橋梁工程轉體施工主要技術研究

徐紹兵

（廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

橋梁轉體施工技術為工程施工人員提供了很多便捷，使得施工過程中能夠突破較長跨度及其他一些不可抵御情況的限制，在當前國內各大型橋梁工程中應用廣泛。與常規(guī)的橋梁施工方法相比，橋梁轉體施工技術的應用使施工過程更加科學、合理和安全，同時使橋體結構的承載能力得以提高。由于施工技術的不成熟及施工設備的欠缺，傳統(tǒng)橋梁轉體施工技術主要局限于山區(qū)的小河、小澗等地質環(huán)境，這類施工環(huán)境的跨度較小，施工難度不大。而現(xiàn)代的橋梁轉體施工技術能夠應用在較大距離的山谷和較長跨度的河流大橋的建設中。我國橋梁工程領域相關施工機械、材料和技術日趨成熟，對轉體施工技術的標準也更加嚴格。毋庸置疑，轉體施工技術的發(fā)展拓寬了橋梁工程領域建設的范圍，很好地彌補了自然條件及施工環(huán)境的不足［1］。

1 橋梁轉體施工技術的概念及特點

1.1 轉體施工技術的概念

橋梁轉體施工技術是指在非設計位置完成橋梁結構制造（澆筑或拼接）后，以轉體的方法就位到指定設計位置的一種施工技術，該技術能夠將障礙物上方位置的施工作業(yè)轉移到岸上或地面，使橋梁施工作業(yè)變得容易和規(guī)范，保證了橋梁工程的質量和安全。依據(jù)橋體結構的轉動方向，橋梁轉體施工技術可分為豎向轉體、水平轉體及豎向與水平相結合的轉體方式，其中水平轉體法在橋梁工程中的應用比較廣泛。

1.2 轉體施工技術的特點

與傳統(tǒng)施工技術相比，橋梁轉體施工過程中需要的機械設備較少，施工工藝簡單，很好地解決了在高山峽谷、水流湍急或是通航頻繁河道上建設大跨度橋體結構的難題。對城市中運輸繁忙的立交橋及其他跨線橋等各類工程，轉體施工技術的優(yōu)勢也很明顯。在近地面或平地上施工，該技術能夠有效避免高處、受限等不利于施工的環(huán)境和自然條件，在一定程度上能夠保證人員的安全。施工過程中橋體結構較為合理且受力情況明確，結構力學性能更好［2］。此外，轉體施工一般速度較快、工程造價較低，同等條件下，拱橋建設所使用的轉體施工法，在社會效益和經(jīng)濟效益方面都要優(yōu)于傳統(tǒng)的施工方法，如懸吊拼裝法和桁架伸臂法等，工程總體造價可節(jié)約10%～15%。

2 橋梁轉體施工技術的發(fā)展歷程

從目前的情況來看，橋梁轉體施工技術中的水平轉體法使用比較普遍，在各類長跨度及超長跨度的橋梁工程建設中都有具體使用，如斜拉橋、拱橋和鋼桁梁橋等，此外在“T”形架構橋中也有深入使用。水平轉體法施工技術首次使用是在1976年的維也納多瑙河橋施工中，此后其他國家相繼使用該項技術，如德國、美國、日本等。

20世紀70年代，我國橋梁領域的工作者已開始進行轉體施工技術的研究。20世紀80年代初期，我國四川遂寧首次使用水平轉體法建成了鋼筋混凝土箱拱肋，跨徑約77 m，此后水平轉體法在我國山區(qū)橋梁工程的施工中得到了大量使用，但這一階段我國使用水平轉體法所建成的橋梁都為平衡重轉體工程且跨徑均為100 m以下。四川省公路設計院于1979年開始進行無平衡重轉體施工技術的相關研究，并建成了四川巫山龍門橋，其跨徑長度為120 m，成功突破了我國橋梁工程轉體重量大、跨徑小的技術瓶頸。于1998年竣工的四川涪陵烏江大橋工程，是我國首次使用無平衡重轉體施工技術的橋梁典范，該橋梁跨徑達200 m。隨著我國橋梁工程施工技術的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，轉動機構的牽引能力也在逐漸提高，摩擦系數(shù)在逐年下降，無平衡重轉體施工技術在我國剛構橋和斜拉橋中得到了成功的運用，施工區(qū)域也從山區(qū)逐漸發(fā)展到平原。比利時建成的本艾因橋是20世紀世界范圍內轉體重量最大的工程，而我國山東菏澤的丹陽路跨鐵路立交橋是迄今為止世界上轉體重量（24 800 t）最大的橋梁工程，其轉體總長度達238 m，同時也是使用單球鉸轉動系統(tǒng)最長的橋梁工程，其球鉸直徑長達4.5 m，是我國橋梁工程領域整體鑄造的最大尺寸［3］。

近年來，我國鋼筋混凝土拱橋施工技術在逐漸完善和成熟，而轉體施工技術的充分運用也為我國橋梁工程輕型化發(fā)展模式奠定了基礎。相比水平轉體法，豎向轉體法是應用最早的施工技術，如意大利多姆斯河橋的跨徑長度為75 m，德國的阿根托貝爾橋跨徑長度為140 m，這兩座橋梁均使用了豎向轉體法施工技術，主要是采用搭架的方式在豎向位置進行混凝土拱肋的澆筑，完成后將拱肋從兩側逐漸放倒，最后將其搭接成拱。在豎向轉體施工技術方面我國的研究起步較晚，直到20世紀80年代末才取得初步研究成果，于1996年竣工的三峽蓮沱鋼管混凝土拱橋和1999年竣工的廣西鴛江鋼管混凝土拱橋均使用了豎向轉體施工技術，近年來豎向轉體和水平轉體相結合的施工技術也取得了一定的應用效果。

3 橋梁轉體施工技術要點分析

橋梁轉體施工技術的核心問題是轉動機械和轉動性能，這些因素是施工過程中橋體結構強度和穩(wěn)定性的保證。

3.1 豎向轉體法

豎向轉體法通常使用在跨徑較小的橋梁施工中，因為如果橋梁的跨徑較大，將使得豎向脫架具有較高的高度且拱肋也相對較長，使轉動過程變得困難和不易控制。豎向轉體法經(jīng)常用于肋拱橋，在較低位置完成拱肋的澆筑和拼裝，而后將拱肋提升到設計標高再進行合攏。豎向轉體主要由牽引系統(tǒng)和索塔、拉索構成，豎向的拉索索力在脫架時達到最大，因為這時拉索水平方向的角度最小，即豎向分力也最小，拱肋要分別經(jīng)歷從多跨支撐到鉸支撐再到扣點索支撐的過度，在脫架時要實現(xiàn)從結構體形變與受力轉化，必要時可在提升索點處放置千斤頂來助升，可使豎向轉體脫架順利［4］。

在制訂豎向轉體施工方案時，應合理布設豎轉體系，如果索塔較高、支架較高（拼裝位置），則水平方向的交角也大，使得脫架的提升力變小，但此時的索塔和拼裝支架的受力較大，尤其是在受壓穩(wěn)定的情況下受力更大，施工材料用量變多。豎向轉體施工中應著重考慮索塔和拱肋的受力情況，同時應特別關注風力的作用。在實際的施工工藝和流程中，為保證豎向轉體的質量和轉動的靈活性、安全性，應注意豎轉鉸的結構構造和安裝時的精度、索鞍和牽引動力裝置的性能、索塔及錨固系統(tǒng)的穩(wěn)定性等。國內目前的拱橋工程以無鉸拱居多，豎轉鉸多為臨時施工構件，因此豎轉鉸結構強度與精度要求應符合施工工藝標準，并最大限度地降低工程造價。當橋梁跨徑較小時可使用插銷式，拉索牽引系統(tǒng)可使用卷揚機進行牽引，當跨徑較大時可使用滾軸式，此時需要的牽引力較大，用到的牽引索較多，應使用液壓千斤頂輔助系統(tǒng)。

3.2 水平轉體法

水平轉體法的轉動體系統(tǒng)包括轉動支撐系統(tǒng)、轉動牽引系統(tǒng)和平衡系統(tǒng)。

3.2.1 轉動支撐系統(tǒng)

轉動支撐系統(tǒng)主要指水平轉體法施工中的機械設備所構成的系統(tǒng)，包括上轉盤和下轉盤，上轉盤用來支撐轉動結構，下轉盤與基礎連接，上轉盤與下轉盤的相對運動完成轉體施工。應注意的是，轉動支撐系統(tǒng)應兼顧轉體、承重及平衡等功能，依據(jù)轉動支撐過程中的平衡條件，轉動支撐可以分為磨心、撐腳、磨心和撐腳相結合3種支撐類型。磨心支撐的全部轉動重量由中心撐壓面負擔，一般情況下磨心安裝有定位軸，為提高施工過程的安全性，可在支撐轉盤附近設置支重輪或支撐腳，在正常轉動時支重輪或支撐腳與滑道面分離，當發(fā)生傾覆時可起到支撐作用，在已完成轉體的橋梁中，通常要求此間隙范圍是2～20 mm，當間隙越小時，對滑道面落差的要求越高。磨心支撐分為鋼結構及鋼筋混凝土結構，我國常見鋼筋混凝土結構，應將位于上下轉盤間弧形面混凝土打磨光滑，并涂以黃油或二硫化銅進行潤滑，目的是為了減小摩擦系數(shù)（0.03～0.06）。撐腳情況下轉盤實為一環(huán)形道，為保證水平轉體過程的穩(wěn)定性，上轉盤撐腳應為4個及以上，轉動過程中的支撐范圍較大，抗傾覆性能較好，但是阻力力矩也相應變大，并且環(huán)道和撐腳施工精度較高。撐腳方式包括滾輪和柱腳，當滾輪平轉情況下為滾動摩擦，摩阻力較小但加工較困難，加工的精度如果不夠將導致滾輪變形而無法滾動；使用柱腳進行平轉情況時為滑動摩擦，可使用不銹鋼板及四氟板并涂以黃油進行潤滑，加工的精度相比滾輪更容易得到保障。隨著我國橋梁工程轉體施工的精細化程度越來越高，在橋梁轉體的結構懸臂很大時或對抗傾覆性要求較高時，通常使用轉動支撐系統(tǒng)［5］。

3.2.2 轉動牽引系統(tǒng)

在磨心和撐腳相結合支撐時，磨心和撐腳垂直方向安裝有保護撐腳，假設撐腳大于1個，則支撐點數(shù)量應大于2個，上轉盤與超靜定結構相類似，因此在實際施工過程中，使各支撐點受力均滿足設計要求比較困難，考慮到這一點，應適當減小磨心的受壓比例，盡可能使其變?yōu)閾文_體系。在水平轉體施工過程中，能否轉動是最重要的問題，根據(jù)施工經(jīng)驗可知，啟動摩擦系數(shù)應設定在0.06～0.08，但有些情況下為獲得足夠的啟動力，可將啟動摩擦系數(shù)按0.1進行配置，可見減小摩阻力和提高轉動的力矩是水平轉體施工的兩個關鍵點。轉動力一般位于上轉盤外側，為獲得更大的力臂，轉動力既可以是推力，又可以是拉力。推力可由液壓千斤頂施作，但千斤頂?shù)男谐梯^短，在轉體過程中，千斤頂?shù)妮d重量又很大，為確保水平轉體過程的連續(xù)性，單獨使用千斤頂進行頂推轉體的情況比較少見。轉動力多為拉力，小轉動重量時使用卷揚機，轉動重量較大時則使用液壓千斤頂牽引，必要時也可使用助推千斤頂輔助施工，在減弱啟動時靜摩阻力和動摩阻力間增量的效果較好。

3.2.3 平衡系統(tǒng)

平衡問題是水平轉體施工中比較重要的問題，對斜拉橋和“T”形架構橋來說，應以橋墩的軸心作為轉體的中心，對帶懸臂的拱橋也應如此處理，因為這些類型的橋梁以橋墩軸線方向呈對稱結構。為降低重心，一般將轉盤下放到墩底。對單跨型拱橋和斜腿鋼構橋而言，水平轉體施工常見有平衡重和無平衡重兩種形式，有平衡重情況下橋體上部的結構將和橋臺一并作為橋梁轉體結構，上部結構的懸臂較長、重量較輕，而橋臺則相反，因此在進行轉軸中心的設定時，為獲得最佳的平衡狀態(tài)，應盡量遠離上部結構的方向，如果平衡效果較差，則可在后臺施作新的平衡重。無平衡重轉體過程中，僅轉動上部的結構即可，使用背索達到平衡，使轉體時的被轉動部分為索和轉鉸兩支撐點的簡支結構。

4 球鉸法轉體施工技術的工程應用

4.1 工程概況

廣西柳州市某立交特大橋在HK25+465.83～HK25+578.24上跨既有鐵路，其上部的結構使用（40+64+40）m單線連續(xù)梁，為預應力混凝土連續(xù)梁，該橋與既有鐵路線的夾角為30°，為使該段鐵路安全運營，最大限度地減少施工對既有線路的運營干擾，連續(xù)梁計劃使用轉體施工，在進行轉體前，連續(xù)梁主墩處掛籃澆筑施工，當進行到最大懸臂施工時，綜合考慮當前鐵路運營情況、天氣環(huán)境因素等，選擇合適的時間進行轉體施工，逆時針旋轉連續(xù)梁30°，轉體施工完成后再進行合攏施工。

4.2 轉體結構分析

鋼球鉸轉動體系由三大部分組成，分別是承重、頂推牽引和平衡系統(tǒng)，承重系統(tǒng)結構包括上轉盤、下轉盤和轉動球鉸，下轉盤和樁的基礎連接，上轉盤用以支撐轉體結構，上、下轉盤的相對運動最終完成轉體的目的。頂推牽引系統(tǒng)主要由牽引設備、2臺ZLD100型連續(xù)千斤頂（100 t）、2臺YCW100普通型助推千斤頂（100 t）、牽引反力支座及頂推反力支座組成。平衡系統(tǒng)由結構體本身、上承臺鋼混圓形撐腳、大噸位的千斤頂和備用水箱構成，備用水箱應置于梁頂部，容積為5 m3，數(shù)量為4個。

4.3 施工方法

本工程案例中在承臺和連續(xù)梁的橋墩之間設置轉體球鉸，鋼球鉸設置在承臺正中心處，球鉸的下轉盤在承臺頂部進行錨固，而上轉盤錨固在墩身底部，如此，球鉸上下轉盤便可圍繞中心位置的鋼軸進行相對轉體運動，涂以四氟滑片或硅脂等潤滑劑來減少轉體過程中的動摩阻力。轉體施作時以球鉸為中心對稱架設2臺連續(xù)千斤頂，通過千斤頂產(chǎn)生的力偶來抵消球鉸摩阻力所產(chǎn)生的力偶，使墩身箱梁整體能夠相對承臺和樁基進行勻速轉動，直至轉動到設計位置為止。

箱梁澆筑前，應按指定位置預埋φ32 mm精軋螺紋鋼用以臨時固定上、下轉盤，此外應使用木楔鋼板來加固撐腳并施作焊接，最終使撐腳和承臺臨時性固結，達到梁體施工過程中橫向的抗傾覆性提高的目的，避免在箱梁澆筑過程中出現(xiàn)承臺和墩身的相對移位。

5 結束語

本文重點討論了橋梁工程轉體施工的技術要點，分別列舉了水平轉體施工法和豎向轉體施工法，結合具體案例，分析了球鉸法轉體施工技術在實際工程中的應用情況。隨著我國橋梁工程領域的施工技術在不斷進步，越來越多的大跨徑橋梁項目順利通過竣工驗收并投入使用，這其中轉體施工技術發(fā)揮了巨大作用，不僅有效避開了正在運營的既有線路和其他不利施工的環(huán)境，近地面施工對保障工程的質量和作業(yè)人員的安全也具有重要意義。