不对称梁段多支点齿轮传动转体施工技术

郭昭赢

(中铁十一局集团第二工程有限公司，湖北 十堰 442013)

0 引 言

目前，不对称梁段转体施工一般采用在短臂端进行平衡配重的方案。可以采用混凝土块、水袋、砂袋及钢卷等材料充当配重块，称重后，通过调整配重块的数量及堆放位置等方式，让转体梁的重心与转体球铰的中心尽量重合，使转体结构达到稳定与平衡。例如：蒙华铁路煤运专线李家湾跨焦柳线转体桥工程[1]；兴延高速公路上跨京包铁路转体桥工程[2]；西咸北环线高速公路上跨陇海铁路转体桥工程[3]；太原市北中环线工程跨石太客专及石太线立交桥工程[4]。

在转体球铰支点两端梁体质量偏差极大，采用完全配重仍不能使转体达到平衡状态，或者配重后梁体应力大、转体结构不安全的工况下，需要采取其他办法使转体结构平衡、稳定。本文论述的不对称梁段多支点齿轮传动转体施工技术可以解决以上难题[5]，在质量大的一侧梁底设置辅助前支撑[6]，同时在质量小的梁端进行配重，靠配重及辅助前支撑的共同作用使转体达到平衡状态。在辅助前支撑处设置转体驱动力，解决中心球铰牵引力过大的问题，创新性地提出了齿轮齿条电机新型转体驱动方式，在弧形轨道梁上设置齿轮、齿条、滚轮小车、电机和减速机，由电机带动齿轮转动，通过减速机和齿条的传动，带动滚轮小车和梁体。本转体方案具有转体驱动力较小、自动化程度高、可一键操作、既可正转又可反转等特点及优势。本文重点介绍该转体系统的组成[7]、转体系统的现场安装及转体前后各阶段的施工方法，为以后类似施工提供借鉴。

1 工程概况

武汉市常青路主线高架桥在27#～29#墩处采用(95+105)m连续钢箱梁桥跨越汉口火车站南咽喉9股道及道岔，桥梁上部结构为分幅变高度直腹板连续钢箱梁，分左右幅布置[8]，如图1所示；主墩处根部梁高6.5 m，端部梁高3.0 m，直腹板梁高按二次抛物线变化，钢箱梁单幅梁面宽25.5 m，底宽16.5 m，双幅桥面总宽度为51.0 m。

图1 转体桥桥型布置

本桥梁采用墩顶转体法施工[9]。但是，由于施工场地狭窄，且现场拆迁困难，采用不对称转体，转体梁段以转体球铰中心为界，两端长度分别为43.8、91.4 m，质量相差3 630 t。若采用常规转体施工技术，会因为配重块过多、堆载过高而引发梁体局部应力超过允许值和不稳定的风险。

2 多支点转体系统的组成

本转体方案参考了常规转体的滑道和撑脚的思路，将滑道和撑脚半径往外扩展，让原来不平衡时才受力的撑脚转化为始终受力，形成多点支撑体系。转体系统由中心球铰、辅助前支撑、滚轮小车、弧形轨道梁、齿轮、齿条、电机减速机及机架组成，转体系统及其断面如图2、3所示。

图2 多支点转体系统

图3 多支点转体系统断面

中心球铰主要由上支座板、转轴、耐磨板、下支座板、螺栓、锚碇钢棒等部分组成[10]。顶部尺寸为长3.50 m、宽3.50 m、厚0.42 m，底部用4根直径为215 mm、长732 mm的锚碇钢棒固定在球铰加高台上。

辅助前支撑为Φ1 200 mm×16 mm钢管，内灌C50膨胀混凝土，采用焊接及栓接的方式连接滚轮小车车架与钢箱梁底。

滚轮小车由车架、滚轮、链板、链板轴等零部件组成，在工厂加工制造。滚轮小车采用双排短滚子结构，滚子直径为100 mm，长度为150 mm，材料为GCr15。为了适应弧形运动，使用锥形滚子。滚轮车架主要采用Q345板材焊接加工而成，其中支承板采用35CrMo的材料加工而成。滚轮小车顶部装着硫化橡胶支座，用来均载。

弧形轨道梁的作用是承受前支撑的竖向荷载、提供滚轮小车滚动平台和安装固定轨道系统齿条，主要由滑动平台、钢管立柱、承台和钻孔桩基础组成，平面布置在距离转体中心27.1 m处，弧形平台全长81.5 m。滑动平台采用钢板焊接而成的小型钢箱梁，顶部宽2.0 m，底部宽3.6 m，高2.0 m。

为便于调整齿条平整度及圆顺度，采用分段运输及安装，设置空心调平架，安装完成后采用灌浆填充调平架[11]。安装减速机的机架铰接在台车架上，减速机可以沿回转中心径向游动，游动距离±10 mm，保证了转体系统具有自适应的柔性运动功能。

3 多支点转体施工

3.1 施工工艺流程

为了验证本转体方案的可行性，在实桥转体前，按实桥1∶5的尺寸制作了大比尺钢箱梁转体模型，并进行了试验[12]。利用有限元软件建立本转体桥施工模型[13]，对实桥施工过程进行模拟分析和施工监控，对施工步骤进行优化，为实桥转体各阶段施工提供理论指导。施工工艺流程见图4，以下重点介绍与常规转体不一样的工序。

图4 多支点齿轮传动转体施工工艺流程

3.2 轨道梁施工

钢管立柱及滑动平台均由厂内加工制造，再运输到现场吊装、焊接[14]。滑动平台顶面平整度要求为相邻节段不超过±10 mm，接头不能错台，焊缝需打磨平整。为了消除转动过程中的辅助支撑变形，正式转体前需对轨道梁按1.2倍荷载进行预压，消除非弹性变形。

3.3 齿条安装与灌浆

按照齿条编号顺序，将第1节齿条吊装在轨道梁滑动平台上，通过调平架上的调平螺母调整齿条标高与水平，使用倒链调整齿条的平面位置；采用相同的办法依次完成所有节段的齿条安装。采用高强无收缩灌浆料填充调平架，完成后需要检查密实度。齿条安装精度要求如下。

(1)顶面水平度、标高均不大于2 mm。

(2)半径偏差不大于2 mm。

(3)整体焊接完成后，小车走行平整度为每米范围不大于1 mm，总平整度不大于2 mm。

3.4 拆除部分钢箱梁拼装支架

本工程的钢箱梁采用支架法分块吊装、焊接成整体，支架由扩大基础、钢管立柱、分配梁及调节柱组成。从球铰中心往两侧开始对称拆除转体段钢箱梁拼装支架，拆除短臂端全部支架和长臂端球铰43.8 m范围内的支架。经现场实际监测，此时球铰反力为42 940 kN，剩余支架最大荷载为1 879 kN，短臂端挠度为69.6 mm，满足安全转体要求。

3.5 拆除短臂端配重及支架

采用混凝土块配重，单块总约3.3 t，用汽车吊吊装、堆放。扣除桥梁悬臂板，单幅桥宽16.5 m，沿宽度方向堆20块、长度方向堆10块，共堆2层。单幅配重1 260.6 t，全桥配重2 521.2 t[15]。经现场实际监测，此时球铰反力为84 968 kN，剩余支架最大荷载为1 220 kN，短臂端挠度为359.0 mm，满足安全转体要求。

保留长臂端梁端及称重支架，拆除其余支架。

3.6 拆除称重及支架

本项目称重只要测出前支撑实际承受的荷载在允许范围内即可，比常规转体称重更简单、更方便[16]。称重方法如图5所示。

(1)在长臂端头部放置一个百分表，称重支架处放置千斤顶，逐级开始顶升。

(2)当长臂端头部开始出现位移时，记下此时的千斤顶压力，根据标定得出的线性回归方程算出顶升力F。

(3)根据相关距离计算出前支撑处的支反力R为53.4F/23.6。

3.7 安装前支撑及转体

在称重支架上安装千斤顶，调整梁底标高，使梁底楔形块保持水平，与前支撑顶部钢板密贴，确保前支撑垂直承受梁的重力，不会产生水平方向的分力，从而使滚轮小车行走更稳定。

完成前支撑安装后，可以拆除长臂端剩余的支架，转体梁的不平衡重力全部由前支撑承担。经现场实际监测，此时球铰反力为73 620 kN，前支撑反力为6 890 kN，箱梁应力为162 MPa，长臂端下挠为530.0 mm，短臂端挠度为246.0 mm。

转体前需要核实转体范围内的障碍物是否被清除，做好梁体临边防护；启动电机电源，可实现一键完成转体。

3.8 合龙段施工及拆除前支撑

钢箱梁转体正位后，通过悬臂端下方支架临时千斤顶调整合龙段梁体标高，拆除转体辅助前支撑，无应力吊装及焊接合龙段梁体[17]。

3.9 拆除配重、球铰及落梁体系转换

钢箱梁合龙后，在主墩顶安装千斤顶，总起顶力为4 000 t，左右幅对称拆除短臂端配重块；在两边墩顶安装千斤顶，主边墩顶同时顶起，直至球铰脱空，此时拆除球铰与钢箱梁的连接螺栓，用绳锯锯断锚碇钢棒，拆除转体球铰；然后主边墩千斤顶同时下落，连接正式支座，完成桥梁体系转换[18]，至此桥梁施工完成。

4 结 语

武汉市常青路转体桥施工技术突破了传统的单支点转体技术，创新性地采用了设置辅助前支撑的弧形轨道行走的多支点支撑形式和新型齿轮齿条驱动方式，解决了不对称转体桥施工不平衡问题。

(1)本工程借鉴传统转体施工的撑脚和滑道的思路，将其向外延伸，提出了不对称转体辅助前支撑转体系统，解决了不对称转体不平衡的难题，最终使转体达到平衡、安全、稳定的状态。

(2)辅助前支撑采用滚动摩擦代替滑动摩擦移动形式。滚轮小车滑动形式设计简单、制作方便、摩擦力小，以滚动摩擦代替常规的转体滑动摩擦可以减小转体牵引力，使转体更方便、安全。

(3)创新了转体梁转体牵引技术。研制了新型齿轮齿条驱动转体动力装置，可一键操控，自动性更强，可以随时控制转体的速度和方向，既可正转也可反转，保证了转动过程的可控性和安全性。

通过对武汉常青路跨铁路立交桥转体工程的研究，提出了极不对称转体辅助前支撑转体系统的施工步骤和施工监控方案，首例工程成功转体进一步证明该转体技术和研究成果的可行性和先进性，为今后类似条件下的极不对称转体桥提供了借鉴。对今后的一些类似跨越铁路、重要道路、建筑物、河流、深谷等必须应用转体施工的桥梁具有重要的指导意义，可以减少不必要的拆迁，降低施工总成本和缩短工期，应用前景广泛。