大跨度钢箱梁转体桥施工技术

孙新锋

（中铁十四局集团公司第一工程发展有限公司，山东日照 276800）

1 工程概况

青岛市新机场高速连接线3 标段（双埠-夏庄段）主线的钢箱梁自西向东依次跨越胶济货线、胶济客专双线、青荣城际双线、机场专用线6 条既有铁路。钢箱梁桥采用的事墩梁固结体系，结构形式为跨径2×120m 的T 构桥，分幅错位布置。采用转体的施工工艺，转体前平行于铁路线方向采用支架拼装焊接完成，再采用临时索塔进行临时拉索对称张拉，拉起大小里程梁端拆除支架，逆时针双幅同时转体90°[1]。

转体结构按设计包含上下承台、球铰、上转盘、转体牵引系统。

1.1 上下承台

上下承台是承载转体桥上部结构的重要基础部分，桥梁转体完成后，上下承台与上转盘进行锁固，形成整体基础。上承台顶面安装转动系统的下球铰、环形滑道、转体拽拉千斤顶反力座及牵引反力座等。

1.2 球铰

转动体系的核心球铰半径2.0m，球面半径799.2cm，设计竖向承载力为110000kN。

1.3 撑脚与环形滑道

撑脚是转体桥实施转体时，能够支撑保持平稳的保险支腿。在撑脚的下方（即下盘顶面）设有1.13m 宽的滑道，转体时撑脚在滑道内滑动，保证转体结构平稳。

1.4 转体上转盘

上转盘是转体桥的主要结构，在实施转体时处于一个多向、立体的受力状态，转盘为上球铰、撑脚与上转盘相连部分，也是转体牵引力直接施加的部位。转台内预埋P 型锚转体牵引索，每根索埋入转盘长度大于4.5m，每对索的出口于转盘中心对称布置。

1.5 转体结构总重量

转体总重量W 为73384kN。

2 球铰滑道安装

2.1 球铰滑道简介

如图1 所示，转体球铰主要由下球铰支架、滑道及撑脚、上球铰、下球铰、转轴等主要构件组成。

图1 转体结构球铰滑道组成

2.2 安装工序

下球铰支架、下球铰及上球铰采用分部吊装、分层定位的安装方法。具体先后顺序为：先安装下球铰支架，接着安装下球铰及转轴，最后安装上球铰[2]。

滑道采用工厂制作，现场拼装的方式进行组装。在硬化场地，先组装好滑道骨架，再整体吊装至设计要求的位置。撑脚在施工上转盘时进行安装。

2.3 安装工艺

2.3.1 预留基坑

按设计图要求在承台顶面预留球铰及滑道的安装基坑，本工程的基坑深度1.35m。球铰中心为圆心，3.9m 半径为中心预埋长1m 的10#槽钢，槽口向下均布等分8 块，作为滑道骨架定位支撑；以球铰中心为圆心，按设计方向在下球铰支架的4 个支撑点处预埋边长200mm 左右钢板，用于下球铰骨架的定位及加固，预埋槽钢和钢板与下承台钢筋网焊接相连。基坑内按下承台钢筋布置图预埋竖向主钢筋，横向钢筋在滑道及下球铰支架安装完成后再布置[3]。

2.3.2 滑道拼装

为提高工作效率，左右幅滑道支架都在平整场地进行拼装，采用直径16mm 钢筋拼装焊接成拼装基础，基础直径参考滑道支架安装直径，基础顶面钢筋采用水准仪调节标高，滑道支架底面角钢面与顶面钢筋面持平，利用钢筋平台进行平拼装滑道支架，如图2 所示。拼装完成后采用10#槽钢做支撑，整体吊装至基坑。

图2 滑道拼装吊装

2.3.3 测量控制

采用精度达0.01mm 的数字水准仪和配套塔尺进行下球铰顶面标高测量，同时用4 台3t 油压千斤顶进行标高调整。

滑道板全部铺设完后，利用电子水准仪和水平尺对滑道板逐件较准、调平。滑道板顶面标高误差不超过2mm，相邻滑道钢板拼接边缘高差不超过0.5mm，使滑道平面的标高符合设计要求。

2.3.4 下球铰混凝土施工

在混凝土浇注前要打开下球铰设计的振捣孔，并用塑料布将滑板面遮挡好。浇注时从下球铰的一侧浇筑混凝土，通过下球铰面向另一侧流动，在每个振捣孔处固定1 台振捣棒，振捣时间不得少于5min，充分振捣。下球铰侧面辅以斜向振捣棒，通过振捣孔观察盘下混凝土振捣质量。

2.3.5 安装上球铰

首先对球面进行清洁，并保证上球铰安装过程中无任何杂物掺入球面，进而影响上下球铰之间摩擦阻力，上下球面之间填充润滑油脂。下球面包含多个滑块，在滑块之间的和滑块顶面均匀涂抹润滑油脂，涂抹厚度以高出滑块表面约3mm 为准，对定位轴同样进行涂抹，确保能够填满上下球铰之间的间隙。

对上球铰的地面进行清理，保证球面光洁，待润滑油脂填充完成后，马上吊装就位上球铰，吊装定位过程需人工配合，定位过程要缓慢、轻放，就位后人工对上球铰正反方向进行试转，使上下球铰充分接触，然后精调上球铰保证与下球铰水平位置一致。精调完成后，使用胶带封闭上下球铰的间隙，如图3 所示。

图3 球铰安装

2.3.6 撑脚安装

按设计要求确定撑脚的具体安装位置。对应撑脚位置处，四角设置钢垫块。撑脚底板处填充2cm 厚石英砂，石英砂选择粒径0.5～1.2mm 的细砂和粒径1.2～1.8mm 的粗砂按照4:6 的比例进行掺合。石英砂填充可适当超出撑脚安装范围，填充后对其压实收平。收平后石英砂顶面可略高于撑脚钢垫块1mm 以内[4]。

2.3.7 施工上承台

按设计图及规范绑扎上承台底层钢筋及外周钢筋，底层钢筋与撑脚焊接牢固。布置完上转盘外圈模板后，布置转体牵引束和锚固。对牵引束外露段，进行防锈、防污处理。

上承台浇注前在上转盘外圆周低于牵引束中心线5cm 处，预埋用于固定牵引束盘绕段的钢筋（φ20，约40cm 长，预埋20cm，外露 20cm，间隔1m）。

上承台浇注时，先灌注C50 微膨胀混凝土于撑脚内。灌注撑脚时，汽车泵泵管距离混凝土顶面距离不宜大于50cm，以减小混凝土浇筑时的冲击。

浇注、拆模、凿毛后，将包扎防护好的牵引束外露段盘绕在上转盘上并绑扎固定。

至此，转体球铰的安装阶段的工作完成，下步施工墩身、梁体，待梁体完成后再进入转体施工阶段，如图4 所示。

图4 上转盘承台施工

3 转体前准备工作

3.1 转体参数计算

3.1.1 牵引力计算

转体总重量G 按110000kN。

转体牵引力计算见式（1）。

式中：R——球铰平面半径，R=2m；D——转台直径，D=8.9m；f——球铰摩擦系数，f静=0.1，f动=0.06。

计算结果如下。

启动过程所需最大牵引力：T1=2f静GR/3D=1647.9kN。

转动所需牵引力：T2=2f动GR/3D=988.8kN。

启动动力储备系数：K1=3500/1647.9=2.1。

转动动力储备系数：K2=3500/988.8=3.5。

满足要求。

考虑撑脚与滑道接触的影响，且撑脚的支撑反力N 不超过2000kN，则见式（2）。

式中：N——转体时撑脚所需最大支撑力，N=2000kN；R撑——撑脚所在位置的回转半径，R撑=3.9m。

计算如下。

启动时所需最大牵引力：T3=2f静GR/3D+f静NR撑/D=1735.5kN。

转动过程中所需牵引力：T4=2f静GR/3D+f动NR撑/D=1041.4kN。

启动时的动力储备系数为：K3=3500/1735.5=2.02。

转动时的动力储备系数为：K4=3500/1041.4=3.36。

满足要求。

3.1.2 钢绞线安全系数

1860MPa 级直径φ15.2mm 钢绞线的标准破断力是260kN。18 根钢绞线的极限承载如下。

18×260=4680kN。

按考虑撑脚撑影响的情况计算结果如下。

启动过程的钢绞线安全系数：K5=4680×0.75/1735.5=2.02。

转动过程的钢绞线安全系数：K6=4680×0.75/1041.4=3.37。

满足要求。

3.1.3 转体时间及牵引速度计算

设计要求的转体速度0.012rad/min 即大约0.69°/min 计算，左幅桥转体角度为91.5165°（含试转角度），则左幅桥转体时间t=91.5165/0.69=132.6min，右幅桥转体角度为90°（含试转角度），则右幅桥转体时间t=90/0.69=130.4min。即理论转体时间大约为133min。

按设计速度计算，牵引速度v1=ωr1=0.012×4.45=0.0534m/min=3.2m/h。当牵引速度达3.2m/h 时，桥体悬臂端线速度为v2=ωr2=0.012×49=0.59m/min。满足桥体悬臂端线速度不大于1.5m/min的规范要求。

3.2 转体设备

牵引系统设备组成（双墩转体）如表1 所示。

表1 牵引系统设备组成（双墩转体）

3.3 称重

3.3.1 目的与内容

实施转体的过程中必须保证转动的平稳性，理论上应保证转体中心支点两端重量一致达到平衡状态。在实际的转体过程中，绝对平衡的梁体悬臂结构会引起结构转动时发生抖动，所以需要称重实验，确定梁体重心偏移量，通过调整配重，将梁体重心调整至合适状态。

3.3.2 测点布置及设备

称重千斤顶、测试仪器布置如图5 所示。

图5 称重千斤顶、测试仪器布置

3.3.3 称重试验及配重方案

以右幅2#墩T 构为例，由称重试验顶升力-位移曲线（图6、图7），根据转动体刚性位移突变法原理，通过理论分析和实测数据计算，称重试验结果如表2 所示。

图6 右幅2#墩纵桥向大里程顶升力-位移曲线（临界值：8300kN）

图7 纵桥右幅2#墩向小里程顶升力-位移曲线（临界值：3000kN）

表2 右幅2#墩称重试验结果

配重方案如下：根据桥梁实际状态，采用平衡配重方案，即在纵桥方向小里程侧距离0#节段中心100m 位置配重10.0t；配重后经复称确定，偏心距为0.005m，偏向大里程侧。

3.4 试转

3.4.1 施工步骤

（1）预紧钢绞线。逐根以1~5kN 的力将钢绞线进行预紧，再用牵引千斤顶对整束钢绞线在2MPa 油压下整体预紧，预紧对称进行，重复数次，保证各根钢绞线的受力均匀，使同一束牵引索各钢绞线持力基本保持一致，预紧过程中应保证所有钢绞线平行水平地缠在上转盘上。

（2）合上主控台及泵站电源。启动泵站，用主控台控制两台连续千斤顶同时施力试转，不能转动时，则采用助推千斤顶同时出力，克服超常静摩阻力，启动桥梁转动，若仍不启动，则停止试转，另行研究处理方案。

3.4.2 试转数据测试

（1）每分钟转动主桥的转动角度及悬臂端所转动的水平弦线距离，应将转体转动角速度为0.01619r/min，钢绞线每分钟走行7.2cm。

（2）试转过程首先转动连续2°，点动控制转动1°点动过程测量惯性力造成的移动距离，以此作为指导正式转体的依据。

（3）点动操作时，测量人员应测量每点动一次悬臂端所转动的水平弦线距离，以为精确定位提供操作依据。

（4）试转过程中，通过应力传感器检查转体结构的平衡稳定性，有无故障，关键受力部位是否异常。如出现异常情况，则应停止试转，查明原因并采取相应措施整改后方可继续试转。

（5）试转过程注意牵引力的变化，如有异常超出正常范围，及时检查转盘是否有杂物卡住撑脚。

（6）试转的角度。转体前小里程方向梁端外侧与青荣线上行线最外侧回流线的最近水平距离为20.118m，每转动1°，梁端横向转动距离为2.01m，为保证试转后梁体与营业线的安全距离，确定试转角度为3°，试转后小里程方向梁端边缘距离接触网回流线距离14.088m。右幅大里程侧距胶济货线15.260m。

3.4.3 试转安全措施

（1）试转前必须按照有资质第三方称配重报告进行梁体配重，实现梁体平衡。

（2）试转后及时撑脚底部钢楔子复原将转体临时固定。

（3）转与正式转体时间间隔不能过长，采取待铁路给点后，在铁路点前两天进行试转。

4 转体

4.1 转体前准备

正式转体前，要通过分析采集试转的各项数据，修正转体实施方案。

双幅同步转体必须做到统一指挥，两侧采用一套监控系统，通过监视系统反映的两幅桥的数据资料进行协调指挥，以达到同步的目的。

4.2 转体实施

（1）首先操控牵引千斤顶达到预定吨位，然后启动动力系统，并使其在“自动”状态下运行。

（2）每个转体的对称千斤顶的作用力要保持大小相等、方向相反，同时保证上转盘无倾覆力矩产生仅承受与摩擦力矩相平衡的动力偶。

（3）设备运行过程中，各操作人员的注意力必须高度集中，重点注意观察和转体各部位和监控动力系统设备的运行情况。如果出现异常情况，必须马上同现场负责人汇报，立即停机处理，待彻底排除隐患后，重新启动设备继续运行。

（4）两墩同时启动，桥梁两侧设同步启动现场指挥员，用对讲机通信指挥。

（5）转体过程中，由测量人员采用全站仪同步观测梁体中线，时刻关注观察桥面转体情况。结构正式转体时梁端每转过5m，测量人员向现场负责人汇报一次，当距终点2m 时，每转过50cm测量组向现场负责人汇报一次，在距终点1m 时，千斤顶连续工作进入“点动”模式，点动时间大约10min，此时测量组再次测量梁体位置，以确定梁体距终点准确距离，然后选择合适的点动距离（试转时测得数据）点动一次，测量组再次测量并反馈，根据的结果再次选择合适的点动距离进行点动，如此循环直至梁体准确就位，点动原则为次数控制5 次，点动时间逐渐缩短。

4.3 转体监测

在转体过程中对各关键参数进行随时跟踪测试，并及时提出预警，确保转体施工的绝对安全，在铁路给定的窗口时间内顺利完成既定的转体施工过程。

（1）转速监控测量：主要仪器——全站仪。

（2）转体结构刚体位移监测：主要仪器——东华振动测试仪（2 个竖向拾振器）。

（3）转体结构的加速度和竖向振幅监测：主要仪器——东华振动测试仪（2 个横向＋4 个竖向拾振器）。

采用梁端竖向振动加速度作为评价转体过程稳定性指标。

大跨柔性钢箱梁桥转体过程稳定性分析：建立考虑轨道不平顺和风荷载作用的接触非线性有限元模型，系统研究环境风速、转体速度和轨道不平顺等因素对转体结构振动特性的关系，建立梁端振动加速度或振动幅值对转体结构稳定性的影响，通过实测数据显示，转体过程中结构梁端的最大竖向振动加速度是28.35mm/s2，小于黄色预警值0.5max=58mm/s2，转体过程安全。通过竖直激光控制转盘角度及全站仪后视转动轮镜坐标相结合的方式精确使钢箱梁一次性转体到位[5]。

5 结语

随着我国铁路基础设施建设的高速发展，为减小上跨铁路桥施工对电气化铁路的影响，转体法施工被更多的地应用于跨线桥施工中，桥梁转体施工也成为一种成熟的施工工艺，本文原有的转体桥施工的基础上又提升了邻近即有线大跨宽幅钢箱梁桥梁的施工技术，对于桥梁施工发展具有重要的实用性和推广价值及广泛的推广应用前景，为涉铁工程的桥梁建设积累一定的经验。