于距离铰中心44m处。
5 转体结构的牵引力、安全系数及转体时间分析
5.1 转体牵引力分析
转体总重量W=101700.0KN，根据下列公式求解摩擦力F：
F=W*μ （5）
启动时，静摩擦系数μ取0.1，故静摩擦力F为：
F=W*μ=10170.0kN （6）
转动过程中，动摩擦系数μ取0.05，故动摩擦力F为：
F=W*μ=5085.0kN （7）
转体拽拉力T为：
T=2/3*（R*W*μ）/D （8）
式中，球铰平面半径R取值为195cm。转体总重量W取值为101700.0kN，转台直径D取值为1100cm，故启动时所需最大牵引力T以及转体过程中所需要引力T分别为：
T=2/3*（R*W*μ静）/D=1201.88kN
T=2/3*（R*W*μ动）/D=600.94kN
动力储备系数：200t/120.19t=1.664
钢绞线的安全系数：12（根/台）×26（t/根）/120.19（t）=2.60
由此可见，千斤顶动力储备及钢绞线安全性均符合设计要求。故本桥选用两台QDCL2000型液压、同步、自动连续牵引系统，形成水平旋转力偶，通过拽拉锚固且缠绕于1100cm的转台圆周上的15-Φs钢绞线，使得转动体系转动。
5.2 转体速度和转体时间分析
根据施工图纸中要求的平转角速度不大于0.02rad/min，主梁端部水平线速度不大于1.2m/min，转体角度64.9°，箱梁悬臂最长为52m，则转体所需时间T=64.9×3.14/（180×0.02）=61.05min。
梁端转过弧线长度为：2π×52×64.9/360=58.96m，线速度最大为：58.96/61.05=0.96m/min
将转体时间65min代入式（11），求得转盘所走的弧线长度LS：
LS=（Dπ）/360×64.9=6.23m（钢绞线的过镐长度） （11）
由此分别求得拉索速度、箱梁端部速度和转体角速度：
拉索速度：6.23/65=0.09m/min=9cm/min
箱梁端部速度：（2π×52×64.9/360）/65=0.9m/min
转体角速度：64.9/65=1°/min
6 试转参数分析
为防止石太客专干扰转体施工进度，正式开工前先通过试转确定如下参数：
①通过试转确定是否需要助力启动，如需要，助力吨位是多大；
②1min转速，就是1min以内主桥的转动角度和悬臂端所转动的水平弧线距离，要求参照设计值合理控制转体速度；
③点动方式控制转体进度。要求测量组先量测出每点动一次悬臂端所转动水平弧线距离，当转体初步就位后根据所测定的水平弧线距离进行精确定位。试转时，应重点查验转体结构的平稳性，看其是否存在故障，受力部位是否开裂。发现异常情况时及时停转调整，以免影响后续工作。
本次试转分别测定了转盘和梁端的转速，当千斤顶张拉完毕后，又分别测定了以下项目：①转体靠惯性力转过的角度和梁端环线长度；②1min点动转过的角度和梁端环线长度；③5s点动转过的角度和梁端环线长度；④3s点动转过的角度和梁端环线长度；⑤2s点动转过的角度和梁端环线长度。所得数据详见表1。
7 正式转体过程控制分析
7.1 转动牵引体系
本桥的转体牵引力体系由牵引动力系统、牵引索、反力架、锚固构件组成。转体施工设备采用QDCL2000全液压、自动、连续运动系统。具有同步，牵引力平衡等特点。QDCL2000自动连续转体系统由千斤顶、泵站和主控台3部分组成。转盘设置有二束牵引索，预埋的牵引索逐根顺次沿着既定轨道排列缠绕后，穿过QDCL2000型千斤顶。先逐根对钢绞线预紧，再用牵引千斤顶整体顶紧，使同一束牵引索各钢绞线持力基本一致。
7.2 正式转体及就位监控
采用全站仪实时测控转体过程中T构两端的高程，同时也观测转盘环道四氟走板情况。为不影响转体过程中牵引束正常切割，反力座后支撑千斤顶的位置须留足施工空间，有必要将基坑防护桩提前凿除，确保转体过程连续。
当转体结构快到达指定位置时，为避免超转，应将系统“暂停”，改“手动操作”为“点动操作”，使结构在惯性的作用下继续运行。每一次点动操作都要测报轴线走行情况，据此调整下一次点动数据，经过多次调整最终使转体结构轴线精确就位。
将塔尺水平放置在箱梁悬臂端，零刻度与箱梁中心线重合；盖梁上配设全站仪，先对准箱梁中心线，当箱梁上塔尺进入全站仪测量范围时，迅速向控制人员通报仪表数值。
尺寸控制：20cm以内按1cm一个单元控制，超出20cm以10cm一个单元进行测控，超出1m的以50cm一个单元进行测控。
7.3 转体超转预案
为可对转体结构进行精确定位，应将一有限位型钢加橡胶缓冲垫预埋在反力架前，如果超转，它可以利用反力架做支撑，然后借助千斤顶顶推归位。
7.4 转体到位后约束固定
转体结构精确就位后，在平转就位处应设置限位装置，限位装置采用三角钢锭制作，转体完成后，在撑脚转动方向内焊接在滑道钢板上，防止转体到位后继续前行。
8 小结
对于上跨既有铁路特别是繁忙干线的桥梁施工，与传统的挂篮施工、预制架设及顶推工艺相比，桥梁转体施工会更加安全可靠、操作简洁、实施快速、降低造价。太原涧河路立交桥上跨石太客专双幅同步转体成功，实践证明转体施工在桥梁建设中发挥越来越大的作用，产生越来越好的社会和经济效益，也为今后的施工设计积累了经验。
参考文献：
[1]JTGD60-2011，公路桥涵设计通用规范[S].
[2]JTG TF50-2011，公路桥涵施工技术规范[S].
[3]张联燕.桥梁转体施工[M].人民交通出版社.