跨武广特大桥转体施工技术

王晓明

1 工程概况

跨武广特大桥桥址位于湖北省咸宁市横沟桥镇,桥位沿G 107国道走行,全长 1 483.534m,全桥 43墩 2台,桥梁跨越武广高速铁路位于武广客专铁路咸宁段,铁路里程为K 1300+348。在该处跨武广特大桥采用 48m+80 m+48m现浇连续梁斜跨武广客专,斜交角度 155°(21孔 ～24孔);在施工时,三跨连续梁在平行武广客专线路方向的武广客专两侧防护栅栏之外采用挂篮悬臂现浇施工;悬浇至最后一段跨中合龙段后,通过水平旋转 22号、23号主墩承台带动墩身及梁体转动使主梁就位,调整梁体线形、封固球铰转动体系的上、下盘,最后浇筑合龙段,使全桥贯通。转体段梁长2-(39m+39m);转体总重量 2-4 500 t,为中心承重转体。跨武广特大桥桥下有武广上下行客车线共计2股道,既有线的线间距5m。武广线全程行车速度350 km/h,行车密度30min/趟,每天有 40对列车行驶。

2 主要施工技术方案

2.1 转体施工方案综述及流程

采用中心支承转动、辅以保险平衡脚稳定的方案,并以中心支承为转体体系。在上下层承台间设置转动体系,转盘采用专用球铰。

转体结构由下转盘、球铰、上转盘、转体牵引系统组成。下转盘(下承台)为支承转体结构全部重量的基础,转体完成后,与上转盘共同形成基础。下转盘上设置转体系统的下球铰、撑脚的环形滑道及转体拽拉千斤顶反力座等。下承台顶面,布置不锈钢环道、助推反力孔、牵引反力支座等;上承台底面布置钢管混凝土撑脚、托盘,撑脚底部距离下转盘滑道顶面 30mm,保证脱架后环道撑脚悬空,形成中心承重转动体系。路线两侧各采用2台ZLD100型 100 t连续千斤顶作为牵引千斤顶形成牵引力偶,2台普通QJ100型 100 t千斤顶作为启动助推千斤顶。牵引反力支架布置于下承台,牵引索布置于上承台底部。箱梁浇筑完成后,拆除砂箱形成转动体系,启动牵引系统,上承台、墩身及箱梁形成的整体绕下承台顶面中心位置设置的钢轴旋转 25°左右,到达设计位置、精确测量并临时限位后,及时连接竖向钢筋并采用 C50微膨胀混凝土填充两层承台间的缝隙进行封盘。

转体施工工艺流程图见图 1。

2.2 桥梁转体施工技术方案

2.2.1 转体系统

下转盘(下承台)为支承转体结构全部重量的基础,转体完成后,与上转盘共同形成基础。下转盘上设置转体系统的下球铰、撑脚的环形滑道及转体拽拉千斤顶反力座等。下转盘分三次浇筑施工:第一次在绑扎底层钢筋网片及侧面面层钢筋,并绑扎承台内竖向钢筋后,立模浇筑混凝土;第二次在下球铰和滑道安装固定后,绑扎其余钢筋,浇筑第二层混凝土;第三次浇筑球铰下凸出部分的混凝土。上转盘(上承台)分两次浇筑施工。第一次在上球铰安装和钢撑脚完成后,绑扎上球铰钢筋网片及转台钢筋,浇筑混凝土;第二次浇筑上转盘剩余部分混凝土。

转体结构系统组成见图 2。

2.2.2 转体结构动摩擦力矩及牵引力计算

1)力矩计算。

根据JTJ 041-2000公路桥涵施工技术规范第16.4.3条,T= 2FfR/3D,M1=T1D1=2f1GR1/3=2(D/2)Gf1/3=2 700 kN◦m。

2)牵引力计算。

考虑动摩擦力矩全部由两束牵引钢绞线索承受,则钢绞线索牵引力T1为:T1=M1/D1=337.5 kN。

其中,M1为转体结构球铰处动摩擦力产生的力矩,kN◦m;T1为牵引力,kN;f1为动摩擦系数,按JTJ 041-2000公路桥涵施工技术规范第 16.4条,考虑四氟板圆柱形实体滑块涂抹黄油四氟粉后与钢板之间的摩擦力较小,取f1=0.06;G为转体总重力,取45 000 kN;D为球铰外径,D=3.0 m;R1为球铰水平投影半径, R1=D/2=1.5m;D1为牵引力偶臂(转盘半径),D1=8.0m。

3)转体结构静摩擦力矩及助推力计算。

静摩擦力产生的力矩Mj:Mj=2f2GR1/3=4 500 kN◦m。

助推力计算:

考虑动摩擦力矩与静摩擦力矩间的差值全部由转盘撑脚处的2台助推千斤顶承受,则有:T2=(Mj-M1)/(2R2)=276.9 kN。

其中,T2为助推力,kN;Mj为静摩擦力产生的力矩,kN◦m; R2为撑脚中心线至铰中心的距离,R2=3.25m;f2为静摩擦系数,按JTJ 041-2000公路桥涵施工技术规范第16.4条,取f1=0.1。

4)牵引千斤顶选择。

选用φ15.2-7钢绞线作为牵引索,其标准强度:fytp=1 860MPa, n=7;单根截面面积:A=140 mm2;钢绞线锚下控制应力fk= 0.75fytp=1 395 MPa。

则单束钢绞线容许应力[T]:[T]=nAfk=1 367.1 kN＞ 337.5 kN。

安全系数:K1=[T]/T1=3.62＞2,满足要求。

根据计算结果确定千斤顶及助推千斤顶,采用 2台 1 000 kN连续千斤顶分别对称布置,则动力系数:η1=T1/F1=0.377＜0.85,满足要求。

同理,助推千斤顶选用 2台 1 000 kN螺旋千斤顶,则动力系数:H2=T2/F1=0.277＜0.85,满足要求。

5)惯性制动距离计算。

转动单元达到设计位置之前,连续千斤顶停止牵引,转动单元在惯性力作用下继续转动,此时动摩擦力将阻止整个转动单元继续转动并迫使其停止转动。转动单元的转动速度由位于牵引力支座上的连续千斤顶对钢绞线的牵引速度确定,因此,为了便于控制转动速度,对连续千斤顶油缸行程进行控制,当将连续千斤顶油缸行程调整到0.12m/min时,转动单元的角速度:ω=V1/ r1=0.12/4.0=0.03 rad/min=5×10-4rad/s。

跨径为 80m的连续箱梁的单个T构旋梁端头转动线速度: V2=ωr2=1.17m/m in。

其中,ω为转动体的角速度,rad/s;V1为转盘的转动线速度, V1=0.12m/min;r1为转盘的半径,r1=4.0m;V2为梁端的转动线速度;r2为梁体的旋转半径,r2=39m。

为保证转动单元的安全,连续千斤顶以 0.12 m/min的速度牵引钢绞线,带动转盘转动,那么,梁端以1.17m/m in速度转动时,其动能:W1=MV22/2=2.025。

在摩擦力矩作用下,设止动所需要的转角为α,提供的摩擦力矩为W1=αM1,则α=W1/M1=2.025/2 700=0.000 75 rad,此时梁端中心线与梁体就位中线的差距:L=αr2=0.029 3m。

其中,W1为梁体的转动动能;M1为转动体的质量;α为止动角度。

在止动阶段,当梁顶端部的结构横断面中心线与设计桥位纵断面轴线相差 0.029 3m时应停止牵引,利用惯性就位。然后利用千斤顶逐步将转动单元顶推到设计线位置。

6)平衡措施。

为防止转动单元失衡,在滑道外侧、T构纵横轴线方向设置4台 4 000 kN的备用千斤顶,以便及时调整转体的运行状态。

2.2.3 转体

1)主要设备布置。主要设备布置见图 3。2)脱架并形成转动体系。脱架步骤:清除上下承台间杂物→拆除撑脚下钢楔块→拧开砂箱卸砂孔螺栓→使砂箱内砂自然流出或用高压水枪冲击→移走砂箱→转动体系形成。为了判断转动体系脱架前后实际的重心偏离情况,在浇筑上承台时在其四周设置永久观测标志,并在施工全过程观测记录(精度0.5mm)它们的变化。3)试转体。试转体的目的:a.检验转体方案的实用性、可靠性;b.检验整个指挥系统的协调性;c.检验操作人员是否明确自己的岗位职责和协同反应能力;d.通过演练取得经验并找到差距,以便进一步改进预定的转体方案;e.为了测试连续千斤顶加载后的工作性能,并确定合理转速的油泵控制参数和停止牵引后转动体在惯性作用下可能产生的转动距离。4)正式转体。当转动体系快到预定位置时,迅速将 2台 1 000 kN螺旋千斤顶、型钢、钢板对称地安放到助推反力孔上作为限位装置,防止转体到位后继续前行。通过观察上承台轴线上悬挂的锤球与下承台轴线的差值以及测量人员测量的数据,调整助推千斤顶的顶推速度,采用经纬仪校正箱梁端头中线指挥转动单元就位,中线偏差不大于 2 cm。转动单元就位后,利用备用的型钢、螺旋千斤顶、钢楔子将转盘固定,防止风或其他因素引起转动体发生位移。

2.2.4 转动单元的精调

在下承台顶面与纵横桥向较低位置分别安放 2台 4 000 kN千斤顶,对桥体的纵横向高程进行调整。整个精调过程中,利用电子水准仪对纵横桥向高程进行准确测量;利用全站仪对桥梁轴线进行跟踪监测。在梁顶高程、纵轴线符合设计要求后,在钢撑脚下揳入 4个小钢楔子,完成T构精调。精调过程中应控制顶升力不超过设计限值,并在千斤顶顶面和上承台底面间设置 2Ⅰ28型钢δ=50mm的钢板以扩散局部应力。

2.2.5 锁定与封铰

精调结束后,立即在钢撑脚与内外助推反力支座之间安放型钢反力架,对转动单元进行锁定。然后清洗滑道上的润滑剂、清理底盘上表面脏物,焊接上下承台间的预埋钢筋、钢件、绑扎钢筋,立模浇筑C50微膨胀混凝土封铰,加强养护,使承台形成整体。

[1] TB 10303-2009,铁路桥涵工程施工安全技术规程[S].

[2] TZ 210-2005,铁路混凝土工程施工技术指南[S].

[3] TZ 213-2005,客运专线铁路桥涵工程施工技术指南[S].

[4] 铁建设[2005]160号,铁路混凝土工程施工质量验收补充标准[S].

[5] 铁建设[2005]160号,客运专线铁路桥涵工程施工质量验收暂行标准[S].

[6] 铁科技[2005]101号,客运专线用高性能混凝土技术条件[S].

[7] JTJ 041-2000,公路桥涵施工技术规范[S].