沪杭高速铁路16 800 t上承式拱桥转体施工关键技术

■ 王亚美

1 工程概况

沪杭高速铁路跨越杭州市江干区石大公路，为（88.8+160+88.8）m自锚上承式混凝土拱桥，采用拱墩基础固结、拱梁固接。拱肋采用抛物线线形，矢跨比为1/6。边、中跨拱肋拱顶截面高4 m，拱脚截面高6 m，拱肋横向宽8 m，采用单箱单室截面。拱肋上设置3个拱上立柱，支承（20+22+22+20）m连续梁。连续梁边跨采用变截面，梁端截面高4 m，跨中截面高3 m。大桥采用旁位支架现浇形成单T拱，而后水平转体合龙形成整体的施工方案。转体角度26°，单个转体结构长158 m，宽7.5 m，重16 800 t，转体质量目前在世界同类型桥梁中居第一。

2 转体结构设计简介

转体系统主要由球铰、下滑道、撑脚、砂箱、转体牵引和助推反力座、转体牵引索及动力系统组成。动力系统包括牵引系统和助推系统。

转体所用钢球铰对应球体半径8.0 m，球面水平投影直径4.0 m，上下球铰之间填充四氟乙烯滑块。环形滑道设计直径10 m，上转台设计直径12 m。转台内预埋牵引索2束，单束采用19根φ15.2 mm高强度、低松弛钢绞线。沿环道环线均匀布置6对钢撑脚、6组砂箱，并沿环道线内外侧面布置轴向微调反力座。

3 转动方案

对单个转体进行称重试验，按试验结果进行合理配重。将牵引索按顺序均匀排列并临时固定在转台周边，利用专用千斤顶对牵引索进行预紧。安装QDCL2000型连续顶推千斤顶、YTB液压泵站及LSDKC-8型主控台，组成整套转体动力系统后进行试转，实际测定动静摩擦阻力系数及转体过程中惯性影响系数。确认无误后开始连续转体，转体到位前利用转体系统的手动功能缓慢就位，准确调整轴线位置及合龙口两侧标高后对钢撑脚与环道临时固结，并在3个合龙口间采用临时固结措施，确保结构稳定。

4 施工重点及难点

4.1 转体结构安装及精度控制

转体结构安装顺序：在浇筑承台第一层2.5 m高混凝土前安装球铰、滑道定位架预埋板，浇筑强度达到25%后安装球铰及滑道定位骨架，安装助推座、牵引座钢筋、下球铰及滑道钢板，绑扎下球铰及滑道钢筋，浇筑下球铰及滑道混凝土，下球铰混凝土强度达到90%，张拉Z1、H1索，并压浆封锚，安装上球铰、撑脚，浇筑上球铰及转台混凝土，等转体到位后浇筑上承台混凝土封铰。

4.1.1 安装滑道、下球铰

球铰分上、下球铰和定位骨架，安装位置是否准确主要由下球铰安装精度控制。安装时首先下承台施工2.5 m高，混凝土顶标高为球铰定位骨架底标高。施工同步预埋定位钢板，确保球铰定位骨架安装牢固，便于球铰精度控制。下层混凝土强度达到25%后，利用预埋件安装滑道骨架和下球铰骨架，要求骨架顶面相对高差不大于5 mm。骨架中心和球铰中心重合，与理论中心偏差不大于1 mm。骨架与埋件焊接牢固，进行复查无误后安装下球铰。为确保球铰安装精度，下球铰与支架连接采用M20×0.5 mm细牙螺杆，参照全站仪调平对中方式，调节下球铰至满足要求。

4.1.2 安装滑块及上球铰

下球铰球面上安装有聚四氟乙烯复合滑块，转体过程中，16 800 t质量主要落在滑块上。滑块安装前，先将下球铰球面及滑块安装槽清理干净。将厂家调配过的滑块由中间向边缘逐排对号入座安装。为保证滑块安装牢固，安装时可借助橡皮锤敲击。安装完成后，采用特制样板复查滑块顶面是否处于同一球面。确认无误后，在下球铰球面涂黄油四氟粉。吊起上球铰，清理球面杂物后涂上黄油四氟粉，缓慢放下与下球面对中，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，将上下球铰用胶带密封，防止杂物进入。

4.1.3 安装撑脚、临时砂筒及牵引索

撑脚、临时砂筒及牵引索位于上转盘，上转盘施工前需安装好。

（1）撑脚安装。每个转体下设6个撑脚，每个撑脚由2根直径0.9 m焊在扇形钢板上的钢管组成，撑脚内填充无收缩C50混凝土。撑脚主要是防倾覆并与球铰构成3点支撑，保证转体平稳，同时也是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。安装时，撑脚与滑道钢板间预留10 mm间隙，以薄砂箱垫紧。精确控制撑脚的相对位置，根据撑脚与梁体的对应关系确定撑脚的安装位置，以满足卸架后梁体的平衡。

（2）临时砂筒安装。拱肋现浇施工中，两侧拱肋不可能完全同步对称施工。为抵抗不对称或不同步施工引起的球铰偏载，在每2个永久撑脚间设置4个临时砂筒，对上、下转台进行临时锚固。每个转体需要砂筒24个，砂筒采用直径680 mm、壁厚14 mm的无缝钢管制作，内填石英砂。砂筒与永久撑脚同步安装，在拱肋支架拆除后永久撑脚脱空前拆除。砂箱的坚固性确保其承载力，砂粒的干燥保证御载时能顺利流出。砂箱进行预压，减少砂箱的塑性变形。拱肋支架现浇过程中，对临时砂筒进行应力检测，以确保拱肋施工安全。

（3）牵引索的安装及保护。牵引索由19根φ15.24 mm钢绞线组成，一端预埋在转台内，为转体提供牵引力。牵引索的锚固端采用P锚，计算锚固长1.2 m，实际按1.5 m埋设。出口处采用平滑设计，不留死弯。牵引索中心与牵引座中心对中，2条牵引索高度一致，有各自索道，互不干扰。牵引索应预留足够长度并考虑4 m的工作长度。安装完成的牵引索应注意保护，特别注意防止电焊打伤或电流通过，注意防潮、防淋，避免锈蚀。

4.2 下球铰混凝土施工

下球铰混凝土支撑着整个上部转体的质量，其灌注密实度、振捣等质量控制尤为关键。转台混凝土采用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。浇筑时混凝土从球铰的一边向另一边流动，利用球铰球面的振捣孔进行振捣，振动棒从球铰四周边缘向里斜插使其流动。同时在球铰顶面预设的振捣孔上插入振动棒振动，排出气泡。混凝土从孔内溢出时观察孔内混凝土，达到饱满密实时封堵振捣孔。混凝土灌注完毕，及时清理下球铰处污物并封闭保护。混凝土应进行收面和养生，待其强度达到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。

4.3 转动实施

4.3.1 转体结构牵引力、安全系数

转体结构见图1。最小静摩擦力矩M=22 400 kN·m，其中μ静取0.1，μ动取0.06。理想状态启动时所需最大牵引力为1 867 kN，转动过程中所需牵引力为1 120 kN。实际转体中，转动体系有可能不平衡，控制转体结构偏向后侧，使一个支撑腿接触环道，控制该支腿最大支撑反力不超过2 000 kN，此时启动力为1 927 kN，转动牵引力为1 156 KN，牵引钢绞线的安全系数为2.39。

4.3.2 转体牵引助推系统、位控及微调系统

转体牵引助推系统作为牵引系统工作不正常时的应急手段。转体过程中，16 800 t质量只有球铰一点支承。转体结构中心高度21 m，上部转体结构受外界条件或施工影响，易出现倾斜，必须设置位置控制系统。在转体过程中及转体就位后，对转体悬臂端高程及轴线进行微小调整，需要设置微调系统。转体牵引助推系统见图2。

下球铰承台平面上4处设置外环辅助防倾保险钢构墩（见图3），其与上转盘桥墩下平面间预留一定空隙。转体过程中，如上部转体结构发生倾斜，辅助墩起防倾保险作用。采用防倾千斤顶纠偏后，可继续进行转体。

4.3.3 称重

在桥梁轴线竖平面内，由于球铰体系制作安装误差和拱肋质量分布差异、一级预应力张拉程度差异，导致两侧拱段刚度和质量不同，产生不平衡力矩，造成悬臂端不同的下挠度。为保证转体过程中体系平稳转动，预先调整体系的质量分布，使其处于平衡状态。称重试验步骤：在选定的断面处安装位移传感器和千斤顶及压力传感器，将所有顶升千斤调整为设定的初始顶压状态，记录压力传感器的反力值。千斤顶逐级加力，记录位移传感器的微小位移，直到位移出现突变，绘制出P-Δ曲线。重复以上试验步骤，对转体进行4次顶升试验，确定不平衡力矩、摩擦阻力系数、偏心距，确定配重重量、位置及新偏心距。

4.3.4 试转

试转目的是核对理论计算的转体启动力、牵引力，确定点动惯性行走距离，为正式转动提供参考。转体拱桥试转角度3º，试转结果为启动力：2×52 t（反算静摩擦阻力系数为0.028）；牵引力：2×45 t（反算动摩擦阻力系数为0.024）；每分钟梁端转动距离93.4 cm；点动3 s，梁端惯性行走距离10.7 cm；点动2 s，梁端惯性行走距离6.7 cm；点动1 s，梁端惯性行走距离5 cm。

4.3.5 正式转体

（1）启动牵引力控制。根据试转前确定的启动牵引力T0，分级加载到位。第一步：千斤顶加载到对应牵引力600 kN等级；第二步：千斤顶加载到对应牵引力1 000 kN等级；第三步：千斤顶加载到启动牵引力T0。

（2）转体过程控制。转体启动后将动力系数调整到预计的牵引力，并使其在“自动”状态下运行。核对实际转动速度与预计速度的差值，确定“自动”状态下的运行时间。在桥面中心轴线合龙前1.5 m，监控人员每10 cm向主控台报告一次监测数据，合龙前20 cm，每1 cm报一次。合龙即将到位时，准确对梁的中轴线进行贯通测量，确保准确到位。

（3）就位控制措施。转体前在转台上设置弧长及角度观测标尺，转体过程中进行观测控制。根据试转时确定的惯性大小，提前停止自动连续顶推，改为点动操作。利用助推反力座安装限位装置，防止过转。

4.3.6 转体后锁定

转体就位后迅速进行转体结构调整，按先轴线后标高的原则进行调整。利用转体牵引设备逐步将转体轴线调整到位，轴线偏差控制在2 mm内；利用永久撑脚安装限位装置，限制结构转动；调整标高、称重、配重，标高控制兼顾中跨与边跨，误差控制在5 mm内。

标高和轴线调整符合要求后，立即进行上下转盘的锁定工作。利用永久撑脚与滑道、临时砂箱的上半部与滑道钢板、钢板与槽钢锁定上下转盘。