随着我国桥梁施工技术的飞速发展, 转体施工已广泛应用于上跨铁路、公路桥梁施工中。但大多数转体桥为T形刚构桥型, 且桥梁位于直线上。本文以唐山二环路上跨津山铁路等既有铁路立交桥转体施工为例, 介绍了位于非对称曲线梁超大吨位斜拉桥在转体施工中控制要点及针对本工程的特点采取的相应措施, 对类似工程具有很好的借鉴意义。

唐山二环路上跨津山铁路等既有铁路立交桥全长927.5m, 斜拉桥跨径组成为 (34+81) m+115m, 总长230m (见图1) 。主塔为双人字形塔, 总高80.5m, 桥面以下高19.9m, 桥面以上高60.6m。主梁为等高度预应力钢筋混凝土整体箱梁, 梁高1.5m, 标准段箱梁顶宽19m, 主塔处宽16.5m。斜拉索为空间扇形4索面布置, 每索面16对索, 共128根。转体悬臂2×106.5m, 转体吨位33 000t, 是目前世界上最重的转体桥, 转体角度42.055°, 顺时针转动, 两侧设有8.5m的边跨现浇段 (见图2) 。

1) 因转体质量大且箱梁位于曲线及大纵坡上, 对转体球铰、滑道的安装精度, 球铰本身的加工精度提出更高要求。根据设计方及专家要求, 球铰顶面任意两点高差≤1mm, 中心误差顺桥向≤±1mm, 横桥向≤±1.5mm, 滑道局部平整度≤0.5mm, 滑道顶面任意点相对高差≤0.5mm。

2) 主梁平面位于半径6 000m的曲线上, 受曲线影响横向不平衡力矩高达35 000kN·m。因桥梁自身结构主、副跨不对称影响, 纵向不平衡力矩为168 480kN·m, 通过试算, 纵向偏心达到52cm, 桥梁称重所需顶力高达40 000kN, 称重、配重难度大, 因为斜拉索索间距小, 常规配重材料上桥难度大。

3) 因混凝土梁高仅为1.5m, 梁体刚度小, 梁塔姿态调整方法选择极为关键, 调整难度大。

转体系统施工→转体前桥梁主体结构及附属施工→办理要点施工手续→拆除上下转盘临时刚接→清理滑道→清理撑脚石英砂、铺设四氟乙烯滑板→撤除砂箱→水袋预配重→转体前称重→配重调整→转体牵引系统设备安装调试→根据铁路局批准的施工计划进行试转→根据铁路局批准的施工计划进行桥梁转体→锁定→结构姿态调整→上下转盘封固。

转体结构设置在主塔塔柱底部, 由转盘、球铰、撑脚、环形滑道、牵引系统、助推系统等部分组成。

转体系统采用直径为15m的环形滑道, 重达26t, 且安装完成后滑道顶面任意两点相对高差≤0.5mm。施工中, 使滑道钢板朝下、骨架朝上进行整体拼装, 拼装焊接完成后复核整体尺寸, 安装滑道钢板底层钢筋。将滑道临时加固, 采用汽车式起重机整体翻转使滑道钢板正面朝上, 然后吊装对中就位。采用电子精密水准仪测量进行平整度精调, 调节滑道上与钢板连接的螺栓实现滑道整平。精调完成后, 焊接滑道钢板拼缝, 铺设不锈钢板作为滑道顶面, 不锈钢板与滑道钢板断续焊接, 确保密贴牢固 (见图3) 。

因其转体吨位大、球铰安装精度高, 为方便球铰安装, 保证安装精度, 采用底座板+球铰形式。下承台混凝土浇筑完成后安装底座板, 底座板的安装精度控制是整个转体球铰安装的关键, 通过对底座板位置进行精调, 上、下球铰直接落在已调好的底座板上。

清理底座板顶面, 安装剪力键, 安装中心销轴, 调整好垂直度与孔周边间隙。吊装下球铰直接落在已调好的底座板上, 球铰底面卡槽与对应的剪力键对位落下, 使底座板与下球铰中心重合。

在下球铰上按编号由内到外安装聚四氟乙烯滑动片, 对号入座。聚四氟乙烯片尺寸为, 共2 636块。安装完毕后, 各滑动片应位于同一球面, 其误差≤1mm。黄油与聚四氟乙烯粉按质量比120∶1配制搅拌均匀, 填满聚四氟乙烯滑板之间的间隙, 并略高于滑动片顶面, 保证滑动片顶面有1层聚四氟乙烯粉黄油。吊装上球铰平稳落在下球铰上, 调整使上、下球铰中心重合。转动上球铰, 顺时针、逆时针各2圈, 挤出多余的黄油, 使四氟乙烯滑动片和上球铰贴合良好 (见图4) 。

撑脚是转体时支撑转体系统平稳的保险腿, 转体时撑脚可在滑道内滑动, 同时也能承受转体过程中的不平衡力, 以保持转体系统平稳。转动体系有8组撑脚, 撑脚钢管内填充C55微膨胀环氧混凝土, 撑脚底与不锈钢板间预留30mm间隙。在撑脚底部与滑道不锈钢板间放置由角钢做成的一个方框, 内填炒干的石英砂, 摊铺厚度30mm, 把撑脚水平地安置在石英砂上。砂箱由直径1m钢管制成, 布置4组共12个砂箱, 安装时要确保砂箱底面与顶面平整, 砂箱竖直, 确保轴向受力。同时, 进行牵引反力座及千斤顶反力座施工。

上转盘是球铰、撑脚与上盘相连接的部分, 又是转体牵引力直接施加的部位。施工时预埋转体牵引索, 预埋端采用P型锚具。每根索埋入转盘长度>4m, 每对索的出口点对称于转体中心。牵引索外露部分圆顺地缠绕在转体周围, 互不干扰地搁置于预埋钢筋上, 并做好保护措施, 防止施工过程中钢绞线损伤或生锈。

清除撑脚与滑道间的石英砂, 清理时沿桥轴线方向对称清理。对滑道与撑脚之间的预留空隙利用高压风清理, 将滑道两侧所有杂物及灰尘采用吸尘器清理干净, 对撑脚在转体范围内所经过的路径进行检查, 提前清除可能擦脚的障碍。同时, 将撑脚统一编号, 标记并量测记录撑脚与滑道间的距离。

在撑脚底与滑道顶的间隙中垫5～10mm厚聚四氟乙烯滑板, 尽可能减小滑道与撑脚间隙, 并涂抹长城锂基脂润滑油。

因转体吨位大, 为抵抗施工中的不平衡力矩, 砂箱设置在转盘边缘位置。预配重完成后拆除砂箱, 拆除时按顺序编号依次对称拆除, 进行体系转换。

因转体吨位大, 经理论计算, 转体选用2台450t型、2台200t型液压、同步、自动连续牵引系统, 对2套主控台设定相同线速度参数, 协调同步作业, 并对设备进行调试, 技术新颖, 同时转体设备采用二路电源供电。

牵引力计算如下。

摩擦力计算公式:

F=W·μ (1)

转动牵引力计算:

T=2/3 (R·W·μ) /D+N·μ·R_撑/D (2)

式中:R为球铰平面半径;W为转动总质量;D为转台直径;μ为球铰摩擦系数, μ_静=0.1, μ_动=0.06;N为转体时撑脚支撑力;R_撑为撑脚半径。

把钢绞线的一端逐一从后顶尾部穿心孔内穿入, 钢绞线不能交叉、打绞或扭转。先逐根对钢绞线预紧, 预紧力5kN, 再用牵引千斤顶对该束钢绞线整体预紧, 使同一束牵引索各钢绞线持力基本一致。

因桥梁主跨与副跨结构差异, 导致桥梁纵桥向两侧自重不平衡, 需先进行理论配重以克服不平衡力矩, 减小称重所需顶力。根据主、副跨混凝土实际浇筑方量, 可计算出不平衡力矩M_G和偏心距e。

不平衡力矩:

配重前转动体理论偏心距:

理论配重:

式中:G₂为副跨一侧梁体重力;G₁为主跨一侧梁体重力;L₁, L₂为主、副跨梁体距转动球铰几何中心的距离;G为转体质量;e₁为配重后转动体理论偏心距 (取5cm) ;L₁为配重位置距球铰中心距离。

称重时在上转盘下方布置多台千斤顶, 对转动体进行顶放, 在每台千斤顶上设置荷重传感器, 测试试验过程中支点的支反力值。同时, 在上转盘四周布置多个百分表, 用以测量转动体在称重试验过程中的位移。称重完成后绘制出顶力与位移的关系曲线, 计算出不平衡力矩、偏心距、摩阻力矩及摩擦系数 (见图5) 。

称重完成, 根据称重试验结果对配重进行调整, 使桥梁偏心距满足5cm要求。配重调整质量为:

式中:G₁为配重调整质量;L₁为配重中心距球铰中心距离。

出于安全考虑, 按配重调整完成后的不平衡力矩由撑脚全部承担考虑, 计算撑脚支撑力, 根据撑脚受力情况, 选用抗压强度满足要求的聚四氟乙烯滑板。

式中:N为撑脚支撑力;R₁为受力撑脚至球铰中心距离;M_G2为配重调整完成后不平衡力矩, 按偏心距5cm考虑。

P=N/A (8)

式中:P为受力撑脚的平均压力值;A为受力撑脚面积。

通过试转确定牵引设备、转体系统是否能安全运转以及确定各项运行参数。试转时, 做好以下重要数据的测试工作: (1) 每分钟转速; (2) 点动时悬臂端所转动水平弧线距离; (3) 惯性位移值; (4) 启动牵引力; (5) 转动牵引力。试转过程中应检查每个撑脚与滑道的接触情况以及聚四氟乙烯滑板随撑脚的走行情况。试转完成后, 在每个撑脚与滑道钢板之间采用铁楔楔紧、固定。试转结束后, 分析采集的各项数据, 整理出控制转体的详细数据。

正式转体过程中测量人员反复观测塔柱轴线偏位、梁端高程变化, 并及时与第三方监测单位沟通。设备运行过程中, 各岗位人员的注意力必须高度集中, 时刻监控牵引设备的运行情况及桥梁转体情况。整个转体施工过程中, 加强对滑道聚四氟乙烯滑板的观察, 始终保持撑脚下方有聚四氟乙烯滑板。根据转台上标识的转角刻度及测量梁面轴线双控。在转至距离设计位置2°左右时, 停止转体, 待惯性位移结束后, 采取点动精调。点动精调时降低牵引线速度, 通过采取试转时所确定的2～10s点动梁端位移参数, 以不同点动时间的组合完成精确就位。在距设计轴线位置20cm时, 测量人员实时监测、实时报数, 直至桥梁轴线精确就位。

梁体中线到达设计位置后, 在撑脚与滑道钢板之间采用铁楔楔紧、固定, 防止梁体在外力作用下摆动, 并在边跨现浇段处将伸入梁底的支架对悬臂端进行支顶, 保证转体后梁体结构稳定 (见图6) 。

桥梁转体完成后, 为保证桥梁结构内力及成桥线形要求, 需对转体桥进行姿态调整。调整的原则为先确保塔柱轴线在允许范围内, 再调整梁体线形及内力。

结构姿态调整, 调至设计位置后, 立即进行上、下转盘封固施工, 凿毛、清洗底盘上表面, 焊接预留钢筋, 立模浇筑封固混凝土, 上转盘施工时预留下料孔洞, 并在支模时将转盘四周模板设置成簸箕形且高于封固面0.2m左右, 采用自密实无收缩混凝土进行转盘封固浇筑, 使上转盘与下转盘连成一体。

1) 为了满足大球铰的加工及安装精度, 球铰采用整体铸造工艺, 球铰分成底座板、下球铰、上球铰3部分。通过精调螺栓对底座板进行精调, 采用高精度电子水准仪测量底座板上任意两点高差≤0.1mm, 上、下球铰直接落在已调好的底座板上, 结果表明:球铰顶面任意两点高差0.1mm, 纵横桥向中心误差0.3mm, 达到设计要求精度。

2) 安装球铰时, 将球铰中心向曲线内侧设预偏心距12cm, 保证球铰中心与上部结构合力中心线重合, 以解决横向35 000kN·m不平衡力矩问题。

3) 结构本身不平衡造成纵向偏心距为52cm, 在保证滑块受力不压坏的情况下, 通过试算要求最大允许偏心距为5cm。称重所需顶力为40 000kN, 因布置千斤顶的位置有限, 单边最多布置10台千斤顶, 为了确保上转盘混凝土局部承压在允许范围内, 单顶荷载≤3 000kN。为了解决称重难题, 在主跨侧100m位置先进行理论配重170t, 使桥梁纵向理论上达到平衡状态再进行称重, 最后根据称重结果再进行调整配重。

4) 利用水袋配重, 解决了因桥梁左、右幅横向宽度大, 邻近铁路营业线施工场地狭小吊装难的问题, 解决了斜拉桥吊装配重时斜拉索干扰问题。同时, 水袋配重具备快捷方便、操作简单等特点, 相比于常规采用的混凝土预制块或钢材配重具有明显优势。

5) 因斜拉桥梁体刚度小, 采取常规的从梁端进行顶升的方法进行姿态调整将会出现梁端变形很大, 梁体内力超限, 塔的垂直度无法调整的问题。因此, 采取转体完成后配重不卸除进行姿态调整, 姿态调整时既要保证梁体的线形, 也要保证主塔的垂直度。

转体施工前后采集转体体系转换前、体系转换后、配重前、配重后、配重调整后、转体完成主塔及主梁测点数据, 通过对比分析确定出姿态调整方案。转体前配重完成后实测撑脚与滑道间隙并记录撑脚编号数据, 转体完成后再次测量撑脚与滑道间隙, 对应同一撑脚与转体前数据进行比较, 姿态调整时作为辅助参考依据并提前预警, 防止顶过。

根据测量数据, 对体系转换前与体系转换后塔柱测点对比分析, 对配重前与配重调整后塔柱测点做对比分析。得出塔柱向配重一侧偏移值A。配重调整完成的塔柱测点按实际转体角度计算出坐标数据与转体完成后实测对比, 主塔向左偏移值B, 向副跨一侧偏移值C。根据数据分析, 姿态调整时横桥向需在转盘左侧布置千斤顶, 使塔柱向右偏移B。纵桥向需在转盘副跨侧布置千斤顶, 使塔柱向主跨偏移 (A+C) 。

参照称重结果, 计算出施加顶力, 进行千斤顶布置。采取先调整横桥向姿态, 再调整纵桥向。姿态调整前再次采集撑脚与滑道钢板之间的空隙标记并记录初始值, 复核塔顶监测点坐标与梁面两端高程。解除撑脚与滑道间的铁楔, 在转盘右侧对应撑脚位置下垫好一定厚度铁片 (防止顶过) 。千斤顶安装完成后, 先调整横桥向位置, 左侧千斤顶同步供油施力, 同时观测撑脚位置变化与塔柱监测点指导调整至横桥向设计位置, 测量撑脚与滑道钢板之间的空隙记录。

横桥向位置调整完成后, 将横桥向对应的2个撑脚中间采用铁楔销紧, 退顶。在主跨一侧对应撑脚位置下垫一定厚度铁片防止顶过。采用副跨一侧的千斤顶调整纵桥向偏位, 测量观测塔柱监测点指导调至纵桥向偏向主跨一侧一定偏移量A。采用铁楔销紧固定, 退顶。姿态调整完成后, 再次复核数据, 确认无误后, 将撑脚与滑道全部采用铁楔固定。将主跨水袋配重全部放水卸载, 复测塔柱测点, 与转体配重前按实际转体角度计算的坐标值基本一致。复测梁端高程数据, 误差符合规范要求。

本文以目前世界上最重的转体桥为背景, 主要探讨了大吨位转体桥在施工各环节的技术控制要点与难点问题的解决措施。转体系统通过球铰整体铸造并增设底座板以达到球铰安装精度控制的要求;通过设置横向预偏心以解决桥梁位于曲线上引起的不平衡力矩;因桥梁主跨与副跨结构差异, 导致桥梁两侧自重不平衡, 纵向偏心大, 受转盘尺寸及千斤顶布置影响, 采取常规先称重后配重的方法无法进行称重试验, 采取先理论配重, 减小桥梁纵向不平衡力矩, 保证结构稳定, 再进行称重试验, 称重后再进行配重调整, 安全性高, 技术新颖。通过采用2套千斤顶牵引方式, 解决超大吨位转体启动力大的问题, 同时对主控台设定相同线速度参数以解决4台千斤顶同步作业问题。转体前后通过采集各工况下的测点数据, 对比分析确定出转体完成后的姿态调整方案, 保证主梁轴线的同时保证桥塔垂直度。以上措施在本工程中取得良好效果, 可供同类工程参考。