滬杭客專海杭特大橋上承式拱橋轉(zhuǎn)體施工關(guān)鍵技術(shù)研究

靜國(guó)鋒

(中鐵一局集團(tuán)橋梁工程有限公司　重慶　401121)

滬杭客專海杭特大橋上承式拱橋轉(zhuǎn)體施工關(guān)鍵技術(shù)研究

靜國(guó)鋒

(中鐵一局集團(tuán)橋梁工程有限公司重慶401121)

摘要對(duì)滬杭客專海杭特大橋上跨石大公路88 m+160 m+88 m自錨上承式拱橋的轉(zhuǎn)體施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)橋梁進(jìn)行稱重、試轉(zhuǎn)試驗(yàn)，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的可靠性，為正式轉(zhuǎn)體提供了科學(xué)依據(jù)。并對(duì)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)關(guān)鍵構(gòu)造及工序提出了改進(jìn)措施，保證了該橋順利施工。

關(guān)鍵詞上承式自錨拱橋轉(zhuǎn)體稱重試轉(zhuǎn)試驗(yàn)構(gòu)造措施優(yōu)化

橋梁轉(zhuǎn)體施工，是采用支架等順著被跨越障礙物形成龐大的轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，以牽引助推系統(tǒng)通過(guò)摩擦系數(shù)很小的球鉸和環(huán)道，將橋梁旋轉(zhuǎn)到位的施工方法。

我國(guó)在1977年建成了第一座平轉(zhuǎn)施工法橋梁，隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展，轉(zhuǎn)體施工技術(shù)得到了大規(guī)模的推廣和應(yīng)用。近年來(lái)我國(guó)轉(zhuǎn)體橋梁正朝著大噸位、大跨度的方向發(fā)展，雖然關(guān)于橋梁轉(zhuǎn)體施工的專門規(guī)范還未編制，但工程界在多年實(shí)踐過(guò)程中創(chuàng)造性發(fā)明了新的工法、程序，并逐步地改進(jìn)了落后工藝。

本文對(duì)一座萬(wàn)噸級(jí)的自錨上承式拱橋轉(zhuǎn)體施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，著重介紹工程實(shí)施過(guò)程中的稱重和試驗(yàn)工序的重要性以及某些轉(zhuǎn)體系統(tǒng)構(gòu)造措施改進(jìn)的必要性。作為世界上轉(zhuǎn)體噸位最大的拱橋，本工程的關(guān)鍵技術(shù)可為同類型的橋梁施工提供借鑒。

1工程概況

滬杭客運(yùn)專線海杭特大橋上跨石大公路為自錨上承式拱橋，孔跨組成為88 m+160 m+88 m，拱肋采用拋物線線形，矢跨比為1/6。邊、中跨拱肋拱頂截面高為4 m，拱腳截面高為6 m，拱肋橫向?qū)挾? m，采用單箱室截面。拱肋上設(shè)置3個(gè)拱上立柱，支承20 m+22 m+22 m+20 m連續(xù)梁，為配合拱肋曲線變化，連續(xù)梁邊跨截面高度采用變截面，梁端截面高度4 m，跨中截面高度采用3 m，連續(xù)梁與拱肋結(jié)構(gòu)分離。橋梁立面圖見(jiàn)圖1。

圖1　橋梁立面圖(單位：m)

本橋采用水平轉(zhuǎn)體法施工，單個(gè)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為158 m，轉(zhuǎn)體重量16 800 t，是世界上轉(zhuǎn)體噸位最大的拱橋[1]，轉(zhuǎn)體角度分別為26°0′54″,25°55′28″。轉(zhuǎn)體施工平面布置圖見(jiàn)圖2。

圖2　轉(zhuǎn)體施工平面布置圖(單位：m)

轉(zhuǎn)體所用鋼球鉸對(duì)應(yīng)球體半徑R=8.0 m，球面水平投影直徑4.0 m；上轉(zhuǎn)盤直徑12.0 m，轉(zhuǎn)盤內(nèi)預(yù)埋2對(duì)19φj15.2 mm鋼絞線作為牽引索，并均勻布置6對(duì)2-φ0.9 m保險(xiǎn)鋼撐腳；下承臺(tái)上設(shè)置中心直徑10.0 m的環(huán)行滑道，徑向?qū)挾?.2 m，并在環(huán)形滑到內(nèi)、外側(cè)分別設(shè)置6對(duì)助推兼微調(diào)千斤頂反力座。轉(zhuǎn)動(dòng)體系構(gòu)造見(jiàn)圖3。

圖3　轉(zhuǎn)動(dòng)體系構(gòu)造圖(單位：m)

牽引設(shè)備選擇2臺(tái)ZLT3000型自動(dòng)連續(xù)千斤頂，額定頂力為3 000 kN；助推設(shè)備選擇4臺(tái)YCD2000型千斤頂，額定頂力為2 000 kN。

2稱重試驗(yàn)

由于球鉸的制作安裝誤差、梁體質(zhì)量分布以及預(yù)應(yīng)力張拉的差異，將導(dǎo)致橋墩兩側(cè)懸臂梁段質(zhì)量分布及剛度不同，從而使轉(zhuǎn)動(dòng)體在沿梁軸線的豎平面內(nèi)產(chǎn)生不平衡力矩。為了保證橋梁轉(zhuǎn)體的順利進(jìn)行，尤其這種轉(zhuǎn)體重量超萬(wàn)噸級(jí)的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)，必須在轉(zhuǎn)體前進(jìn)行稱重試驗(yàn)，以確定轉(zhuǎn)動(dòng)體的不平衡力矩、偏心距、摩阻力矩及摩擦系數(shù)[2]。

魏峰等[3]學(xué)者在北京市五環(huán)路石景山南站高架橋轉(zhuǎn)體工程實(shí)踐中，對(duì)稱重試驗(yàn)原理及方法進(jìn)行了詳細(xì)的研究并推導(dǎo)出了偏心矩和摩擦系數(shù)計(jì)算公式，這里不再贅述，僅對(duì)本工程的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究。

經(jīng)稱重試驗(yàn)分析，265，266號(hào)墩位處球鉸的靜摩擦系數(shù)分別為0.021 7，0.023 0，均小于施工組織編制時(shí)的假定值0.1；265，266號(hào)墩位處轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的偏心距分別為0.045 m，0.100 m，故對(duì)266號(hào)墩位處轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)在邊跨側(cè)距離球鉸75 m位置配重22.0 t，調(diào)整其偏心距到0.010 m以滿足轉(zhuǎn)體施工要求。

3試轉(zhuǎn)試驗(yàn)

試轉(zhuǎn)是為了驗(yàn)證理論參數(shù)的準(zhǔn)確性，檢驗(yàn)牽引助推系統(tǒng)的可靠性，確定轉(zhuǎn)體啟動(dòng)力、牽引力、點(diǎn)動(dòng)行走距離、慣性行走距離，為正式轉(zhuǎn)體施工提供保障。

試轉(zhuǎn)時(shí)以轉(zhuǎn)體最大懸臂端不進(jìn)入高速公路為原則，確定265號(hào)墩、266號(hào)墩位處試轉(zhuǎn)角度均為3°；試轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)理論值為T=(2/3×μ×W×R)/D，將W=168 000 kN，R=2.0 m，μ=0.021 7(265號(hào)墩)，0.023 0(266號(hào)墩)，D=12.0 m分別帶入公式，可知265號(hào)墩位處的啟動(dòng)力為T=40.5 kN，266號(hào)墩位處的啟動(dòng)力為T=41.6 kN，據(jù)此確定試轉(zhuǎn)試驗(yàn)加載大小、等級(jí)劃分。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　試轉(zhuǎn)結(jié)果表

將實(shí)測(cè)啟動(dòng)力、牽引力代入公式T=(2/3×μ×W×R)/D，反算出 265號(hào)墩位處?kù)o摩阻系數(shù)為0.028 0、動(dòng)摩阻系數(shù)為0.024 0，266號(hào)墩位處?kù)o摩阻系數(shù)為0.027 0、動(dòng)摩阻系數(shù)為0.022 0，與稱重試驗(yàn)結(jié)果相近，進(jìn)一步驗(yàn)證了稱重試驗(yàn)的科學(xué)性和必要性。

為降低轉(zhuǎn)體過(guò)程中牽引索的彈簧效應(yīng)，有效地抑制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，需限制牽引索使用狀態(tài)下的應(yīng)力水平。本工程按0.4fpk進(jìn)行控制，故單根牽引索實(shí)際承載能力限值為19×140 mm2×0.4×1 860 MPa=1 979.0 kN。

以265號(hào)墩位處的實(shí)際牽引力450 kN為例進(jìn)行牽引索可靠性分析，其安全系數(shù)K=1 979/450=4.4，具備足夠的安全儲(chǔ)備。

實(shí)測(cè)265號(hào)墩位處梁端線速度為0.934m/min，266號(hào)墩位處梁端線速度為1.280 m/min，均小于規(guī)范限值的1.5～2.0 m/min；實(shí)測(cè)265號(hào)墩位處轉(zhuǎn)體角速度為0.012 rad/min，266號(hào)墩位處轉(zhuǎn)體角速度為0.016 rad/min，均小于規(guī)范限值的0.01～0.02 rad/min。

以265號(hào)墩位處鋼絞線牽引距離0.070 m/min進(jìn)行正式轉(zhuǎn)體時(shí)間計(jì)算，上轉(zhuǎn)盤外側(cè)弧線長(zhǎng)度為L(zhǎng)=π×D×α=2.407 m，故轉(zhuǎn)體所需時(shí)間t=2.407/0.070=34 min。

4構(gòu)造措施優(yōu)化研究

4.1　牽引索布置形式優(yōu)化

牽引索成對(duì)布置以形成力偶克服轉(zhuǎn)體過(guò)程中的動(dòng)摩擦力矩。每根牽引索一端采用P錨的形式埋置在上轉(zhuǎn)盤混凝土內(nèi)，要求有效錨固長(zhǎng)度不小于3.0 m；以大半徑弧形圓順地引出上轉(zhuǎn)盤后，另一端穿過(guò)反力座錨固于自動(dòng)連續(xù)千斤頂。

以往工程實(shí)踐均將2束牽引索布置在同一高程上，并要求其引出后在上轉(zhuǎn)盤盤繞長(zhǎng)度不小于轉(zhuǎn)體需要弧長(zhǎng)1.0 m且不大于1/2轉(zhuǎn)盤周長(zhǎng)。本工程將2束牽引索設(shè)置在不同高程上，高差為0.5 m，牽引索引出后在上轉(zhuǎn)盤盤繞長(zhǎng)度不小于3/4轉(zhuǎn)盤周長(zhǎng)，使其在鉛錘面內(nèi)投影重合。

通過(guò)對(duì)牽引索布置形式的優(yōu)化，使其對(duì)上盤的作用力由單純的拖拽力變?yōu)橥献Яεc索盤間切向摩擦力的組合，提高了牽引力偶的穩(wěn)定性，并使上轉(zhuǎn)盤在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中沿徑向均勻受壓。

4.2　球鉸下盤安裝處承臺(tái)形式優(yōu)化

球鉸下盤為凹形球面板，需通過(guò)角鋼支架定位并埋置在下承臺(tái)內(nèi)。

以往工程實(shí)踐將球鉸下盤頂面與下承臺(tái)頂面設(shè)置為同一高程。本工程將下盤頂面與下承臺(tái)頂面設(shè)置在不同高程上，高差為0.3 m，由鋼筋混凝土凸臺(tái)形成。構(gòu)造見(jiàn)圖4。

a)　立面圖

b)　平面圖

該措施對(duì)下承臺(tái)受力的增益王景全[4]等學(xué)者已進(jìn)行了詳細(xì)研究，這里不再贅述。就施工過(guò)程

而言，該條措施能夠有效地避免球鉸安裝完畢后長(zhǎng)期施工過(guò)程中的養(yǎng)護(hù)用水、自然降水以及其他異物對(duì)球鉸的侵蝕，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)防御。

4.3　球鉸封固技術(shù)優(yōu)化

橋梁轉(zhuǎn)體到位后需進(jìn)行球鉸封固工作，即將上承臺(tái)與下承臺(tái)固結(jié)成整體。

本工程采取微膨脹混凝土二次封固工藝、重力灌漿及真空輔助壓漿技術(shù)以保證封固混凝土密實(shí)飽滿[5]。

5正式轉(zhuǎn)體

根據(jù)試轉(zhuǎn)試驗(yàn)確定的啟動(dòng)牽引力分級(jí)加載，轉(zhuǎn)動(dòng)體啟動(dòng)后，助推千斤頂退出工作，將自動(dòng)連續(xù)千斤頂調(diào)整到預(yù)計(jì)的牽引力并使其在“自動(dòng)”狀態(tài)下運(yùn)行，根據(jù)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)速度與預(yù)計(jì)速度的差值，確定“自動(dòng)”狀態(tài)下的運(yùn)行時(shí)間。

根據(jù)試轉(zhuǎn)試驗(yàn)確定的慣性力數(shù)據(jù)，在橋面中心軸線合龍前1.5 m，停止“自動(dòng)”轉(zhuǎn)入“點(diǎn)動(dòng)”，橋面監(jiān)控人員開始每0.1 m給主控臺(tái)報(bào)告1次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；在橋面中心軸線合龍前0.2 m，橋面監(jiān)控人員每0.01 m給主控臺(tái)報(bào)告1次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；即將到位時(shí)準(zhǔn)確對(duì)梁的中軸線進(jìn)行貫通測(cè)量，加強(qiáng)與控制臺(tái)操作人員的溝通，確保準(zhǔn)確到位[6]。

正式轉(zhuǎn)體用時(shí)36.0 min即順利完成，與試轉(zhuǎn)試驗(yàn)分析結(jié)果數(shù)據(jù)相差不大，進(jìn)一步驗(yàn)證了試轉(zhuǎn)試驗(yàn)的科學(xué)性與必要性。

合龍口軸線誤差在2.0 mm以內(nèi)，高程誤差在5.0 mm以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，具體測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。轉(zhuǎn)體過(guò)程中埋置于球鉸下方的應(yīng)力傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)變化很小，進(jìn)一步驗(yàn)證了本橋轉(zhuǎn)體過(guò)程的平衡穩(wěn)定性。

表2　合龍軸線及高程誤差測(cè)量數(shù)據(jù)表　mm

6結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)稱重和試轉(zhuǎn)試驗(yàn)工序的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，為正式轉(zhuǎn)體施工決策提供了重要依據(jù)；同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)關(guān)鍵構(gòu)造、工藝的優(yōu)化和改進(jìn)，為工程的順利實(shí)施提供了必要的保障。這些工序、關(guān)鍵構(gòu)造和工藝優(yōu)化通過(guò)本工程實(shí)踐的驗(yàn)證，可為同類型橋梁施工提供參考，具有重要的推廣意義。

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Key Technology of Rotation Construction of a Deck Arch Bridge with Spans

of Hai-Hang Large Bridge in Hu-Hang Passenger Dedicated line

JingGuofeng

(China Railway No.1 Group Bridge Engineering Co., Ltd., Chongqing 401121, China)

Abstract：The key technology of rotation construction of a self-anchored deck arch bridge with spans (88+160+88)m of Hai-Hang large bridge in Hu-Hang passenger dedicated line has been researched. Throng weighting and trial rotation for the bridge, the reliability of the rotational system is verified, and it can give detailed scientific basis for the formal rotation construction. Also, the novel and advanced improved measures are proposed for the key structure and procedure in the rotational system of this bridge, ensuring the successful implementation of the bridge.

Key words:self-anchored deck arch bridge; rotation construction; weighting; trial rotation; constructional measures optimization

收稿日期：2015-02-07

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.016