有平衡重转体施工上承式砼箱型拱桥设计

郭小平,骆鹏

（中国瑞林工程技术股份有限公司,江西南昌 330038）

有平衡重转体施工把高空吊装、悬拼，水上作业转化为岸边陆地上传统常规的土建作业，无需大型施工设施，特别适用于山区施工困难条件下修建拱桥。之前，国内采用有平衡重转体工艺建造的最大跨度公路钢筋混凝土箱型拱桥为四川巴东桥，净跨径为183 m，湖北恩施鹤峰县南渡江大桥将此类桥型的最大净跨度推进到190 m。

1 项目概况

湖北恩施鹤峰县南渡江大桥跨越南渡江(U字形峡谷)，桥全长为272.276 m，桥宽为10 m，桥高为163 m。桥跨布置为2×18.6 m(引桥)+204.6 m(主桥)＋25.0 m(引桥)。其中，主桥为净跨190.0 m上承式钢筋砼箱型拱桥，拱上建筑为11孔装配式预应力砼简支小箱梁桥，每孔跨度为18.6 m，两岸引桥也为装配式预应力砼简支小箱梁桥。桥梁立面布置见图1。

图1 桥梁立面布置

2 有平衡重转体施工设计

主桥主拱圈结构采用有平衡重转体施工。要想取得拱桥转体施工成功，设计须做到正确的施工工序设计、正确的转动体系设计和可靠的转动设施和细部构造设计。下文从这三个方面对该项目施工设计进行分析。

2.1 施工工序

平转施工可分为有平衡重转动施工与无平衡重转体施工。国内首次于1984年结合巫山县龙门桥(跨径122 m)进行了拱桥无平衡重转体施工工艺的研究，1988年7月又采用该工艺建成了200 m涪陵乌江大桥。无平衡重转体施工虽能较大地减轻转体重量，节省桥梁用材，但施工工艺精度要求较高、施工措施复杂、施工安全风险大，后期并未得到推广。有平衡重转体施工工艺因其施工安全、工艺相对简单，得到广泛应用。

本桥采用有平衡重转体施工，其主要施工工序为：1）根据地形确定合理转动体系制作轴线，制作转动体系;2）将两岸的转动体系转体到位并合拢成拱；3）在合拢成拱后的第1期拱圈结构上进行后期无支架加载施工，逐渐形成设计断面的主拱圈；4）拱上搭设支架对称浇筑拱上立柱及盖梁，对称吊装拱上小箱梁，施工桥面系结构。

2.2 转动体系设计

转动体系（图2）包括下盘基础上的下球铰(磨心)、环道、环道两侧的预留孔洞，上转盘及其中的上球铰（磨盖）、倒锥体、撑脚、拱座，交界墩背墙，扣索和背索，转出的半跨桥体。上下盘之间留有1 m高的间隙供转体时人员操作，上下盘之间不预留钢筋焊接成一体。交界墩背墙可以是空心墩，也可以是实心墩。它不仅是交界墩、平衡重，还是扣索的反力墙。

图2 转动体系构造

2.2.1 转出的半跨桥体

选择带砼底板的小直径钢管劲性骨架与钢筋混凝土双肋薄壁闭口箱两种类型进行比选。带砼底板的小直径钢管劲性骨架转体重量轻、材料用量少、造价低，除钢结构加工、运输略有不便外，其它结构的施工较钢筋混凝土双肋薄壁闭口箱简易，且成拱后，拱的整体性更好。因此，最终转出的桥体采用带砼底板的小直径钢管劲性骨架，见图3。转出桥体采用了3榀劲性骨架结构，间距3.4 m，上弦主钢管直径377 mm，壁厚10 mm，腹杆及横向连接杆件均采用角钢。

图3 转出桥体构造

2.2.2 上转盘及交界墩背墙

上转盘连接交界墩与转出的桥体通过球铰支承在基础上，相当于单支点托住一端转出的桥体与另一端平衡重交界墩，受力较大。上转盘厚4 m，设置纵横向双向预应力，使其全断面受压，确保安全。交界墩高约40 m，采用空心墩，外尺寸为9 m×4 m，壁厚0.7 m，沿高度方向9.4 m间距处设置1道1 m厚实心隔板。

2.2.3 扣索和背索

扣索由68束单根钢绞线组成，采用Φs=15.2 mm，fpk=1 860 MPa的钢绞线，每根钢绞线最终的设计张拉力为97 kN。实践表明，这种做法有利于分散拱顶锚固力，锚固均匀、可靠。

背索选用32束钢绞线，设在背墙顶端中部和上盘尾端下部之间。每束钢绞线12根，每束背索最终设计张拉力为2 031 kN。实践表明，这样设置的背索传力受力可靠。

扣索与背索穿过砼结构区域都预埋钢管，要求待张拉脱架前再穿索张拉，不要在浇筑砼的同时预埋钢索，以避免钢索长期外露锈蚀。为确保交界墩背墙的安全，扣索及背索张拉时要求分五级对称交替张拉到位再实现脱架。由于张拉设备轻便，张拉操作方便，1个转动体系4～6 h即可完成转体。

2.2.4 球铰及环道

本桥转动体系质量6 006 t，采用C50普通钢筋混凝土球铰(图4)，直径2.6 m。相比钢球铰，普通钢筋混凝土球铰制作工艺简单，成本低廉，使用可靠，转动平稳、灵活。目前，国内运用普通钢筋混凝土球铰转过最重的转动体系质量为9 000 t，球铰直径3.5 m，为2012年4月建成的苏州吴江跨高速公路立交桥。该工艺基于“中心承重转体”的设计构思，不用精密加工的镀铬钢板和不锈钢板组成的钢环道，而是只需直接在下盘顶面环道位置将混凝土道面标高误差控制在2 mm内，并打磨光滑即可，环道宽度1 m，环道以外下盘顶面标高要求控制在2.0 cm内。

图4 砼球铰构造及配筋

2.3 转动设施细部构造设计

2.3.1 上转盘细部构造设计

目前，常规设计上转盘构造见图5，本桥上转盘构造见图6。鉴于以往经验，施工时部分转动体系重心向转出桥体侧偏移，基于“中心承重转体”的理念，需用千斤顶顶上盘前缘及撑脚以平衡重心前移的偏心距，以便进行转动体系复位及相应调整主拱标高。由图5可以看出，常规设计上盘前缘距离球铰中心的距离较近，千斤顶作用力臂较短，故转动体系复位需较大作用力。而本桥设计加大了上盘前缘距离球铰中心的距离，同时对应增加了沿环道方向撑脚的距离，将其由0.5 m加大到0.8 m。并且原先只在距离撑脚下0.6 m范围外包钢板，现改为整个撑脚均外包1.6 mm钢板。撑脚作为千斤顶驱动转体的作用点，本次对撑脚的设计提高了其强度及抗裂性能。

图5 常规设计上转盘构造

图6 本项目上转盘构造

2.3.2 劲性骨架细部构造设计

鉴于拱脚段杆件内力较大，拱脚附近斜腹杆采用交叉腹杆(图3)。为加强腹杆平面外的稳定，受力较大的拱脚区域(1/8拱长)、拱顶扣索锚固区域(1/8拱长)腹杆增焊了钢筋，加大单杆件的抗弯刚度，以增强该区域腹杆稳定，如图7所示。

图7 腹杆焊接钢筋大样

3 桥梁计算

本桥主要进行了以下计算：1）转动体系质量及重心位置计算；2）各施工阶段及成桥主拱整体及局部构件稳定、强度、裂缝、变形计算；3）扣索、背索应力计算；4）交界墩的强度及裂缝计算；5）上转盘强度及应力计算。转动体系重量是转体体系设计的重要指标，重心位置的计算是确保实现“中心承重转体”的思想的关键。转体阶段劲性骨架的稳定计算以及各阶段主拱的计算要求与其它拱桥计算类似。扣索与背索、交界墩、上转盘的计算与转体工艺息息相关，扣索、背索张拉时要控制背墙、上盘各断面的应力状态和背墙顶部位移，尽量让背墙处于全过程均匀受压。上转盘设计了双向预应力，要求砼有一定的压应力储备。

4 结语

南渡江大桥于2015年7月开工建设，2018年7月30日正式通车。本桥采用有平衡重转体施工很好地解决了山区低等级公路中特大跨度桥梁施工困难的难题。该工艺安全又经济，既保证了质量，又方便了施工，获得良好的社会、经济效益。本桥作为国内目前用有平衡重转体工艺建造的最大跨度的公路钢筋混凝土箱型拱桥，其设计思路可作为同类桥址修建大跨度桥梁提供借鉴。