转体施工在各种桥型之间的应用及不平衡问题的探讨

摘要：转体施工作为一种便捷、高效的桥梁施工工艺，可跨越河流山谷，以及既有线路。随着中国经济的发展，转体施工在桥梁建设领域发挥越来越重要的作用。本文主要从转体施工在几种桥型之间的比较出发，探讨了其发展背景和使用范围，同时以某连续梁桥转体施工中最关键的不平衡问题计算原理为依托，从理论推导到公式推导，详细分析了在转体施工之前的不平衡称重配重问题，得到了不平衡问题的关键之处，从而以此为基础反思总结了转体的优势与风险，以及在当今时代，桥梁在新的技术的支撑下对施工企业所提供的新的发展方向，以达到对施工过程中的风险合理有效的进行管控的目的。

关键词：转体背景、不平衡问题、风险与优势、新技术

中图分类号：U445.46    文献标志码：A

0 引言

近些年来，我国科技水平不断提高，工程新技术层出不穷。尤其是在桥梁建设方面，从以前的支架施工慢慢的变成无支架也可以在一些条件受限的地形中进行施工作业，新的施工工艺的出现改变了桥梁建设的格局，特别是转体施工在梁式桥以及拱桥的建设方面发挥了不可替代的作用。比如一些山川河流以及峡谷地带，拱桥采用转体施工就方便了许多，不仅加快了建设速度，更是提高了桥梁的跨度，弥补了施工条件的不足。另一方面，一些连续梁桥在跨越既有线路时采用转体施工则可以避免既有线路正常运营的互相干扰，而且方便施工。梁桥和拱桥在转体施工上，都是提前在偏离设计轴线的位置处制作桥体，待完成之后再依靠转动体系将桥体完美的转到设计线路上，二者具有相似的部分但又是不同的受力体系，因此，研究二者的联系和区别具有重要的意义。

1.各种桥型的施工技术特点

1.1拱桥

建设过程中，一般采用平转法、竖转法以及平竖结合的方式。根据具体施工场地，地形特点，采取正确的转体方式。转体施工的历史可以追溯到上个世纪，桥梁可以依靠转体来很好的在山川河谷地带实现最大跨越，而且能够高效，安全的施工作业，正因为如此，在这个时候转体架设桥梁的理论和方法才得以完善，在拱桥上主要是将拱圈分为两个半跨，在拱圈的两侧，搭设一些简单的支架并在支架上面完成拱圈的施工，利用提升索将其提升到位，最后通过转动实现拱圈的合拢就位。按照主拱圈转动方向的不同，可以分为竖向转体和平面转体两种。平面转体时提前在桥墩或者桥台位置搭设好支架浇筑好拱圈，利用平面转动体系，将两个半跨拱肋转动合拢就位。根据具体的施工过程，可以采用有平衡块或者无平衡块转体，不同的方法所带来的的优势和缺陷大有不同，对转动体系的制作要求也就提高了许多。竖向转体施工主要是将拱肋拼装好或者浇筑成功之后，采用拉索将拱圈向上提升到设计位置，这种方法在大跨径拱桥上得到了很好的利用，同时在大跨径桥梁上也可以结合平面转体，这样就可以进一步提高施工的效率，缩短了工期，也节省成本。特别是对于大跨径钢管混凝土拱桥来说，由于其自重大，悬臂长，则需要更多的拉索，平面转体和竖向转体同时结合进行，便会减少不必要的工序，最终使得拱肋安全精准的就位。虽然竖向转体在中国出现的很晚，但是与传统的支架搭设相比，其具有结构设计合理，受力明确等优点，同时节省钢材，收到施工企业广泛的青睐与推崇。

1.2斜拉桥与连续梁桥

在轉体施工中，斜拉桥通常采用水平转体，和连续梁桥一样，有墩顶和墩底水平转体两种。根据桥墩的体积大小，构造要求的不同，在施工现场依据具体情况选择在墩顶或墩底进行安装转动体系，一般情况下，若桥墩体积较大，重心稳定则选择在墩顶进行转体施工，施工的可靠性也相应的提高。在墩顶施工相比墩底，场地受限，作业人员工作面减少，因此，会增加工作难度。但是它又有一些优点，比如说墩顶施工可以减少对周边的扰动。在跨越既有线路中，转体斜拉桥应用居多，并且大多在城市中。连续梁桥在施工到最大悬臂端时，拆除挂篮，之后拆除砂箱，安装滑道等，观察梁体偏移情况，进行合理配重平衡，最后进行转体施工作业。

2.桥梁转体施工技术发展背景和使用范围

转体施工在特定环境下，有着自己独一无二的优势，相对于一些跨河大桥甚至是一些陆地上跨线桥梁，它的施工优越性能够很好的改善施工场地的环境状况，同时相对于支架施工等依靠其他材料组成的支撑结构的辅助来说，这些支架系统费用昂贵，而且安装工序复杂，属于高度危险的作业，转体施工极大的降低了物力人力的成本，提高了施工的安全性，可利于机械化作业的推进，将作业平台从高空乃至水上转移到地面上，有效的减少了施工中存在的安全风险。在桥梁跨越既有干线时，利用转体施工能够不间断施工，同时也不影响正常线路的运营。

对于转动体系结构来说，最终要达到的目标是要能转动、要能转稳、要能转准，同时也对速度有一定要求。而要达到这样的要求，转动体系最关键的技术就是转体球铰的设计，而对球铰来说最关键的就是材料的选取，以及针对于不同体系所进行的球铰结构形式的设计，为了达到转动体系的高稳定性、高精准性，我们需要对转体结构提前进行配重现场试验，以此来检验球铰的稳定性和设计精度，还有转动体的抗倾稳定性，这一切都对于施工安全性都具有重要的意义。目前，我国的桥梁转体技术有了很大的发展，但是在理论上还有很多的不完善，通过实际工程我们可以看到，在工程上的转体实践往往快于理论研究的发展，但是这就会引发出一系列问题，比如我们的施工企业在施工作业上很成熟，但是在问题的总结上有所欠缺，不能对大型桥梁的转体提供完善的施工经验，这样也不利于理论体系的发展与推进。桥梁转体结构上的球铰最主要的是混凝土球铰和钢纤维球铰，他们各有各的优点，钢纤维球铰的刚度较一般球铰的大很多，所以它比较适用于大跨径大型桥梁的转体，能够有效支撑桥梁体系的全部重量，与此同时，我国的桥梁正在向大跨度，高强度发展，球铰材料的改善正好能够满足施工的要求，对施工企业来说是前进道路上的最佳选择。以上所述，旨在强调转体施工在技术上的优越性以及一些不足之处，提及转体施工，可能大家接触的有所不同，因此，以上所有叙述与总结主要为后文的不平衡问题探讨打好理论基础。

3.转体施工的不平衡问题

对于桥梁的施工来说，使用合理的施工方法对于整个桥的全周期全寿命建设具有重要的意义，那么，转体施工对于连续梁桥、斜拉桥等桥梁的施工具有什么样的意义呢？首先，从结构力学的角度出发，一个结构合不合理最主要的就是它的受力体系了，一般而言，对于一个理想的桥梁体系，通过转体施工来实现桥梁的整体合拢最关键的就是转动不体系转的好不好这个特殊而又特别的问题。整体来说，要做到两点，第一是转动要比较容易，不能有太多阻碍;第二就是在转体的时候安全性稳定性应该得到充分的保证。要达到这两个目标，作为施工方最急切关心的就是转动球铰，它承担和支撑着整个梁体的全部重量，一旦转体开始，将要发生的一切都由球铰系统来作用着，如果不能准确的保证球铰的安全，任何意外的情况都有可能发生。转动球铰为什么这么关键呢？通俗的讲，在转体施工之前，应该进行对梁体的不平衡重进行测试，这时候最主要的就是球铰的摩擦性能测试了，球铰的摩擦性能高低决定着在转动过程中需要在转动体系上所付诸的牵引力矩大小，提前做好球铰摩擦性能的判断与分析计算，方便作业时精确的把握转动所需要施加的力矩。

3.1连续梁桥不平衡力的估算原理

转体结构的平稳顺利转动离不开合理的配重，合理准确的配重计算需要以称重试验而得的数据作为依据。因此，称重试验成为桥梁转动前准备工作中最重要的一项内容。虽然转体施工的技术已经经过大量的工程实践日渐成熟，但对于不同转体结构而言都有其自身特点，其它成功的转体称重方案只能作为参考。依据转动结构体的自身特点及施工环境等因素确定合理可行的称重试验方案，才能保证称重试验数据的可靠性，计算出正确的转体配重。

以连镇铁路某特大桥为例，该工程中的转体桥具有小半径曲线、大跨度及大重量等特点。称重试验过程中，采取了纵向和横向称重，以保证称重结果的准确性。准备大量程的千斤顶，确保称重试验顺利进行。

3.1.1 试验准备

（1）所需千斤顶计算

根据设计资料，72#墩T构转体N=73800kN，73#墩T构转体N=77000kN，R=8m。根据研究成果及工程经验在0.02至0.04之间，取=0.03计算设计静摩阻力矩得：

72#墩转体设计摩阻力矩为

73#墩转体设计摩阻力矩为

在距转体中心线5.22m处设置2台千斤顶，每台千斤顶需要的顶力： ，分别对转体梁进行顶放，在上转盘底四周布置4个位移传感器，用以测试球铰的微小转动。

（2）测试仪器和设备准备

千斤顶：根据计算，千斤顶所需顶力最大值为1750.27 kN，为使千斤顶有足够的顶力储备，准备了400吨量程的千斤顶。

位移百分表：数量4个;量程：-30mm～30mm;精度：1/1000。

应力环和测试仪：读取顶力;量程：0～4000 kN。

锚具：填充千斤顶和上转盘之间的距离。

钢板：50cm×50cm、厚2mm;置于锚具之上与上转盘接触，防止顶力产生应力集中对上转盘破坏。

（3）试验步骤

1）在选定断面处安裝位移及和千斤顶;

2）调整千斤顶，使所有千斤顶处于设定的初始顶压状态;

3）千斤顶逐级家里，记录位移百分表的微小位移，直到位移出现突变;

4）绘制出顶力-位移曲线;

5）确定不平衡力矩、摩阻系数、偏心距;

6）确定配重重量、位置及新偏心距。

3.1.2 转体称重配置计算理论

称重配重的基本原理是通过使球铰发生微小的转动，根据力矩平衡来计算转体结构的不平衡力矩，进而进行配重，使转体达到平衡。具体流程为：在转体承台一侧逐级施加顶力，根据顶力-位移曲线图中位移突变情况判断使转体发生微动的顶力，在对称位置的另一侧进行相同操作，根据得出的顶力计算转动结构的不平衡力矩和摩阻力矩。这种方法不涉及挠度等因素影响，只考虑刚性体作用，受力明确计算简单。

（1）摩阻力矩和不平衡力矩计算

称重进行前对转体进行拆除临时支撑，整个转体的平衡状态有两种形式： 1）球铰摩阻力矩大于转体不平衡力矩。转体通过球铰摩阻力矩和转体自身不平衡力矩维持平衡状态，转体结构不发生转动。2）球铰摩阻力矩小于转体不平衡力矩。结构体发生绕球铰的转动，直至撑脚落至滑道参与工作，转体通过球铰摩阻力矩、转体自身不平衡力矩和撑脚对球心的力矩维持平衡。

1）转体球铰摩阻力矩大于转体不平衡力矩

第一种情况：转体球铰摩阻力矩大于转体不平衡力矩。如图（1）所示，假设转体中心偏向大里程一侧，首先在小里程一侧逐级施加顶力，当顶力使球铰发生微小转动时，有：

（1）

在大里程一侧逐级施加顶力，当顶力增加到使球铰发生微小转动时，有：

（2）

解式（1）和（2），得到：

不平衡力矩：  （3）

摩阻力矩：    （4）

2）转体球铰摩阻力矩小于转体不平衡力矩

图2 转体球铰摩阻力矩小于不平衡力矩时称重试验示意图

第二种情况：转体球铰摩阻力矩小于转体不平衡力矩。如图（2）所示，假设转体重心偏向大里程一侧，则只能在大里程侧逐级施加顶力。当顶力（由撑脚离地的瞬间算起）增加到使球铰发生微小转动时，有：

（5）

当球铰发生微小转动后，即顶升到位时，回油使千斤顶回落，假设为千斤顶逐渐回落过程中球铰发生微小转动时的力，则有

（6）

解式（5）和（6），得到：

不平衡力矩：（7）

摩阻力矩：   （8）

（2）摩阻系数和偏心距计算

进行称重试验时，球铰根据施加顶力位置的不同发生不同方向的转动。摩阻力矩为摩擦面每个微面积上的摩擦力对过球铰中心竖转法线的力矩之和，计算示意图见图3。

由图3可以得到：

所以有：

整理得： （9）

根据球铰设计资料，求得，带入式（9）中得： （10）

整理（10）得：

所以球铰静摩阻系数为：

（11）

转动体偏心距为：

（12）

式中： —转体重量;

—球铰中心转盘球面半径。

（3）配重计算

转体配重按式（13）计算，

（13）

式中： —转体需配重量;

—转体悬臂长度;

—配重位置距离悬臂端部距离。

3.2不平衡力的关键之处

从上节的简单叙述可以总结为桥梁转体施工转动体系主要分为两个板块，分别为旋转拼接和支撑基座，通过在桥墩或者桥台预制轴心，将转动体系安装就位，所以这两部分是关键的，满足了这两点之后我们通常会忽略掉一个重要部位，那就是支撑转动体系的桥梁基础，下部基础结构的施工是否在一开始就是安全可靠的，才是保证桥梁转体成功的最关键因素。只要保证了基础结构的完全安全，后期再测试不平衡力矩以及摩擦力、偏心距、摩阻系数等这一系列数据才具有足够的真实性，才能为梁体的不平衡所进行的称重实验提供精确、准确的数据支持，后期的数据分析才能为实际的配重做出合理准确的方案，转体施工才能顺利完成，这样的转体技术才可以对桥梁建设发挥重要的意义和价值。

4.转体施工的优势与风险以及新发展方向

4.1 转体梁施工的优势

转体施工这一特色方法，相比其他施工方法具有一定的优势。首先就是技术应用上的优势，它是既可以在大跨度桥梁上应用，又可以是在既有线路上安全的作业，不互相影响。不同于其他施工方式，比如支架式施工，需要提前搭设一定规模的支架，施工顺序复杂，而且只能适用于地形比较合适的地方。而转体施工只需利用操作简单的设备进行操作。其次就是在经济成本上比较占据有利位置，它利用的设备少，装置比较简单，易于操作，这样也减少了人力成本。再者就是前面提到的对于施工材料的成本也降低了不少。第三点便是在生态上，它有效的减少了一定的施工工序，从而减少了对施工场地的利用与扰动，而且几乎都是地面作业，由于大大降低了施工作业的工序，那么它就能减小后期的生态恢复的投入成本，所以转体施工是集底成本、高效率、高性价比于一身的环保技术。

4.2 铁路转体梁施工中所存在的安全风险

对于工程项目来说存在着优势必然不可忽略安全风险这个永恒话题，作为施工企业要时刻保持清醒头脑，进行安全风险的识别，并做好应对措施。对于铁路线路上施工的桥梁，要防止坠物掉落，这将对既有运营线路的行车安全会有一定的威胁，会破坏行进车辆的平稳性，对于其他的同类型施工项目也应该考虑这些因素所带来的后果。考虑了由于施工现场施工过程中的坠物对周边的环境以及人员的安全影响之后，我们还应该考虑转体过程中的风险，比如说在转体中突然停转、或者转动角度不对等都是潜在的安全隐患，为此，我们应该进行在正式转体前的试转，以确定相关的技术参数，为随后的转体施工方案提供支持。再者就是临近作业机械的不合理管理与安置也会对周围施工人员造成安全事故，同时，在转体施工完成之后，施工人员不能放松警惕，在最后的合拢环节常常也会存在坠物掉落。因此，作业人员要及时将细小的物件带离施工现场，防止施工风险的发生。

4.3 BIM技术对转体桥风险的管控

自BIM技术成熟以来，在房屋建筑性领域应用居多，但是随着中国桥梁的快速的发展，BIM桥梁技术也越来越受到重视。在桥梁领域，BIM技术可以实现建模、施工平台建设等以整套体系来合理管控整个项目的施工，比如，桥体的变形可以在BIM平台上进行模拟测量，同时进行精准定位，随时可以处理现场问题。在转体施工时，可以提前搭建BIM平台，建立精准的球铰、滑道模型，提前设置好高程坐标、大地坐标，为球铰的变形测量提供有效的依据，基于建模软件和鲁班管理平台，可以从测量放线以及高程控制，施工管理等方面进行控制。对于球铰精确定位之后，可以真正实现施工过程的实时监督管理。BIM技术的亮点在于现场管控，对施工企业来说，可以有效的进行风險识别、风险分析、风险评估和风险控制，对于施工人员的安全可以提供保障，现场的施工进度及时控制，有效的提高了桥梁施工的管理控制。

5 结语

总的来说，转体施工技术具有独特且专业的优势，但由于施工领域长期存在的一些弊端，不可忽视在施工作业时，我们需要改进的、加强的与提升的东西，利用新的技术新的人才，进行不断地改进改善是工程人员必须考虑的问题之一。不断探索新的领域，不断创新理论体系，专注于实践，加强实践与理论的结合，寻找最安全、最搞笑、最合理的施工方法才是正确的出路。

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作者简介：刘明（1986-），男，山东济南人，工程师，大学本科，现在从事铁路工程施工管理工作