跨线桥转体技术发展现状与展望

马行川

(中铁武汉勘察设计研究院有限公司,武汉 430074)

1 概述

桥梁转体法施工始于20世纪40年代的法国，最初是从竖转法发展起来的，直至1976年，平转法施工才首次应用。随后，国外在斜拉桥、T形刚构桥、连续梁桥、拱桥等桥型上，平转法的使用越来越广泛，技术也越来越成熟[1-2]。

我国转体施工技术起步相对较晚，1975年才开始进行转体桥工艺的研究，并于1977年完成了我国历史上的第一座平转法施工桥梁[1-2]。近年来，随着高速铁路的普及，转体桥的应用越来越普遍，在转体桥个数、转体质量、转体形式已渐渐进入世界领先水平。表1为国内外一些典型的桥梁转体施工案例。

表1 国内外典型转体施工的桥梁

2 跨线桥转体技术现状

2.1 常规跨线桥转体技术

目前，常规跨线桥平转法施工是在普通跨线桥梁施工的基础上，增加一个转动球铰、转体牵引动力系统和转体时的平衡系统[3-5]，将需横跨铁路的桥梁平行于既有铁路施工，转体梁段施工完成后水平转动至设计位置，在基本不对铁路造成影响的前提下实现桥梁的跨越。

常规平转法施工的技术原理如图1所示，采用球铰作为转动和承载的核心，支撑腿和滑道作为防倾覆保险体系，牵引索、连续张拉千斤顶和牵引反力座为转体的动力系统。转体时通过布置在球铰左右两侧轴对称位置的牵引反力座为连续千斤顶提供1对牵引反力，连续牵引缠绕在转台上的拉索，形成1对力偶，使桥梁转体结构沿球铰中心进行转动。按球铰所在位置水平转体桥可分为墩底转体[6-8]、墩顶转体[9-11]和墩中转体[12]。例如，广东英德跨京广高铁的英红特大桥采用墩底转体，如图2所示；武汉市姑嫂树路转体桥采用墩顶转体，如图3所示；新建成昆铁路永仁至广通段龙川江大桥采用墩中转体，如图4所示。

图1 常规转体系统

图2 墩底转体

图3 墩顶转体

图4 墩中转体

2.2 常规转体技术的局限性

虽然上述常规转体技术基本能满足大多数跨线转体桥的施工需求，但仍存在一定的局限性，主要技术缺陷如下。

(1)为保证转体平衡，在现场不具备背锚设置条件的情况下，跨线桥转体结构一般做成对称或者尽量对称，以减少平衡配重量，但存在现场条件限制导致转体两端结构相差悬殊的情况，单纯配重难以实现转体平衡。

(2)现有跨线桥梁的改扩建，常规转体技术由于现状桥梁的影响，若新建桥梁和老桥并行建设，现状转体技术无法实现。

(3)转体桥梁规模越来越大，保定乐凯大街转体桥转体质量已经达到46 000 t。随着转体吨位的增加，转体球铰尺寸越来越大，直径超过了5 m，采用常规球铰制造技术，运输及安装极为不便。

(4)转体吨位越来越大，相应牵引动力的需求也越来越大。现状技术主要通过两种措施来完成转体，一种是增加连续千斤顶的牵引力；另一种是增大转台与球铰半径比值。但两种措施均造成牵引设备和转台结构较为庞大，经济性较差。

(5)现状转体技术采用牵引索牵拉转体，若转体超过设计角度后，回位只能采用千斤顶顶推，施工操作难度较大。因此，施工时往往接近转体角度后，即停止转体，很难做到完全精准对位。

(6)现状转体技术球铰多为一次性设备，转体完成后封铰在结构内部，无法重复利用。

3 跨线桥转体新技术

3.1 转体工艺的新技术

2018年建成的武汉市常青路跨线转体桥采用了一种新型转体技术，相对于常规转体技术进行了较大改进。该工程采用(95+105) m连续钢箱梁上跨9股道铁路线，桥宽51 m，分幅布置。该桥采用墩顶法转体，待箱梁水平转体就位后，施工合龙段，完成钢箱梁的合龙，最后拆除球铰，上部结构整体落架至永久支座上。

该桥桥面较宽，采用分幅布置，且现场环境不具备左右幅桥梁在铁路两侧分别转体的条件[13]，因此设计采用了一种分幅桥梁单球铰整体转体新工艺。将上部梁体平面设计为“H”形，在转体墩墩顶用横梁连接左右两幅桥，完成钢箱梁与转体系统的固定，并在横梁的转体球铰上方设置临时塔横向张拉墩顶横梁，以改善转体时横梁的悬臂受力状态。

受外部环境限制，转体长度为(43.8+91.4) m。由于两端转体长度相差悬殊，无法通过单纯配重达到转体平衡，因而采用一种辅助支撑系统的方法来解决转体平衡[14-17]，如图5所示。该系统由滚轮小车支撑、滚轮小车轨道、弧形轨道梁支撑平台、齿轮驱动系统和电气控制系统共同组成，如图6所示。取消常规转体的牵引索牵拉转体，通过齿轮驱动使滚轮小车支撑沿弧形轨迹运动，进而带动梁体进行水平转体。

图5 常青路转体辅助支撑系统平面布置(单位：mm)

图6 常青路转体辅助支撑系统连接大样(单位：mm)

该桥转体方式具有转体稳定性好、自动化程度高、可正转也可反转、能自动精准对位等特点，可减少不对称结构转体所需的平衡配重量及转体时的牵引力，实现施工区域狭窄、场地受限条件下的桥梁转体施工。

3.2 转体球铰的新技术

平转桥梁的转体球铰技术发展经历了相当长的时间，由最初的混凝土球铰到如今承载能力超过30 000 t的钢球铰，设计制造技术日臻成熟，但对于超大质量转体球铰，以往的设计及制造仍存在直径较大，无法分解拆装组合，运输及安装较为困难等缺点。

2019年7月30日实现转体的河北保定乐凯大街转体桥，主塔转体质量高达46 000 t，球铰直径达到5.88 m[18]。为解决运输难题，其转体球铰采用分片式拼装技术，将完整球铰分成三块，各块之间在施工时通过螺栓连接为整体，连接处进行局部结构加强。该种设计将超大直径的球铰(平面直径达到5 m以上)分解为一般公路可以运输的块件，进入工地安装后，再拼接为整体，对于公路运输非常方便，可有效降低球铰的运输成本。

4 跨线桥转体技术展望

虽然常青路和保定乐凯大街的新型转体技术解决了常规转体技术中的大部分问题，取得了较多的技术成果，但仍有较多转体桥方面的技术有待进一步开发和研究，以适应现在各种各样的建设需求。对于未来转体桥梁技术的发展，可以从以下几个主要方面进行展望。

4.1 转体工艺的技术展望

(1)转体和平移相结合的技术

对既有跨线桥进行加宽改造，受既有桥梁的影响，以前都是采用架设或者顶推的方式再次跨越铁路，但施工对铁路运输干扰较大。若采用常规方式转体，跨铁路加宽段的公路线路需要外绕，以留足转体施工空间。但此种处理方式在加宽段桥梁和既有跨铁路桥梁之间会出现三角地块，浪费土地资源。

参考已有的房屋建筑平移技术，若能在既有跨铁路桥梁之外采用转体技术跨越铁路之后，再通过导轨平移技术顺铁路方向水平移动，使跨铁路加宽段桥梁和既有跨铁路桥梁并行，则可避免上述诸多问题。实施思路可将承台设置为上下两层，中间布置导轨，顶面布置转体系统。先临时固定上下层承台，实施桥梁水平转体就位；再封固转体系统，解除上下层承台临时固结，释放出桥梁平移系统，通过提前设置的走行基础、导轨、顶推系统，将桥梁水平顶推到设计桥位上，最后封固上下层承台成桥。目前，该技术方案仅是一种初步思路，需要在今后的实践中做进一步完善。

(2)可调高度转体桥技术

转体桥在跨越电气化铁路时，由于受转体扫过区域铁路接触网杆高度的影响，所留铁路的净空高度往往比规范要求的铁路限界高度高出较多，由此带来了桥梁长度增加或者道路纵坡加大，降低行车安全性和舒适性，工程造价上也不经济。

若能在桥梁转体后，通过技术措施使桥梁上部结构下降一定高度，既能满足转体过程中的转体需求，又能满足转体后的铁路限界，则可以达到有效降低道路纵坡，减少工程造价的目的。

可调高度转体桥技术具体实施时可参考塔吊自身升降的原理，通过采用大吨位千斤顶和临时加高台相互配合的方案，逐级降低上部结构高程。例如对于墩顶转体连续梁，可根据高度调整的需求，在墩顶设置相应高度的加高台。转体就位后，通过千斤顶的配合，逐步拆除球铰和加高台，将梁体高度降至设计高程。常青路跨铁路转体桥对于拆除球铰和降低梁体高程已经进行了大胆尝试，但降低的高度有限，对于大尺度的高度调整，后期仍有很多技术细节有待进一步研究。

(3)临时斜拉索转体桥技术

对于梁式桥转体，转体过程中的大悬臂结构往往是设计和施工中的控制工况，为保证转体工况的结构安全，避免梁体下挠过大影响转体进程。0号块附近的梁体截面结构尺寸在设计时往往取值较大，致使桥梁的经济指标相对较差，同时也增大了转体质量，间接增加了施工难度。

若能将斜拉桥的设计理念引入到梁式桥转体的设计和施工中，通过设置临时斜拉索[19]，则可以在保证结构安全的前提下有效降低悬臂挠度，减少结构截面和转体质量。设置临时斜拉索分为纵向和横向两种方式，一般情况下设置纵向临时斜拉索，对于桥面横向宽度较大的转体桥，在转体时横向刚度或应力水平受控时，也可以设置横向临时斜拉索。

设置临时斜拉索的转体桥技术对于跨度在50～100 m范围的钢箱梁结构，在改善转体时的挠度和应力水平十分有效，对于今后的工程应用有着较大的发展空间。

(4)无球铰转体技术

目前实施的转体桥，多数均是通过设置球铰装置实现转体功能。虽然早期也有通过平面铰[20-21]来进行转体的桥梁实例，但它们都具有通过铰结构来承担转体时上部结构重力的特点，同时能够在对铰结构施加外力形成力偶的情况下可以连续转动。

结合常青路跨线转体桥所设计的滚轮小车结构，可以实现无球铰转体的设想。取消常规转体的球铰装置，沿转动环道轨道对称布置多个滚轮小车，使滚轮小车既能承担上部结构的重力，又能在自身动力的作用下沿轨道圆周运动，进而实现转体的功能。

无球铰转体技术采用多支点承担上部结构，可以增加转体过程中的稳定性，尤其对于高耸结构转体，可以大大降低转体倾覆的风险。

目前该技术对于钢箱梁墩顶转体和小质量墩底转体混凝土梁桥比较适用，对于双索面斜拉桥转体，无球铰转体技术也可以做到两侧塔柱不收腿，更有利于塔柱的结构受力。但由于单个滚轮小车的承载力有限，所以对于较大质量转体桥，其适用仍存在局限性。今后需对滚轮小车的承载能力做进一步的完善和改进，以扩大无球铰转体技术应用范围。

4.2 转体球铰的技术展望

(1)球铰可重复利用技术

目前，常规转体桥梁的钢球铰基本上都是一次性的，转体完成后进行封固，保留在桥梁结构内部。如果能够在转体完成后拆出球铰，使球铰像千斤顶等其他设备一样具备可重复利用的特点，将是桥梁转体技术的一大革新，同时也有利于资源的重复利用。例如常青路跨线转体桥在钢箱梁转体球铰的设计上进行了回收利用的成功尝试，如若在混凝土桥梁上也进行该项技术的应用和推广，对于环境保护，降低工程造价也将大有裨益。

球铰可重复利用技术主要应用在墩顶转体的桥梁上，即在设计时充分考虑球铰的可拆装性，结构上预留球铰的拆卸空间和拆卸时的构造措施。转体完成后，通过千斤顶的顶升，移出拆卸下来的球铰，再落梁在正式支座上，完成桥梁结构体系由转体状态到永久状态的转换。

(2)集成式球铰技术

目前，转体球铰的功能基本上都是单一化的，即仅实现结构转动功能，转体过程中的其他控制功能需求，例如应力监控，平衡称重、转体角度和速度监测、转体动力提供[22]等施工控制措施均需要通过其他措施或设施来实现。

若对现状球铰作进一步改进，将上述功能集成在一起，实现球铰功能的多样化、数字化和智能化，将可大大减少转体过程中各工序的交叉配合，更有利于转体控制的安全和平稳。

集成式球铰技术的基本思路可分为以下方面的内容：一是在球铰内上下球铰之间预埋应力片的辅助监控技术，以达到免称重的目的。根据监测结果对不平衡力矩进行预估，形成预配重方案并与理论配重方案进行对比分析，验证预配重方案的合理性；二是将转体动力系统和球铰进行组合，使球铰自带动力，通过自动控制技术，启动球铰使转体能够自动运行，避免转体动力系统和球铰系统分离的状态，能更好地控制行程，达到桥梁转体姿态实时测量及精确定位；三是利用如今蓬勃发展的计算机数字技术，在球铰上设置监测、控制装置，将转体过程的球铰应力、转体角度、转体速度等数据进行数值化、可视化，以简化施工现场各工种之间的现场相互配合工作量，减少施工风险。

4.3 转体动力系统的技术展望

(1)转体动力智能控制技术

常规跨线桥转体动力基本上均采用卷扬机或者连续千斤顶牵拉。在常青路跨线转体桥之前，转体动力技术一直停留在最初的方式上，未进行过大的改进和革新。该种技术比较成熟，但也存在施工操作复杂，精度控制差等缺点。

克服上述常规转体的牵引技术缺点，就需要将目前的常规转体动力技术作进一步改进。结合目前飞速发展的自动化控制技术、信息集成技术，综合研制出一种可远程一键式操作，数据化控制的转体综合动力设备。该设备应具备正反转、能自行精准对位的特点，远程输入命令即可自动提供转体的功能。常青路跨铁路转体桥的转体设备只是进行了初步尝试，适合特定条件下的桥梁转体，通用性仍有一定局限。若开发为通用设备，后期仍有很多地方有待改进。

(2)双动力系统转体技术

以往设计的转体桥，无论是常规转体或是常青路新型转体，均采用单动力系统，即采用连续千斤顶牵拉系统或者单侧电机齿轮齿条转动系统。对于转体质量较大的转体桥，所需牵引力往往较大，如果设置双动力系统，则转体施工将变得容易实现。双动力系统转体技术可以分为连续千斤顶牵拉系统+电机齿轮齿条系统和双电机齿轮齿条系统两种方案。

双电机齿轮齿条系统对称布置在球铰两侧，在提高转体牵引动力的基础上，也可以解决单侧电机齿轮齿条系统对球铰产生的水平推力，防止球铰产生较为严重的水平偏位现象。目前，在常青路新型转体技术的基础上，该技术已经进行了深入研究，可以应用在今后的工程中。

连续千斤顶牵拉系统+电机齿轮齿条系统，以其中一种动力系统作为主动力，另一种动力系统作为辅助动力，在单个动力系统牵引能力不足的情况下，另一种动力可以作为补充。也可以在单个动力系统牵引能力满足要求的情况下，另一种动力可以作为应急储备。尤其在跨越铁路的条件下，转体时间被限定，若主动力系统出现问题，更换设备时间不允许的情况下，另一种动力可以确保转体继续进行。

(3)梁端设置动力转体技术

常规跨线桥在转体时，所需牵引动力的大小除受球铰和撑脚接触摩擦力的影响外，另一个影响因素就是牵引半径和球铰支承半径的比值大小。其比值越大，所需牵引力就越小，若在转体梁的端部牵引，则所需牵引力最小。在实际工程中，受转体跨越端铁路或其他障碍物影响，跨越端往往无法在端部进行牵引，但在非跨越端则可以实现端部牵引，以达到牵引力最小的目的。

由于梁端运动轨迹呈弧线形，梁端采用软索牵引实现弧线运动技术上存在较多困难，因此实际工程中一般在梁端采用顶推方式使梁体转动。但也带来转体用时较长，一次铁路天窗封闭点内很难完成转体的问题。常青路跨线转体桥采用的齿轮齿条方案是解决这个问题的一个方向，对于其他更为简易的解决方式仍需在今后的工作中进一步研究开发。

(4)设置动滑轮的转体动力技术

常规跨线桥在转体质量较大时，牵引动力往往较大，以前是通过加大牵引设备牵引力的办法来处理。目前，牵引设备连续千斤顶的牵引力已经从最初的1 000 kN逐渐发展到5 600 kN。但现有千斤顶动力仍不能满足牵引需要时，可以通过设置一个简单的动滑轮构造来解决问题。如图7所示，在千斤顶反力座和预埋在转台内的牵引钢束之间设置一个动滑轮。根据动滑轮的特性，千斤顶所需的牵引力理论上可降低为直接牵拉牵引钢束的一半。

图7 设置动滑轮的转体动力系统平面

4.4 转体技术应用的展望

桥梁转体技术在应用环节上除了桥梁转体施工外，还可延伸到其他方面，例如河道上的开启桥应用。

开启桥的技术应用较早，多用在航道上桥梁。该种桥型可显著降低河道上的桥梁设计高度，缩短引桥长度，节省大量的建桥资金。例如比较著名的伦敦泰晤士河上的塔桥即是采用开启桥的技术，如图8所示。一般开启桥大多采用竖向开启，采用水平开启桥的桥梁由于转动机构相对竖向开启桥较为复杂，所以数量相对较少，一般用于桥梁宽度较小的铁路桥梁，例如20世纪30年代的辽宁丹东跨鸭绿江旧铁路桥即是采用水平开启的桥梁，如图9所示。

图8 伦敦泰晤士竖向开启桥

图9 辽宁丹东水平开启桥

参考常青路齿轮齿条新型转体系统的技术原理，可以较为容易的实现水平开启。水平开启桥与竖向开启桥相比，不需要设置桥塔或拉索，简单梁式桥即可实现，技术上更具优势。今后，在通航不太繁忙的河道上，设置水平开启桥也是一个很好的发展趋势。

5 结语

通过对常规跨线转体桥技术的分析，总结出常规转体桥技术的局限性。针对常规桥梁的局限性，介绍了近年来发展的一些新型转体技术。并从转体工艺、球铰技术、转体动力系统、转体技术应用等方面，着重对今后转体技术的发展进行展望，为今后转体桥技术的进一步发展提供了一定的思路，对相应建设条件下的跨线转体桥建设有一定的参考和借鉴意义。