太原澗河轉(zhuǎn)體立交橋施工技術(shù)

李縱

（中交一航局第三工程有限公司，遼寧 大連 116083）

0 引言

隨著交通工程建設(shè)的發(fā)展，公路與公路、鐵路相互跨越或公路跨越山間溝谷而修建的跨線橋工程日益增多[1]。轉(zhuǎn)體施工是解決上述問題的新技術(shù)之一，將梁體在偏離橋位軸線一定角度處制作，形成整體或半整體結(jié)構(gòu)后，再利用轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)使橋體轉(zhuǎn)動后與設(shè)計軸線相吻合，最大限度減小對既有線路的影響和減小跨山谷施工的難度。

轉(zhuǎn)體施工包括平面轉(zhuǎn)體及垂直轉(zhuǎn)體。垂直轉(zhuǎn)體在過往的拱橋或斜腿剛構(gòu)橋中多有采用，但跨度受到一定的限制。平面轉(zhuǎn)體施工技術(shù)近年來得到很大發(fā)展，其中轉(zhuǎn)體的長度和重量分別達(dá)到182 m（北京市西六環(huán)跨豐沙鐵路斜拉橋）和171 500 kN（鄭州市中心區(qū)跨鐵路橋）。

太原市澗河路立交橋跨越鐵路石太線、石太客運(yùn)專線，采用轉(zhuǎn)體法施工。北幅主線轉(zhuǎn)體墩位于既有鐵路東側(cè)，上部結(jié)構(gòu)為（63+70）m預(yù)應(yīng)力混凝土T型鋼構(gòu)，其中，轉(zhuǎn)體部分跨徑組合為（56.5+63.5）m，橋梁為整幅設(shè)橋，由三幅組成，采用平面轉(zhuǎn)體施工。

施工中使用轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)將整個橋梁結(jié)構(gòu)分為上、下兩部分：上部分為轉(zhuǎn)動體部分（上轉(zhuǎn)盤），下部分為固定部分（下轉(zhuǎn)盤），其間以球鉸轉(zhuǎn)軸為轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)動部分的重量通過球鉸傳遞至下部結(jié)構(gòu)。通過預(yù)埋的平面力偶牽引系統(tǒng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩克服球鉸摩阻力矩，使上部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動到位。最后施工合龍段，轉(zhuǎn)換橋梁結(jié)構(gòu)受力體系。工藝流程圖見圖1。

1 轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)

對大噸位的轉(zhuǎn)盤，球鉸轉(zhuǎn)動接觸面更趨向于使用不銹鋼和聚氟乙烯板結(jié)合的接觸結(jié)構(gòu)。不銹鋼球鉸是當(dāng)前轉(zhuǎn)體施工的主要轉(zhuǎn)動體系。

圖1 平面轉(zhuǎn)體施工工藝流程圖Fig.1 Plane swivel construction process

1.1 球鉸設(shè)計

球鉸豎向反力計算時，取以下兩種最不利情況控制球鉸的豎向承載力。

1）當(dāng)轉(zhuǎn)動體系平衡時，球鉸軸心處豎向反力等于轉(zhuǎn)體部分重量，即N1=G；

2）當(dāng)轉(zhuǎn)動體系失去平衡時，球鉸軸心處豎向反力大于撐腳處豎向反力，存在偏心矩[2]。N1=G－ N2；N2=Ge/R1。

澗河路立交橋轉(zhuǎn)體總重量G=（上承臺+墩身+轉(zhuǎn)體段）=150 000 kN，上下承臺采用C40混凝土澆筑，其軸心抗壓強(qiáng)度為 [σ]=26.8 MPa，則轉(zhuǎn)盤直徑D為：4G/（πD2）＜[σ]，則D＞2.67 m。結(jié)合轉(zhuǎn)體構(gòu)造、球鉸滑板的布置空間及施工要求，球鉸直徑取3.8 m。

1.2 轉(zhuǎn)盤的施工

1.2.1 球鉸安裝

球鉸安裝在承臺上下轉(zhuǎn)盤之內(nèi)，為便于準(zhǔn)確預(yù)埋滑道及球鉸的支撐架，轉(zhuǎn)動墩承臺混凝土分2次灌筑，2次分別為：0～2.8 m，預(yù)埋角鋼等，安裝滑道及球鉸的支撐架，安裝下球鉸及滑道；2.8～4.0 m，固定滑道及球鉸施工。

在澆筑主墩承臺下轉(zhuǎn)盤時，要預(yù)留定位軸套、下轉(zhuǎn)盤及滑道支腿的預(yù)埋件，出氣位置要準(zhǔn)確。下球鉸骨架要有足夠的剛度和強(qiáng)度，在焊接或澆筑混凝土?xí)r不致使下球鉸錯位，見圖2。

圖2 下轉(zhuǎn)盤骨架安裝Fig.2 Installation of the under turntable framework

下球鉸精密定位后進(jìn)行鎖定。用混凝土填充預(yù)留槽及下轉(zhuǎn)盤的空隙，在混凝土灌筑前將中心軸的套筒精確定位。安裝完畢后，在下球鉸表面按順序安裝聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板。在滑板表面和滑板間的空隙處均勻涂抹黃油和四氟乙烯粉混合成的潤滑脂。在上球鉸面上也均勻涂抹1層潤滑脂，將上球鉸精確定位，并通過定位銷軸臨時鎖定限位使上下球鉸中心重合。在球鉸安裝前，須將上球鉸面和下球鉸凹球面均清理干凈，保證無雜物、水、鐵銹。上下承臺完成后要進(jìn)行臨時固結(jié)。

1.2.2 撐腳與滑道的安裝

撐腳是保證上轉(zhuǎn)動體轉(zhuǎn)動穩(wěn)定的重要組成部分。上轉(zhuǎn)動體的重力主要由上轉(zhuǎn)盤通過球鉸傳給下轉(zhuǎn)盤乃至下承臺。撐腳向下懸掛在上轉(zhuǎn)盤的8個方位，平均與下轉(zhuǎn)盤滑道的間隙設(shè)置約3 mm。當(dāng)在轉(zhuǎn)動過程中發(fā)生偏載作用時，轉(zhuǎn)動體系的偏載重力由撐腳傳給下轉(zhuǎn)盤上的滑道上，支承整個轉(zhuǎn)動體系。

1.2.3 臨時固結(jié)

使用24個砂箱平均分布在8個撐腳的中間位置，比撐腳略高3 mm，以使上下轉(zhuǎn)盤之間密貼受壓均衡。在轉(zhuǎn)盤的4個角位，使用4×68支φ32 mm的高強(qiáng)度拉力鋼筋，拉力鋼筋下面預(yù)埋在下轉(zhuǎn)盤中，在上轉(zhuǎn)盤頂端，使用千斤頂預(yù)應(yīng)力張拉，使上下轉(zhuǎn)盤臨時固結(jié)。

2 轉(zhuǎn)動體的不平衡力矩及稱重試驗

橋梁轉(zhuǎn)體施工要保證轉(zhuǎn)動的平穩(wěn)性，在理論上應(yīng)絕對保證兩側(cè)懸臂結(jié)構(gòu)重量一致。設(shè)計要求在橋梁轉(zhuǎn)體施工前進(jìn)行不平衡稱重試驗，對橋梁轉(zhuǎn)體部分的各種技術(shù)參數(shù)進(jìn)行測試，完成轉(zhuǎn)體梁的配重方案。

2.1 稱重試驗的測試方案

沿縱橋向距轉(zhuǎn)動中心L1=L2=5 m布置2臺千斤頂及壓力傳感器，將轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的一端頂起；當(dāng)施力頂起的同時，觀測位移傳感器顯示的位移值；當(dāng)位移增加，施加的力不增加時記錄此時的壓力值；然后在轉(zhuǎn)動體的另一側(cè)重復(fù)此項工作；將兩端產(chǎn)生的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，計算出轉(zhuǎn)動體的不平衡力矩[1]。

隨著臨時固結(jié)的拆除，不平衡力矩和摩阻力矩也將發(fā)生相應(yīng)作用。在臨時固結(jié)拆除后，將出現(xiàn)下列兩種情況中的一種：工況1，轉(zhuǎn)動球鉸的摩阻力矩小于不平衡力矩；工況2，不平衡力矩小于轉(zhuǎn)動球鉸的摩阻力矩[3]。拆除臨時固結(jié)過程中利用對稱安裝的百分表判斷轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)是否沿縱橋向轉(zhuǎn)動。

2.2 縱向不平衡力矩及摩阻力矩測試數(shù)據(jù)整理

2.2.1 確定轉(zhuǎn)動體縱橋向開始轉(zhuǎn)動時的頂力

根據(jù)測試西側(cè)頂力P1=2 353 kN；東側(cè)頂梁時使轉(zhuǎn)動體發(fā)生轉(zhuǎn)動時的頂力為P2=2 370 kN。頂升試驗荷載與位移的關(guān)系曲線見圖3。

圖3 轉(zhuǎn)動球鉸荷載-位移關(guān)系曲線Fig.3 Spherical joint loads-displacement curve

由上述球鉸荷載——位移關(guān)系曲線圖可知，當(dāng)荷載小于使梁體發(fā)生轉(zhuǎn)動的頂力P1=2 353 kN、P2=2 370 kN時，呈線性變化；當(dāng)荷載大于該頂力時，位移增加，荷載變化緩慢，梁體轉(zhuǎn)動。由此可以判別，P1=2 353 kN、P2=2 370 kN分別為球鉸克服靜摩阻力的臨界頂力。

2.2.2 轉(zhuǎn)動體縱向不平衡力矩及球鉸摩阻力矩

由于東西兩側(cè)千斤頂頂力點距轉(zhuǎn)動球鉸幾何中心的距離相等。根據(jù)上面分析結(jié)果可以計算出轉(zhuǎn)動體不平衡力矩和球鉸摩阻力矩分別為MG=42.5 kN·m、MZ=11 807.5 kN·m。

2.2.3 轉(zhuǎn)動體球鉸摩擦系數(shù)的分析計算

在稱重試驗時，球鉸在沿梁軸線發(fā)生微小轉(zhuǎn)動，假設(shè)轉(zhuǎn)角為θ。球鉸摩擦系數(shù)計算示意圖見圖4。

對摩阻力矩求積分得：

圖4 球鉸摩擦系數(shù)分析示意圖Fig.4 Thefriction coefficient of spherical joint rotation structure

轉(zhuǎn)動體偏心距為：

由計算可知，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)部分重心沿橋梁縱向偏東0.284 mm，轉(zhuǎn)動球鉸的摩阻系數(shù)為0.0098659，小于轉(zhuǎn)體前采用的經(jīng)驗?zāi)Σ料禂?shù)0.06。

2.3 臨界啟動力測試分析

轉(zhuǎn)體施工前要進(jìn)行試轉(zhuǎn)。試轉(zhuǎn)的目的是為了檢查轉(zhuǎn)動體轉(zhuǎn)動是否正常，通過收集測試轉(zhuǎn)體開始、正常及結(jié)束時的相關(guān)參數(shù)，作為正式轉(zhuǎn)體控制的依據(jù)。

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動臨界啟動力P=404.69 kN。為了實現(xiàn)預(yù)定時間內(nèi)完成轉(zhuǎn)體施工，將轉(zhuǎn)動拉力提高至 720～800 kN。

3 橋梁轉(zhuǎn)動體的轉(zhuǎn)動

3.1 牽引力的計算

通過微積分的方法計算中心球鉸的摩阻力距?？梢詫⒅行那蜚q劃分為無限多個圓環(huán)，每個圓環(huán)對應(yīng)一個從0到R的半徑r，半徑差值為Δr。

式中：μ為滑動摩擦系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗，啟動時靜摩擦系數(shù)取μ=0.1，轉(zhuǎn)動過程中的動摩擦系數(shù)取μ=0.06；G為轉(zhuǎn)動體系的總重量150 000 kN；R1為球鉸半徑1.9 m。

式中：R2為轉(zhuǎn)臺的半徑5.5 m；因此在啟動時，需克服的靜摩擦力T靜=1 727.3 kN﹤2 000 kN，轉(zhuǎn)動過程中，需克服的動摩擦力為T動=1 036.4 kN﹤2 000 kN。根據(jù)計算結(jié)果，轉(zhuǎn)體過程中采用2套200 t連續(xù)張拉千斤頂，啟動時的動力儲備系數(shù)為2 000/1 727.3=1.16。

從計算結(jié)果可以看出，啟動時，千斤頂動力儲備偏低，考慮到不平衡彎矩致使撐腳與環(huán)道接觸后的摩擦力，尤其是啟動階段阻力的增加，對此，啟動時采用2臺250 t助推千斤頂，每臺預(yù)施力為700 kN，使千斤頂動力儲備不低于1.2。

每套千斤頂穿過19根鋼絞線，鋼絞線的安全系數(shù)為（19 根/臺 × 21 t/根）/164.5 t=2.31，牽引鋼絞線的安全儲備達(dá)到了工程設(shè)計的要求。

轉(zhuǎn)體時間主要由牽引索的牽引速度決定，根據(jù)OVM公司提供的牽引索張拉千斤頂有關(guān)資料，千斤頂?shù)臓恳俣萔=60L/S，L為泵頭流量，0~36 L/min可調(diào)，按18 L/min控制；S為張拉活塞面積（2臺），2×8.199 6/100 m2；通過計算V=6.586 m/h。整個轉(zhuǎn)體所用時間T=Ls/V，Ls為轉(zhuǎn)盤所走的弧線長度，Ls=6.716 m；

通過計算，轉(zhuǎn)體理論時間T=62 min，牽引鋼絞線速度0.11 m/min，轉(zhuǎn)體角速度1.13°/min，轉(zhuǎn)體懸臂端線速度1.074 m/min。

根據(jù)JTJ 041—2000《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，轉(zhuǎn)體角速度不大于0.01～0.02 rad/min，轉(zhuǎn)體懸臂段線速度不大于1.5～2.0 m/min。上述計算數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求并且滿足鐵路施工要求。轉(zhuǎn)體前準(zhǔn)備時間15 min，轉(zhuǎn)體總時間控制在80 min以內(nèi)。

3.2 試轉(zhuǎn)

預(yù)緊鋼絞線。預(yù)緊過程中確保19根鋼絞線平行地纏于轉(zhuǎn)盤上，用YDC240Q千斤頂對鋼絞線逐根施加5~10 kN的力，對稱進(jìn)行并重復(fù)數(shù)次，以保證各根鋼絞線受力均勻。試轉(zhuǎn)結(jié)束后，要及時臨時支撐固定上轉(zhuǎn)盤，防止發(fā)生傾斜。

3.3 轉(zhuǎn)體

為避免因動靜摩擦系數(shù)不同而造成間隙性的沖擊力，使用電腦控制的QK-8主控臺，一對連續(xù)張拉千斤頂QDCL2000，ZLDB液壓泵，連續(xù)不間斷的張拉預(yù)埋的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，使上部轉(zhuǎn)體以1°/min的速度慢速轉(zhuǎn)動，直至到達(dá)預(yù)定的位置，然后仔細(xì)調(diào)整轉(zhuǎn)動體的姿態(tài)。轉(zhuǎn)體動力系統(tǒng)具有自動控制和手動操作兩種功能，在橋面中心軸線合攏前1.5 m內(nèi)，開始給控制臺倒數(shù)報告監(jiān)測數(shù)據(jù)，每10 cm報告1次；在20 cm內(nèi)，每1 cm報告1次，最后臨時固定上下轉(zhuǎn)盤間的間隙，盡快封閉上下轉(zhuǎn)盤之間的混凝土和包封結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

太原澗河立交橋轉(zhuǎn)體施工跨越既有Ⅰ級鐵路、客運(yùn)專線，具有工期緊張、安全性要求高等特點。為了確保運(yùn)營期間的安全施工，對橋梁轉(zhuǎn)體施工的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究并嚴(yán)格論證，并在該工程實踐中取得成功。進(jìn)一步證明其有工期短、效率高、質(zhì)量保障、綜合效益好的優(yōu)點。

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