跨越既有繁忙铁路连续梁转体施工关键技术*

户东阳，周 昆，陈玉峰，保 亮

(中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，云南 昆明 650200)

0 引言

随着我国交通事业的飞速发展，越来越多的桥梁需跨越既有公路与铁路运输线，转体施工技术使大型桥梁能够在不影响既有线路运营的条件下完成安全施工，提高了施工效率，保障了施工安全，在我国桥梁施工中的应用越来越广泛[1]。

1 工程概况

渝昆高铁八家村2号特大桥为双线高速铁路桥，线路全长5 098.785m，里程范围为DK692+284.403—DK697+383.188，线路于DK693+293.7处上跨既有沾昆铁路及部队进库专用线，故采用(70+128+70)m连续梁转体施工方案。该桥转体梁段为预应力混凝土连续箱梁，21，22号桥墩分别位于沾昆铁路两侧路堑，采用“平行既有铁路现浇墩身及梁段”与“连续梁顺时针转体合龙”双幅施工方案，连续梁转体后于沾昆铁路上方进行“先边跨、再中跨”的形式合龙，单幅转体梁长126m，转体角度38°。八家村2号特大桥转体梁段总体布置如图1，2所示。

图1 八家村2号特大桥转体施工梁段立面(单位：m)

图2 八家村2号特大桥转体施工梁段平面(单位：m)

2 施工方案与难点

2.1 施工方案

八家村2号特大桥21，22号墩位T构采用墩底水平转体方法施工，流程如下。

1)在平行于既有沾昆铁路线方向进行施工，首先浇筑21，22号墩位球铰系统的先浇部分下盘混凝土，然后安装转体下球铰，最后浇筑后浇部分下盘混凝土，并制作用于牵引千斤顶拉索的滑道。

2)下球铰体系安装完成后，首先安装转体上球铰，并开展转动试验，随后浇筑球铰上盘，并埋设撑脚和千斤顶牵引索。

3)临时锁定上、下盘，完成球铰系统临时封固，然后制作墩身浇筑模板，并采用现浇法对21，22号墩体进行施工。

4)采用轻型挂篮悬灌法对连续梁各节段进行施工，并对梁上附属设施进行安装，完成转体T构主体结构施工。

5)释放上、下盘临时锁定，根据T构平衡需要，在梁上加相应配重，使T构两侧质量相等，安装牵引反力座和连续张拉千斤顶，做好转动准备。

6)清理球铰、施工场地及施工障碍物，然后启动连续张拉千斤顶，实施转体。

7)调整连续梁线形，优先满足梁端合龙口高程，合龙边跨梁体，连接上、下盘间的钢筋，封固上、下盘。

8)拆除预先设置在球铰系统的临时支承，合龙中跨连续梁，完成全桥施工。

转体系统布置如图 3，4所示。

图3 转体系统立面(单位：m)

图4 转体系统平面(单位：m)

2.2 施工难点

1)T构转体系统位于下承台和墩底之间，其间距不足1m，同时需设置转体球铰、临时固结支座、撑脚及预埋钢筋等结构，空间狭小，工序复杂，施工难度大。

2)球铰结构受力需有一定的安全储备，转体过程中需严格控制摩擦力矩及牵引力，同时设置制动距离，以防梁体超转，施工精度要求高。

3 施工关键技术

3.1 撑脚设计与施工

为降低T构在转体时因两端悬臂梁体不平衡受力而产生的倾覆可能性，在上盘底面沿距离销轴中心3.95m位置处的圆周上等间距布置8个半径为35cm的撑脚，同时为增加撑脚结构稳定性，采用钢管混凝土进行撑脚施工，钢管材质为Q345D，其内部填充C50微膨胀混凝土。此外，为降低撑脚底面与滑道之间摩擦力的影响，施工时需在钢管混凝土下方铺设钢走板，同时在走板下方布置四氟乙烯板，增加转体稳定性[2]。

3.2 滑道设计与施工

滑道为球铰系统带动T构转动提供摩擦面，根据设计取滑道外径为4.8m、内径为3.95m，在下承台施工时需精确定位并预埋滑道骨架[3]，将2.4cm厚环形钢板通过螺栓与骨架连接，并调整高度至设计位置，同时保持撑脚与滑道间的缝隙长度为6～8mm。

3.3 球铰系统设计与施工

球铰系统是T构转体的核心，在实际转体时作为中心承重结构，承担上部结构重力，并在牵引力作用下完成转动，故其强度须满足转动体系承载要求。T构在转体时会受天气及施工工艺等因素影响，进而增加倾覆概率。为降低施工时外部因素的影响，应在设计球铰时使其具有一定的安全储备。

21，22号墩转体T构净重均为95 256kN，按20%安全储备考虑，转体结构球铰设计竖向承载力采用120 000kN(净重)，球铰转盘半径计算公式为：

(1)

式中：R为球铰转盘半径；G为球铰设计竖向承载力；k为球铰接触面折减系数，取0.65；σ为球铰转轴轴心抗压强度。

转体结构上盘采用C50混凝土浇筑，下盘采用C35，C50混凝土分层浇筑。与球铰接触面相接部分均为C50混凝土，其轴心抗压强度为23.1MPa，计算得球铰半径为1.6m。

综合安全储备及使用安装等因素，采用LQJ130000型球铰进行施工，球铰竖向承载力为130 000kN，将其球面半径与平面半径分别设定为8，1.7m。球铰球面板采用Q345钢板，为减小球铰在转体过程中产生的摩擦力，需在上、下球铰之间填充LR516型聚四氟乙烯复合夹层滑片。为保证施工精度，需严格按照滑片编号进行布设。此外，为在上球铰不锈钢板与聚四氟乙烯滑片间形成滑动面，需将黄油四氟粉填充至下球铰凹球面聚四氟乙烯滑片之间，使上、下球铰接触面保持密贴[4]。为防止球铰系统在施工过程中受其他因素影响，需设置Q235钢板加强肋，同时设置45号锻钢销轴。

3.4 转体结构受力分析

1)启动牵引力计算

T构正式转体前将启动牵引千斤顶，此时球铰转动阻力主要通过滑动面之间的静摩擦力产生[5]，转体结构设计启动牵引力矩及对应的牵引力为：

M1=T1D1=2FμR/3

(2)

T1=2FμR/(3D1)

(3)

式中：M1为设计启动牵引力矩；T1为设计启动牵引力；F为转体结构总重力，此处取球铰设计竖向承载力；μ为静摩擦系数，根据文献[6]取为0.1；R为球铰平面半径；D1为牵引力力偶臂。

本研究D1=9.6m，计算得M1=13 600kN·m，T1=1 416.7kN。

2)正式转动牵引力计算

T构在正式转动过程中，球铰滑动面间的阻力主要由动摩擦力产生[7]，根据设计取动摩擦系数为0.06，牵引力力偶臂不变，计算得正式转体牵引力矩M2=8 160kN·m，对应的牵引力T2=850kN。

3.5 牵引设备选择与布置

在球铰系统上盘预埋2根12φs15.24钢绞线，标准强度为1 860MPa，单束面积约为140mm2，锚下控制应力为1 395MPa，计算得单根钢绞线容许拉力为2 343.6kN，动力储备系数约为1.7。

在转体过程中，需将2根钢绞线在分离索道后沿上盘缠绕2圈。其与千斤顶相接后，需按照由内至外的原则将钢绞线逐根拉紧，然后控制预紧力逐步下降。当预紧力稳定后，通过千斤顶对钢绞线进行整体拉紧，从而保证同一束牵引索上的每根钢绞线均保持相同的受力状态。

3.6 惯性制动距离分析

为防止梁体超转，需在转体梁的端部达到设计位置一定距离前停止牵引系统，此时转体梁将在惯性力作用下继续转动，球铰系统滑动面的动摩擦力将产生阻力，使梁体逐渐停止转动。故在牵引系统停止时，应规定限制距离，以防梁体超转[8]。将转体时的T构视为沿着2/3倍球铰半径做圆周运动的刚体(净重120 000kN)，根据能量守恒定理，当T构由动变静时，球铰接触面上摩擦力做的功应与转体动能相同。转体梁跨径为126m，则转动半径为63m，梁端设计线速度为1.5m/min，计算得球铰2/3倍半径位置处的线速度为0.018m/min，动能为19.4kJ，动摩擦力矩作用下转动角为0.002 4rad，梁端中心线与线路中线距离为0.151m。

为便于对转体梁实现精确控制，当转体梁端部与设计位置的距离为1m时采用点动操作，通过与施工现场测量人员配合，对转体梁实现精确控制，确保梁体转动至设计线位置。

3.7 平衡控制措施

为防止超转，在进行T构转体前应开展称重试验，测定结构平衡情况，同时在两侧梁端设置水箱，根据实际转体需要对水箱设置配重，进而确保转体T构整体平衡。

4 水平转体施工

4.1 下球铰体系施工

1)进行钻孔灌注桩施工，靠近既有线侧采用钢轨桩防护开挖，并做好施工安全防护，避免对既有铁路正常运营产生影响。

2)浇筑下承台，同时安装球铰骨架。为降低水化热的影响，同时保证下承台基础体系具有可靠的抗压强度，对下承台由上至下分别采用C50，C35混凝土浇筑，使下承台裂缝及变形得到有效控制。此外，为使T构在转体过程中保持稳定及良好的线形，浇筑下承台时应按设计要求对下球铰骨架进行精确预埋，施工过程中应将下球铰骨架顶面与球铰平面的相对高差分别控制在5，0.5mm以内。

3)浇筑下承台剩余混凝土，安装滑道。在滑道上铺设聚四氟乙烯复合滑片，控制其标高及平整度达到设计要求。

4.2 上球铰体系施工

1)安装球铰摩擦副，精确吊装定位上球铰。在安装时根据设计转体角度对撑脚位置进行精准定位，现场监测人员对撑脚与球铰应力测试设备预埋情况进行核对。撑脚安装完成后，对上球铰与下球铰体系进行定位，使两部分的形心轴均与转动轴心重合，并将误差控制在1mm以内[9]。

2)浇筑上盘部分混凝土，并对牵引索锚固端进行预埋。上盘在转体过程中受T构压力与千斤顶牵引力作用，通过整体浇筑C50混凝土，使其具有可靠的强度。上盘施工时，应避开上套筒部分对铰盘布设钢筋，并以撑脚安装范围作为纵、横向钢筋布设范围。

3)临时封固，沿四周临时锁定上、下盘，可用沙箱在撑脚间设置临时支撑，使其满足梁体浇筑抗倾覆、抗转动要求。

4.3 墩身与梁体施工

1)浇筑墩体混凝土，浇筑完成后加强养护，保证墩体具有足够强度。

2)沿既有铁路侧面在梁长范围内设置防护排架，并在上面挂设密目防护网，防止梁体施工时杂物飞入既有铁路范围，影响行车安全，对连续梁沿既有铁路侧面进行悬臂灌注施工，养护至强度满足要求。

3)拆除挂篮及桥面临时荷载，调整配重，以保证待转体T构两端悬臂平衡。

4.4 转体施工

1)调试牵引系统，为保证转体过程顺利进行，需做好防倾覆相关措施，并解锁上、下盘之间的临时锚固，同时对滑道进行清理，确保现场无影响平转的相关障碍物，保证球铰顺利工作。

2)启动牵引系统，使T构在牵引力作用下进行转体，现场测量人员对转体过程进行全程监测，保证转体过程能够平稳、安全地进行。

3)当梁端中心位置距离设计线路中心1m时，采用点动操作，通过测量剩余转体弧线长度实现精确转体[10]。当转体基本到位时，应对转体梁端部位置进行微调，使整个梁段线形达到设计要求，并对上盘结构进行锚固。

4.5 合龙

1)浇筑边跨现浇段，锁定边跨合龙段，清理转盘表面，浇筑转盘封固混凝土，进行边跨合龙。

2)安装跨中合龙支架，合龙中跨，完成梁体施工。

3)桥面铺装，完成全桥施工。

4.6 转体系统封固

1)对上、下盘进行封固，防止因风荷载或其他外部因素导致梁体结构发生位移。

2)在牵引盘四周布置钢筋，并接长下盘预留钢筋，从而构造纵、横向立体钢筋网格体系，完成连接钢筋焊接后进行后浇混凝土施工，使上、下盘成为整体，保证T构稳定性。

5 结语

1)对球铰直径、牵引系统受力及制动距离等参数进行计算，使转体系统具有一定安全储备，防止施工过程中因超出承载范围导致转体受阻。

2)进行水平转体施工前，应根据各构件实际安装需求制定完善详细的施工方案，保证球铰体系安装精度达到要求，保证梁体平衡措施准备到位，保证转体过程平稳进行。

3)在既有繁忙铁路上进行连续梁转体施工，可提高施工效率，降低施工风险，节约施工成本，降低对既有繁忙铁路的影响，具有经济、社会效益。