橋梁轉(zhuǎn)體施工在交叉橋梁中的應(yīng)用研究

韋 樓

(廣西桂海高速公路有限公司，廣西 來賓 546100)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，橋梁施工技術(shù)取得了長足進(jìn)步，特別是以轉(zhuǎn)體施工為代表的無支架施工技術(shù)得到了較為廣泛的推廣應(yīng)用。轉(zhuǎn)體施工技術(shù)的出現(xiàn)，極大減小橋梁建設(shè)的地域范圍限制，倡導(dǎo)了一種新的橋梁建設(shè)思想：將橋梁分階段建設(shè)，半跨結(jié)構(gòu)在偏離軸線處施工，成型后通過轉(zhuǎn)體施工將兩部分旋轉(zhuǎn)就位，在跨中位置合龍。與傳統(tǒng)橋梁施工技術(shù)相比，轉(zhuǎn)體施工能夠使用特殊的施工技術(shù)在深谷急流導(dǎo)致難以吊裝的特殊環(huán)境下跨越河流，具有安全、便捷和整體性能佳的特點。隨著轉(zhuǎn)體施工技術(shù)和理論研究的逐步深入，萬噸級別、超常懸臂的轉(zhuǎn)體橋梁也逐漸出現(xiàn)在橋梁建設(shè)領(lǐng)域中。隨著轉(zhuǎn)體施工技術(shù)的不斷發(fā)展，轉(zhuǎn)體施工技術(shù)的應(yīng)用范圍，已經(jīng)從山區(qū)到平原地區(qū)，從拱橋到斜拉橋、連續(xù)梁橋和剛構(gòu)橋，從豎轉(zhuǎn)到平轉(zhuǎn)再到豎平轉(zhuǎn)相結(jié)合的方式。

查閱當(dāng)前文獻(xiàn)，對于轉(zhuǎn)體施工技術(shù)的應(yīng)用例子較多，但對于轉(zhuǎn)體施工技術(shù)原理和技術(shù)控制的研究相對較少，因此本文對轉(zhuǎn)體施工原理和關(guān)鍵技術(shù)控制進(jìn)行了研究，以期為今后類似工程提供一定的理論支持。

1 轉(zhuǎn)體施工技術(shù)概要

1.1 橋梁轉(zhuǎn)體施工工藝的工作原理

橋梁轉(zhuǎn)體施工，就是在橋臺或橋墩上安裝轉(zhuǎn)動軸心，通過轉(zhuǎn)動軸心將橋梁分為上下兩個部位，上部可以整體旋轉(zhuǎn)，下部則為固定墩臺和基礎(chǔ)，這樣可以將上下兩部分的澆筑工序分開，上部結(jié)構(gòu)可以選擇在別處預(yù)制或者順著跨越物建造，然后運(yùn)至轉(zhuǎn)臺進(jìn)行旋轉(zhuǎn)施工。對于施工旋轉(zhuǎn)角度則可以靈活設(shè)置，大大方便了跨越特殊環(huán)境的橋梁工程的施工。具體轉(zhuǎn)體如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)立面圖

1.2 轉(zhuǎn)體施工分類及組成

根據(jù)梁板結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動方向，轉(zhuǎn)體施工可以分為豎轉(zhuǎn)施工、平轉(zhuǎn)施工和平豎轉(zhuǎn)相結(jié)合施工。近年來對于大跨徑橋梁應(yīng)用更多的則是平豎轉(zhuǎn)相結(jié)合的施工方式。對于豎轉(zhuǎn)施工，可以分為向下和向上兩種方式；對于平轉(zhuǎn)施工，則可以分為平衡轉(zhuǎn)動體系施工和無平衡轉(zhuǎn)動體系施工，具體分類如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)體施工方法分類圖

根據(jù)圖2，對轉(zhuǎn)體施工的不同轉(zhuǎn)體方法進(jìn)行簡要介紹：

1.2.1 豎轉(zhuǎn)法

對于豎轉(zhuǎn)體系，在轉(zhuǎn)體施工時由于拉索的水平角度較小，因此產(chǎn)生的豎向分力也較小，因而只有在拉索索力脫架時最大，鑒于梁板需要實現(xiàn)從多點支撐到鉸支撐再到扣點處索支承的一個整體過程，為了保證順轉(zhuǎn)脫架成功，在提升索點安置千斤頂用以助升。

根據(jù)轉(zhuǎn)體角度的不同，豎向轉(zhuǎn)體可以分為正角度和負(fù)角度轉(zhuǎn)體，前者又稱為“旋轉(zhuǎn)降低法”，該方法將橋梁在跨中分為兩端，然后在端部沿豎直方向進(jìn)行預(yù)制，接著將兩段向前方旋轉(zhuǎn)施工，在跨中進(jìn)行合龍施工；負(fù)角度轉(zhuǎn)體則與正角度轉(zhuǎn)體施工順序相反，從最下方向上方旋轉(zhuǎn)，然后進(jìn)行合龍施工。

1.2.2 平轉(zhuǎn)法

根據(jù)轉(zhuǎn)體體系施工控制平衡方式的不同，平轉(zhuǎn)法施工分為平衡轉(zhuǎn)動體轉(zhuǎn)體施工和無平衡轉(zhuǎn)動體施工兩種：

1.2.2.1 平衡轉(zhuǎn)動體轉(zhuǎn)體施工

對于平衡轉(zhuǎn)動體，其重心需要落在球鉸中心，然后以球鉸中心為圓心進(jìn)行轉(zhuǎn)體施工。根據(jù)平衡方式的不同，平衡轉(zhuǎn)動體施工又分為自平衡轉(zhuǎn)體施工和配重轉(zhuǎn)體施工。前者是指依靠結(jié)構(gòu)自身就能夠?qū)崿F(xiàn)平衡，同時能夠滿足轉(zhuǎn)體施工階段對于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的受力要求，因此在施工中需要對梁體強(qiáng)度達(dá)到一定要求并進(jìn)行確認(rèn)后才能進(jìn)行進(jìn)一步的轉(zhuǎn)體施工；后者是指自身無法實現(xiàn)整體平衡，需要進(jìn)行配重才能實現(xiàn)平衡，使得整體轉(zhuǎn)動體系的重心在球鉸中心，從而進(jìn)行進(jìn)一步的轉(zhuǎn)體施工。

1.2.2.2 無平衡重轉(zhuǎn)體施工

無平衡轉(zhuǎn)動體系，主要由錨固體系、轉(zhuǎn)動體系和位控體系組成。相對平衡轉(zhuǎn)動體轉(zhuǎn)體施工，無平衡重轉(zhuǎn)體施工則是利用錨固體系達(dá)到整體平衡，節(jié)省了施工中對于平衡體系的控制，然后利用轉(zhuǎn)動體系和位控體系，實現(xiàn)橋梁轉(zhuǎn)體施工合龍。

1.2.3 平豎轉(zhuǎn)相結(jié)合轉(zhuǎn)體施工

對于平豎轉(zhuǎn)相結(jié)合的轉(zhuǎn)體施工方式，則是充分借鑒了豎轉(zhuǎn)的施工方便和平轉(zhuǎn)的作業(yè)范圍大的優(yōu)點，在大跨徑拱橋的施工中得到了較為充分的應(yīng)用。

1.3 橋梁轉(zhuǎn)體施工特點

與傳統(tǒng)懸吊拼裝法、桁架伸臂法和支架安裝法相比，轉(zhuǎn)體施工具有如下優(yōu)勢：

(1)適用范圍廣。相比傳統(tǒng)施工方式對于施工環(huán)境和工期的嚴(yán)格要求，轉(zhuǎn)體施工則對于環(huán)境要求較低，對于跨越深谷、湍急水流、公鐵立交以及自然保護(hù)區(qū)等施工環(huán)境要求苛刻的跨越橋梁具有很好的適用性，尤其是一些跨徑較大的鋼筋混凝土橋梁。

(2)費用較低。轉(zhuǎn)體施工是依靠結(jié)構(gòu)自身旋轉(zhuǎn)，然后進(jìn)行合龍，因此在施工過程中不需要吊裝設(shè)備的輔助，節(jié)約了輔助費用。鑒于轉(zhuǎn)體施工工藝簡便易行，轉(zhuǎn)體的質(zhì)量由橋墩或橋臺承擔(dān)，因此承載力較大，轉(zhuǎn)動穩(wěn)定可靠。

(3)施工簡單。橋梁上部結(jié)構(gòu)可以采用整體預(yù)制的方式，而預(yù)制結(jié)構(gòu)的整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，更能保證上部結(jié)構(gòu)受力平衡；同時因轉(zhuǎn)體施工對于施工環(huán)境和輔助設(shè)備要求較低，鉸磨、滑輪即可完成上部結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)體就位，大大節(jié)省了施工時間，對于成本控制和工期控制具有一定的促進(jìn)作用。

2 轉(zhuǎn)體施工關(guān)鍵技術(shù)控制

保證橋梁轉(zhuǎn)體施工的順利進(jìn)行以及實現(xiàn)橋梁轉(zhuǎn)體施工“轉(zhuǎn)得動、轉(zhuǎn)得穩(wěn)、轉(zhuǎn)得準(zhǔn)”的目標(biāo)，需要在轉(zhuǎn)動體系構(gòu)成、布置和穩(wěn)定性控制方面做好控制，以高標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行要求。

2.1 轉(zhuǎn)動體系構(gòu)成

橋梁轉(zhuǎn)體施工的關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)動體系。轉(zhuǎn)動體系主要包括上轉(zhuǎn)盤、下轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)動接觸面，具體如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)盤剖面圖

橋梁轉(zhuǎn)體施工時，橋梁的整體重心集中在轉(zhuǎn)盤處，因此要實現(xiàn)上部構(gòu)造轉(zhuǎn)動的順利進(jìn)行，不僅需要對橋型的剛度和質(zhì)量有一定的要求，而且對轉(zhuǎn)動體系的設(shè)計和支座也需要進(jìn)行合理的計算。對于轉(zhuǎn)動體系，需要滿足轉(zhuǎn)動靈活和安全穩(wěn)定兩個要求。根據(jù)計算和工程實踐，球形鉸支由于具有強(qiáng)度高、轉(zhuǎn)動靈活和可重復(fù)性利用的特點，在當(dāng)前工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用。

2.1.1 上轉(zhuǎn)盤設(shè)計與制作

對于上轉(zhuǎn)盤，主要用來承受轉(zhuǎn)動體系的質(zhì)量，并通過接觸凹凸性球面?zhèn)鬟f至下轉(zhuǎn)盤上。傳遞受力結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 承重系統(tǒng)示意圖

由于上轉(zhuǎn)盤需要有較高的強(qiáng)度、剛度，同時對于接觸面積要求較高。為了施工方便，往往需要澆筑直徑略大于設(shè)計直徑的圓盤，在達(dá)到一定強(qiáng)度后再進(jìn)行磨光處理；同時為了上下轉(zhuǎn)盤間轉(zhuǎn)動的靈活，需要在上下轉(zhuǎn)盤之間涂抹潤滑劑。

為了上磨盤和上轉(zhuǎn)盤的良好粘結(jié)，需要在上磨盤打磨完畢后，將上磨盤和上轉(zhuǎn)盤整體澆筑，這樣既可以減輕后續(xù)吊裝質(zhì)量，方便施工；也可以在后期圓盤轉(zhuǎn)動過程中發(fā)現(xiàn)問題并及時處理，避免在加載轉(zhuǎn)動期間出現(xiàn)問題影響施工進(jìn)程。

2.1.2 下轉(zhuǎn)盤設(shè)計與制作

對于下轉(zhuǎn)盤，主要用來承受上轉(zhuǎn)盤傳遞過來的豎向力，同時由于上下轉(zhuǎn)盤直接接觸，因壓力產(chǎn)生的摩擦力作用很大，所以對于下轉(zhuǎn)盤的材料多選擇抗壓承載能力較強(qiáng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?；趯p小摩擦力的考慮，上下轉(zhuǎn)盤接觸面多進(jìn)行粘貼聚四氟乙烯板，具體如圖5所示。

圖5 下轉(zhuǎn)盤平面圖

由于下轉(zhuǎn)盤軸心承受上部轉(zhuǎn)動體系的全部重量且需要進(jìn)行轉(zhuǎn)動施工，因此對下轉(zhuǎn)盤的強(qiáng)度、剛度和光滑度有較高的要求。對下轉(zhuǎn)盤施工多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，同時采用嚴(yán)格的施工(加螺旋網(wǎng)筋)、養(yǎng)護(hù)、打磨(先粗磨后精磨)工藝，保證打磨后的混凝土具有足夠的光滑度，直至呈水磨石狀。

2.2 轉(zhuǎn)動體系布置

轉(zhuǎn)動體系的布置，主要由牽引及助推系統(tǒng)、防過轉(zhuǎn)微調(diào)和測量系統(tǒng)組成。

(1)關(guān)于轉(zhuǎn)動牽引系統(tǒng)，為了增大動力和穩(wěn)定性的目的，多采用全液壓、自動和連續(xù)運(yùn)行的系統(tǒng)。對于上轉(zhuǎn)盤，通過固定在上轉(zhuǎn)盤預(yù)埋件上的牽引索，逐次沿著既定索道排列纏繞后穿過千斤頂。見圖6。

圖6 頂推牽引系統(tǒng)示意圖

(2)為了避免發(fā)生過轉(zhuǎn)現(xiàn)象，設(shè)置微調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。這是在轉(zhuǎn)體施工快到臨界位置時，通過微調(diào)調(diào)節(jié)直至最終設(shè)計位置，避免了轉(zhuǎn)體過快帶來的過轉(zhuǎn)危害；同時對于轉(zhuǎn)體施工速度也有一定程度的提高。

(3)關(guān)于測量系統(tǒng)，則是通過在轉(zhuǎn)體上布置測量點的方式對轉(zhuǎn)體施工過程中進(jìn)行位置測量，實時了解轉(zhuǎn)體施工狀態(tài)，對于進(jìn)一步的施工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。在轉(zhuǎn)體施工完畢后，進(jìn)行測量能夠很好地保證施工精度，可以極大方便后期助推施工，降低對牽引設(shè)備的功率要求，同時助推過程穩(wěn)定性較好。

2.3 轉(zhuǎn)體穩(wěn)定性控制

對于轉(zhuǎn)體施工，穩(wěn)定性控制是施工成敗的關(guān)鍵因素。對于轉(zhuǎn)體施工穩(wěn)定性的控制，目前主要針對以下兩個方面進(jìn)行：

2.3.1 轉(zhuǎn)動體傾覆穩(wěn)定性控制

在梁體澆筑養(yǎng)護(hù)支架拆除后，對于轉(zhuǎn)體施工的過程，轉(zhuǎn)動體采取自平衡或采取配重平衡，對轉(zhuǎn)體施工的安全性具有重要的控制性作用。對于轉(zhuǎn)動體的平衡體系，在支架拆除后將會出現(xiàn)以下情況：

(1)轉(zhuǎn)動體球鉸的摩擦阻力小于轉(zhuǎn)動體不平衡力矩，即在支架拆除后，轉(zhuǎn)體部分在自身重力作用下不會發(fā)生轉(zhuǎn)動，需要借助外力才能進(jìn)行轉(zhuǎn)體施工。

(2)轉(zhuǎn)動體球鉸的摩擦阻力大于轉(zhuǎn)動體不平衡力矩，這意味著在支架拆除完畢后，轉(zhuǎn)動體在自身不平衡力矩作用下會發(fā)生轉(zhuǎn)動。

鑒于上述轉(zhuǎn)動體的平衡關(guān)系，在橋梁轉(zhuǎn)體施工準(zhǔn)備中，尤其是一些轉(zhuǎn)動體較重的情況下，為了確保轉(zhuǎn)體過程的穩(wěn)定和安全，需要在轉(zhuǎn)體施工中對轉(zhuǎn)體部分的不平衡力矩進(jìn)行計算和驗證，為轉(zhuǎn)體施工提供理論支撐。

2.3.2 拱肋屈曲穩(wěn)定性控制

轉(zhuǎn)體施工過程中，拱肋的穩(wěn)定性是需要重點關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)。目前對于拱肋的穩(wěn)定性的研究，僅限于光滑的理想拱軸線，而在實際施工過程中，理想拱軸線并不可能存在。同時在橋梁轉(zhuǎn)體施工過程中，為了減輕自身重量，往往通過采用薄壁的方式以達(dá)到減輕自重、方便施工的目的，因此橋梁在整體轉(zhuǎn)體施工過程和二期荷載加載過程中，整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題是關(guān)乎轉(zhuǎn)體施工成敗的關(guān)鍵性因素。特別是鋼箱薄壁界面拱肋結(jié)構(gòu)，由于主拱結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體施工合龍的前后施工過程中容易發(fā)生加勁肋板和側(cè)板的局部應(yīng)力集中而發(fā)生屈曲現(xiàn)象。在二期混凝土的澆筑過程中，鑒于初期混凝土沒有承載力，加上轉(zhuǎn)體施工中無法采取有效的支架體系，因此在二期混凝土澆筑過程中，橋梁容易因為應(yīng)力集中而發(fā)生平面外屈曲。

3 結(jié)語

對于跨越深谷、急流以及跨越公路、鐵路的橋梁，轉(zhuǎn)體施工得到了較為充分的應(yīng)用。根據(jù)上述分析，轉(zhuǎn)體施工具有以下特點：

(1)混凝土軸心轉(zhuǎn)動體系，制作方便，承壓大、穩(wěn)定性好；(2)主要施工體系在上部完成，對于環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；(3)節(jié)省大量吊裝費用，尤其是對跨越深谷急流、重要公路鐵路等難以采取有效支架措施或采取支架體系費用較高的情況，能夠節(jié)約大量成本，優(yōu)越性較強(qiáng)。

轉(zhuǎn)體施工在我國起步較晚，但是隨著基礎(chǔ)設(shè)施的大量建設(shè)，得到了較為廣泛的應(yīng)用，因此對于今后轉(zhuǎn)體施工技術(shù)的應(yīng)用，需要國內(nèi)相關(guān)專家和學(xué)者進(jìn)行科研攻關(guān)；隨著新技術(shù)新材料的發(fā)展，一些新型材料在轉(zhuǎn)體施工中會得到更為充分的應(yīng)用，如新型高強(qiáng)混凝土、新型纖維材料等一系列材料，結(jié)合轉(zhuǎn)體施工技術(shù)會有更好的工程適用性。

[1]張聯(lián)燕，程懋方，譚邦明，等.橋梁轉(zhuǎn)體施工[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2]陳寶春，孫 潮，陳友杰.橋梁轉(zhuǎn)體施工方法在我國的應(yīng)用與發(fā)展[J].公路交通科技，2001(2)：24-28.

[3]Tian Z C，Liu X F，Yan D H，et al.Application of optimal computation in swivel construction control of arch bridge adopting hydraulic sync elevation technology[J].China Journal of Highway & Transport，2008，21(2)：74-78.

[4]李 盛.開口薄壁轉(zhuǎn)體拱橋施工階段整體穩(wěn)定性分析[J].公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2004(10)：108-110.

[5]Mao W Q，Liu C Y.Construction Design of Vertical Swivel Erection of Steel Tube Arches for 2×275-m Span Continuous Rigid-Frame Structure[J].World Bridges，2007(4)：1-4.

[6]鐘 偉.混凝土開口薄壁截面拱橋平轉(zhuǎn)施工控制技術(shù)研究[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2010.

[7]徐升橋，任為東，李艷明，等.丫髻沙大橋主橋施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2001(6)：8-12.

[8]Cai H Y，Zhao H Y.Key Technology Simulation Analysis on the Swivel Construction of the Laocun River Bridge[J].World of Building Materials，2013(3)：58-61.

[9]翟鵬程.轉(zhuǎn)體施工橋梁中的不平衡問題和風(fēng)致振動研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2008.

[10]Xi W.Experimental Investigation of Weighing of Swivel Construction for the Yongding River Bridge[J].Anhui Architecture，2013，15(1)：79-89.

[11]Gao X Z，F(xiàn)an D Y，Yang R K.Construction Technique for Vertical Swivel of Steel Tower of Jingdezhen Bailu Bridge[J].Journal of Railway Engineering Society，2007(5)：55-62.