太原涧河转体立交桥施工技术

李纵

（中交一航局第三工程有限公司，辽宁 大连 116083）

0 引言

随着交通工程建设的发展，公路与公路、铁路相互跨越或公路跨越山间沟谷而修建的跨线桥工程日益增多[1]。转体施工是解决上述问题的新技术之一，将梁体在偏离桥位轴线一定角度处制作，形成整体或半整体结构后，再利用转动结构使桥体转动后与设计轴线相吻合，最大限度减小对既有线路的影响和减小跨山谷施工的难度。

转体施工包括平面转体及垂直转体。垂直转体在过往的拱桥或斜腿刚构桥中多有采用，但跨度受到一定的限制。平面转体施工技术近年来得到很大发展，其中转体的长度和重量分别达到182 m（北京市西六环跨丰沙铁路斜拉桥）和171 500 kN（郑州市中心区跨铁路桥）。

太原市涧河路立交桥跨越铁路石太线、石太客运专线，采用转体法施工。北幅主线转体墩位于既有铁路东侧，上部结构为（63+70）m预应力混凝土T型钢构，其中，转体部分跨径组合为（56.5+63.5）m，桥梁为整幅设桥，由三幅组成，采用平面转体施工。

施工中使用转盘结构将整个桥梁结构分为上、下两部分：上部分为转动体部分（上转盘），下部分为固定部分（下转盘），其间以球铰转轴为转动结构。转动部分的重量通过球铰传递至下部结构。通过预埋的平面力偶牵引系统产生的转动力矩克服球铰摩阻力矩，使上部结构转动到位。最后施工合龙段，转换桥梁结构受力体系。工艺流程图见图1。

1 转动结构

对大吨位的转盘，球铰转动接触面更趋向于使用不锈钢和聚氟乙烯板结合的接触结构。不锈钢球铰是当前转体施工的主要转动体系。

图1 平面转体施工工艺流程图Fig.1 Plane swivel construction process

1.1 球铰设计

球铰竖向反力计算时，取以下两种最不利情况控制球铰的竖向承载力。

1）当转动体系平衡时，球铰轴心处竖向反力等于转体部分重量，即N1=G；

2）当转动体系失去平衡时，球铰轴心处竖向反力大于撑脚处竖向反力，存在偏心矩[2]。N1=G－ N2；N2=Ge/R1。

涧河路立交桥转体总重量G=（上承台+墩身+转体段）=150 000 kN，上下承台采用C40混凝土浇筑，其轴心抗压强度为 [σ]=26.8 MPa，则转盘直径D为：4G/（πD2）＜[σ]，则D＞2.67 m。结合转体构造、球铰滑板的布置空间及施工要求，球铰直径取3.8 m。

1.2 转盘的施工

1.2.1 球铰安装

球铰安装在承台上下转盘之内，为便于准确预埋滑道及球铰的支撑架，转动墩承台混凝土分2次灌筑，2次分别为：0～2.8 m，预埋角钢等，安装滑道及球铰的支撑架，安装下球铰及滑道；2.8～4.0 m，固定滑道及球铰施工。

在浇筑主墩承台下转盘时，要预留定位轴套、下转盘及滑道支腿的预埋件，出气位置要准确。下球铰骨架要有足够的刚度和强度，在焊接或浇筑混凝土时不致使下球铰错位，见图2。

图2 下转盘骨架安装Fig.2 Installation of the under turntable framework

下球铰精密定位后进行锁定。用混凝土填充预留槽及下转盘的空隙，在混凝土灌筑前将中心轴的套筒精确定位。安装完毕后，在下球铰表面按顺序安装聚四氟乙烯复合夹层滑板。在滑板表面和滑板间的空隙处均匀涂抹黄油和四氟乙烯粉混合成的润滑脂。在上球铰面上也均匀涂抹1层润滑脂，将上球铰精确定位，并通过定位销轴临时锁定限位使上下球铰中心重合。在球铰安装前，须将上球铰面和下球铰凹球面均清理干净，保证无杂物、水、铁锈。上下承台完成后要进行临时固结。

1.2.2 撑脚与滑道的安装

撑脚是保证上转动体转动稳定的重要组成部分。上转动体的重力主要由上转盘通过球铰传给下转盘乃至下承台。撑脚向下悬挂在上转盘的8个方位，平均与下转盘滑道的间隙设置约3 mm。当在转动过程中发生偏载作用时，转动体系的偏载重力由撑脚传给下转盘上的滑道上，支承整个转动体系。

1.2.3 临时固结

使用24个砂箱平均分布在8个撑脚的中间位置，比撑脚略高3 mm，以使上下转盘之间密贴受压均衡。在转盘的4个角位，使用4×68支φ32 mm的高强度拉力钢筋，拉力钢筋下面预埋在下转盘中，在上转盘顶端，使用千斤顶预应力张拉，使上下转盘临时固结。

2 转动体的不平衡力矩及称重试验

桥梁转体施工要保证转动的平稳性，在理论上应绝对保证两侧悬臂结构重量一致。设计要求在桥梁转体施工前进行不平衡称重试验，对桥梁转体部分的各种技术参数进行测试，完成转体梁的配重方案。

2.1 称重试验的测试方案

沿纵桥向距转动中心L1=L2=5 m布置2台千斤顶及压力传感器，将转体结构的一端顶起；当施力顶起的同时，观测位移传感器显示的位移值；当位移增加，施加的力不增加时记录此时的压力值；然后在转动体的另一侧重复此项工作；将两端产生的压力数据进行解析，计算出转动体的不平衡力矩[1]。

随着临时固结的拆除，不平衡力矩和摩阻力矩也将发生相应作用。在临时固结拆除后，将出现下列两种情况中的一种：工况1，转动球铰的摩阻力矩小于不平衡力矩；工况2，不平衡力矩小于转动球铰的摩阻力矩[3]。拆除临时固结过程中利用对称安装的百分表判断转体结构是否沿纵桥向转动。

2.2 纵向不平衡力矩及摩阻力矩测试数据整理

2.2.1 确定转动体纵桥向开始转动时的顶力

根据测试西侧顶力P1=2 353 kN；东侧顶梁时使转动体发生转动时的顶力为P2=2 370 kN。顶升试验荷载与位移的关系曲线见图3。

图3 转动球铰荷载-位移关系曲线Fig.3 Spherical joint loads-displacement curve

由上述球铰荷载——位移关系曲线图可知，当荷载小于使梁体发生转动的顶力P1=2 353 kN、P2=2 370 kN时，呈线性变化；当荷载大于该顶力时，位移增加，荷载变化缓慢，梁体转动。由此可以判别，P1=2 353 kN、P2=2 370 kN分别为球铰克服静摩阻力的临界顶力。

2.2.2 转动体纵向不平衡力矩及球铰摩阻力矩

由于东西两侧千斤顶顶力点距转动球铰几何中心的距离相等。根据上面分析结果可以计算出转动体不平衡力矩和球铰摩阻力矩分别为MG=42.5 kN·m、MZ=11 807.5 kN·m。

2.2.3 转动体球铰摩擦系数的分析计算

在称重试验时，球铰在沿梁轴线发生微小转动，假设转角为θ。球铰摩擦系数计算示意图见图4。

对摩阻力矩求积分得：

图4 球铰摩擦系数分析示意图Fig.4 Thefriction coefficient of spherical joint rotation structure

转动体偏心距为：

由计算可知，转体结构部分重心沿桥梁纵向偏东0.284 mm，转动球铰的摩阻系数为0.0098659，小于转体前采用的经验摩擦系数0.06。

2.3 临界启动力测试分析

转体施工前要进行试转。试转的目的是为了检查转动体转动是否正常，通过收集测试转体开始、正常及结束时的相关参数，作为正式转体控制的依据。

转体结构转动临界启动力P=404.69 kN。为了实现预定时间内完成转体施工，将转动拉力提高至 720～800 kN。

3 桥梁转动体的转动

3.1 牵引力的计算

通过微积分的方法计算中心球铰的摩阻力距。可以将中心球铰划分为无限多个圆环，每个圆环对应一个从0到R的半径r，半径差值为Δr。

式中：μ为滑动摩擦系数，根据经验，启动时静摩擦系数取μ=0.1，转动过程中的动摩擦系数取μ=0.06；G为转动体系的总重量150 000 kN；R1为球铰半径1.9 m。

式中：R2为转台的半径5.5 m；因此在启动时，需克服的静摩擦力T静=1 727.3 kN﹤2 000 kN，转动过程中，需克服的动摩擦力为T动=1 036.4 kN﹤2 000 kN。根据计算结果，转体过程中采用2套200 t连续张拉千斤顶，启动时的动力储备系数为2 000/1 727.3=1.16。

从计算结果可以看出，启动时，千斤顶动力储备偏低，考虑到不平衡弯矩致使撑脚与环道接触后的摩擦力，尤其是启动阶段阻力的增加，对此，启动时采用2台250 t助推千斤顶，每台预施力为700 kN，使千斤顶动力储备不低于1.2。

每套千斤顶穿过19根钢绞线，钢绞线的安全系数为（19 根/台 × 21 t/根）/164.5 t=2.31，牵引钢绞线的安全储备达到了工程设计的要求。

转体时间主要由牵引索的牵引速度决定，根据OVM公司提供的牵引索张拉千斤顶有关资料，千斤顶的牵引速度V=60L/S，L为泵头流量，0~36 L/min可调，按18 L/min控制；S为张拉活塞面积（2台），2×8.199 6/100 m2；通过计算V=6.586 m/h。整个转体所用时间T=Ls/V，Ls为转盘所走的弧线长度，Ls=6.716 m；

通过计算，转体理论时间T=62 min，牵引钢绞线速度0.11 m/min，转体角速度1.13°/min，转体悬臂端线速度1.074 m/min。

根据JTJ 041—2000《公路桥涵施工技术规范》规定，转体角速度不大于0.01～0.02 rad/min，转体悬臂段线速度不大于1.5～2.0 m/min。上述计算数据均满足规范要求并且满足铁路施工要求。转体前准备时间15 min，转体总时间控制在80 min以内。

3.2 试转

预紧钢绞线。预紧过程中确保19根钢绞线平行地缠于转盘上，用YDC240Q千斤顶对钢绞线逐根施加5~10 kN的力，对称进行并重复数次，以保证各根钢绞线受力均匀。试转结束后，要及时临时支撑固定上转盘，防止发生倾斜。

3.3 转体

为避免因动静摩擦系数不同而造成间隙性的冲击力，使用电脑控制的QK-8主控台，一对连续张拉千斤顶QDCL2000，ZLDB液压泵，连续不间断的张拉预埋的预应力钢绞线，使上部转体以1°/min的速度慢速转动，直至到达预定的位置，然后仔细调整转动体的姿态。转体动力系统具有自动控制和手动操作两种功能，在桥面中心轴线合拢前1.5 m内，开始给控制台倒数报告监测数据，每10 cm报告1次；在20 cm内，每1 cm报告1次，最后临时固定上下转盘间的间隙，尽快封闭上下转盘之间的混凝土和包封结构。

4 结语

太原涧河立交桥转体施工跨越既有Ⅰ级铁路、客运专线，具有工期紧张、安全性要求高等特点。为了确保运营期间的安全施工，对桥梁转体施工的关键技术进行了详细研究并严格论证，并在该工程实践中取得成功。进一步证明其有工期短、效率高、质量保障、综合效益好的优点。

[1] 郝小平，张宝灵，江智勇.大型双幅同步自平衡T型刚构转体桥施工工法[J].科技资讯，2009（22）：41-45.HAOXiao-ping,ZHANGBao-ling,JIANGZhi-yong.Construction method for large-scaledouble-breadth synchronousself-balancing T-typerigid-framed swingbridges[J].Science&Technology Information,2009(22):41-45.

[2] 余常俊.转体法施工转动体系设计、加工与安装技术研究[J].铁道建筑，2010（6）：1-3.YU Chang-jun.Study on design,manufacture and installation technologies of twisting system in bridge twisting body method[J].Railway Engineering,2010(6):1-3.

[3] 魏峰，陈强，马林.北京市五环路斜拉桥转动体不平衡重称重试验分析[J].铁道建筑，2005（4）：4-6.WEIFeng,CHENQiang,MA Lin.Analysis of experiment to weigh unbalanced weight of swingbody in cable-stayed bridge on Beijing Fifth ringroad[J].Railway Engineering,2005(4):4-6.