连续梁墩顶转体施工技术研究

2018-06-30陈南宁

卷宗 2018年18期

陈南宁

摘要：本文首先介绍了桥梁转体施工法的相关知识，然后以新建北京至张家口铁路土木特大桥（60+100+60）m连续梁转体施工为例，从转体系统安装、称重、配重及转体实施几个方面探讨了连续梁墩顶转体施工技术，最后对墩顶转体和墩底转体进行了分析比较，为以后连续梁转体施工法的设计和施工提供参考。

关键词：转体施工法；竖向转体；水平转体；墩顶转体；墩底转体；连续梁；体系转换

1 前言

桥梁转体施工法是指将桥梁结构在非设计轴线位置制作（浇筑或拼接）成形后，通过转体就位的一种施工方法。它可以将在障碍上空的作业转化为岸上或近地面作业。根据桥梁结构的转动方向，它可分为竖向转体施工法、水平转体施工法（简称竖转法和平转法）以及平转与竖转相结合的方法[1]。其中以平转法应用最广，可应用于刚构桥、斜拉桥、预应力混凝土连续桥、连续钢箱梁、简支钢桁梁和拱桥等桥型[2]。

桥梁转体施工法最先出现的是竖转法，国外始于20世纪40年代。平转法于1976年首次在奥地利维也纳的多瑙河运河桥上应用。我国于1977年3月在四川遂宁首次采用平转法建成70m跨径箱肋拱桥[1]。

随着我国经济的快速发展以及基础设施的大规模建设，桥梁转体施工法特别是平转法因跨越铁路、公路、航道时可以最大限度地减少对交通运输的干扰，得到了运营管理单位的青睐，在跨越繁忙交通线路与航道的桥梁施工中逐步推广，取得了诸多创新成果[2]。

预应力混凝土连续梁水平转体分为墩顶转体、墩底转体，连续刚体转体为墩底转体[3]。本文以新建北京至张家口铁路（以下简称京张高铁）土木特大桥（60+100+60）m连续梁墩顶转体施工为例，探讨连续梁墩顶转体施工技术，并与墩底转体施工分析比较。

2 工程概况

京张高铁土木特大桥位于河北省怀来县土木村和官厅水库之间，桥位处地势平坦开阔，桥址区以村庄及耕地为主，其中心里程为K105+156.210，全桥长3503.48m。上跨大秦线设计为双线（60+100+60）m预应力混凝土连续梁，墩号从23#至26#，位于直线上，线路纵坡2.5%，竖曲线半径25000m，线间距5m，设计时速350km/h。

（60+100+60）m连续梁与大秦线交叉角度为38o，相交处土木特大桥里程为K104+272，大秦线里程为K223+002，位于沙城东至北辛堡区间。连续梁中墩墩高均为18m，采用圆端型截面，横向宽11.2m，纵向宽5.0m；为布置墩顶转体系统，墩帽尺寸加大，横桥向宽11.2m，纵向宽8.8m，圆倒角半径2.5m。连续梁为单箱单室直腹板截面，顶板宽12.6m，底板宽6.7m，底板下缘按二次抛物线变化，中支点梁高7.91m，中跨跨中及边支点梁高4.91m。

3 总体施工流程

（60+100+60）m连续梁首先采用挂篮悬浇成形，然后墩顶转体就位，再合龙边跨、安装支座，最后合龙中跨成桥。转体长度2-2×49m，转体角度顺时针31°，转体重量2-5630t。连续梁墩顶转体法施工技术要求高，工序复杂，总体施工流程如图2所示。

4 关键施工技术

4.1 墩身施工

墩身施工同陆地一般墩身，搭设盘扣脚手架作为施工平台；采用汽车吊机进行吊装（主墩靠近营业线，管理单位一般限制采用塔吊）；钢筋在钢筋车间制作成半成品，平板车运至现场安装成形；模板采用大块定型钢模板，精轧螺纹钢对拉加固；混凝土由拌和站集中供應，罐车运输至现场，汽车泵输送入模，分层浇筑，插入式振捣器振捣密实。

下转盘设置于墩顶（墩帽），整个墩身应分节浇筑。施工到墩顶时应注意安装、定位球铰及滑道骨架，预埋牵引反力座、临时固结、支座垫石、防落梁挡块等结构的预埋筋（件）。

4.2 滑道安装

滑道宽0.8m，环形，中心直径5.24m，位于撑脚的下方（即下转盘顶面）。滑道及其骨架现场整体吊装安装，采用“十字线”对中法定位，高程微调可利用滑道骨架上的螺栓进行。滑道骨架安装应位置准确、固定可靠。滑道顶面的平整度应符合设计要求，设计无要求时，滑道3m长度内的平整度≯±1mm，径向对称点高差不大于环形滑道直径的1/5000。

4.3 转体球铰组成

转体球铰主要由下球铰支撑骨架（以下简称骨架）、下球铰、上球铰、夹层钢板、钢护筒、销轴套管、定位销轴（以下简称销轴）、滑块等结构组成。上球铰下面板为凸面，通过钢护筒与梁底转盘连接；下球铰上面为凹面，嵌固于骨架上，表面排布滑片嵌槽。球铰中央设置销轴套管，内置销轴，用于球铰定位及抗剪作用。上下球铰之间设置滑片，滑片嵌于下球铰面板的预留槽中，并通过沉头螺钉固定[4]。

4.4 转体球铰安装

球铰制造完毕后，需先在工厂进行预拼装，检验合格后运往工地安装。

球铰运输过程中，应确保球铰受力均匀，防止产生变形。

下球铰安装要求精确、牢固，应先安装其骨架。骨架定位采用“十字线”对中法；高程调整时，可在骨架四角各设置1个5T手动螺旋千斤顶进行微调。骨架安装精度规范和设计无要求时，可参照中心位置偏差≯1mm、高程误差（-5，0）mm控制，以便精确安装下球铰。

骨架安装固定后将下球铰吊装于其上，通过骨架上的调平螺栓进行定位，精确对位后锁定。安装精度规范和设计无要求时，下球铰中心位置偏差≯1mm，边缘各点的高程差≯1mm。

下球铰中心的预埋销轴套管应提前焊接好，并将底部封堵，确保焊接严密、位置精确。下球铰安装完成后将圆柱钢锭放入，然后插入销轴，注意销轴表面应涂满黄油，上端牢系φ5mm钢丝绳，并从销轴套管顶端引出，以便转体后拔出销轴。

下球铰安装完成后，将球面清理洁净，对号入槽安装滑块。滑块顶面应位于同一球面上，球面误差≯0.2mm。检查合格后，在球面上各滑块顶面及滑块间均匀满涂黄油四氟粉，注意不得掉进杂物。

上球铰安装前，在凸球面上涂抹一层黄油四氟粉，然后将上球铰吊起对准中心销轴轻落至下球铰上，用拉链葫芦微调上球铰位置，使之水平并于下球铰外圈间隙一致，安装水平位置误差≯1mm。去除被挤出的多余黄油四氟粉，并用宽胶带纸将上下球铰边缘的缝隙密封，严禁泥沙或杂物进入球铰面。

上球铰安装就位后，在上球铰腔内灌注C50微膨胀混凝土（宜在上球铰安装前完成），确保混凝土密实，达到要求强度后，吊装夹层钢板、钢护筒，对中后采用高强螺栓将上球铰、夹层钢板、钢护筒连接牢固。

4.5 销轴套管安装

上、下球铰中心设置销轴，用于球铰定位及抗剪作用，为确保成桥后连续梁在支座处能顺利纵、横向位移，转体完成后需将销轴拔出。销轴套管是销轴拔出的通道，下端插入钢护筒底板孔内，上端伸出至连续梁中横梁过人孔。

本转体系统销轴套管外径235mm、内径211mm、壁厚12mm。上球铰、夹层钢板、钢护筒连接牢固后，将销轴套管吊起插入钢护筒底板中央预留孔内，确保销轴套管对中、竖直，并将销轴套管外壁与钢护筒底板中央预留孔的间隙封堵严密，防止进浆造成销轴抽拔困难。

销轴套管安装应特别注意以下事项：

（1）销轴套管下端严禁伸入夹层钢板中央孔内，以免造成后期夹层钢板抽出困难，详见图5、图6。

（2）正确安装后，必须采取可靠措施支撑销轴套管，防止倾斜或掉落至夹层钢板中央孔内。

为防止转体后夹层钢板抽拔困难的问题出现，建议从设计方面考虑优化。比如将夹层钢板中央预留孔直径设计成稍小于销轴套管外径；或将夹层钢板沿通过其中央预留孔圆心的直线分割成两块，后期可分别抽拔。

4.6 转体施工注意事项

转体系统应设置防超转限位装置。

转体前确保清除转体范围内各种障碍物。

转体前应进行转体结构稳定、偏心及牵引力计算，牵引设备应按计算牵引力的2倍配置。

转体前应进行称重，根据实测不平衡力矩计算出配重重量，使实际重心偏移量满足设计偏心要求，宜为0.05m～0.15m。配重物应重量准确便于计量，并可靠固定，不得滑移或滚动。

转体前对全桥各部位，包括转盘、转轴、滑道、撑脚、牵引系统等进行测量、检查，无误后进行试转。试转时记录连续千斤顶启动时油表读数和均匀转动时油表读数；计算出静摩擦力和动摩擦力，与设计值进行比较、分析；记录每“点动”1s、2s、3s、5s时梁体转动角度和梁端轉动距离。

转体前应综合考虑各种因素，准确实测转体长度，并进行演示，确保中跨及边跨处梁端间距满足要求，不发生碰撞。

转动时应控制转速均匀，角速度不宜大于0.02rad/min，且桥体悬臂端线速度≯1.5m/min。

平转接近设计位置1m时降低平转速度，距设计位置0.5m时采用“点动”牵引法就位[3]。

4.7 转体后施工内容

本连续梁墩顶转体后，需进行体系转换、支座安装及合龙段施工，主要施工步骤及注意事项如下。

（1）临时锁定梁体；采用支架现浇方案快速施工边跨合龙段；同时施工中墩支座垫石。

（2）卸落边跨合龙段支架；解除梁体临时锁定；拆除撑脚。

（3）支座垫石混凝土强度满足要求后，在中墩安装、调试顶梁设备，将梁体顶升2～5mm；从销轴套管内拔出球铰中央销轴；拆除连接上球铰、夹层钢板、钢护筒的高强螺栓，抽出夹层钢板（夹层钢板厚度为40mm），再将上球铰及钢护筒采用高强螺栓重新连接牢固，使上、下球铰脱空，后期梁体能自由位移。

（4）将永久支座顶推就位，调整至设计标高；缓慢落梁，使梁底与支座顶面密贴时锁定顶梁千斤顶，以锁定梁体高程。

（5）拧紧永久支座上、下钢板的锚固螺栓，灌注支座砂浆。支座砂浆达到设计强度后卸落千斤顶，完成体系转换。

（6）施工中跨合龙段，全桥合龙。可同时施工防落梁挡块，安装防落梁。主体完成。

5 梁端间距研究

转体前清除转体范围内各种障碍物，选取合适的梁端间距防止转体过程中发生碰撞，是确保顺利转体的关键之一。土木特大桥（60+100+60）m连续梁24#墩、25#墩转动中心水平距离100m，转动梁体悬臂长度49m。中跨合龙段长2m，采用“钢壳法”施工，预埋段钢壳外露梁端长0.5m，如图7所示。

当24#墩、25#墩梁体完全同步转体时，梁端理论最小间距为0.201m，如图8所示。

实际施工中，销轴与销轴套筒存在间隙、温度变化、不平衡配重导致梁体倾斜、施工误差等因素都会导致转动梁体梁端间距发生变化。应充分考虑各种不利因素，必要时采取交错转体方案，选取合适的梁端安全间距防止梁体发生碰撞。设最小安全间距为△s，可用以下公式计算：

△s≥△r+△t+△d+△e （式5-1）

其中：△r——转动体纵向偏移引起的梁端间距变化

△t——温差引起的梁长变化

△d——梁体纵向倾斜引起的梁端位移

△e——施工误差引起的梁长变化

（1）转动体纵向偏移引起的间距变化

理论上转动体（上球铰）中心应与下球铰中心重合，实际中由于施工误差、较大的纵坡、不平衡荷载等因素会引起转动体在转体前或转体过程中发生纵桥向偏移。由于销轴的定位及抗剪作用，最大偏移量为销轴与销轴套管的间隙值，例如本连续转体装置销轴套管内半径r1=105.5mm，销轴半径r2=87.5mm，则可能的最大偏移量为（r1-r2）/2=18mm。

但本连续梁纵坡为2.5%，小于球铰动摩擦系数，且球铰为“稳定平衡”结构（平铰为“随遇平衡”结构），当转动体稍微偏离平衡位置时，所受的合力或合力矩将使其返回平衡位置，故不考虑纵坡及不平衡荷载因素。△r取值仅考虑施工误差，△r=5mm。

（2）温差引起的梁长变化

温差引起的梁长变化参照支座纵向预偏量中温差引起的偏移量计算方法：

△t=（转体时温度-转动梁体最后一节浇筑时温度）×α×L （式5-2）

其中：α——主梁混凝土线膨胀系数，取1×10-5/℃

L——转动中心至梁端长度，本连续梁为49m

为确保安全，计算△t为负值则取0。本连续梁转体温度低于最后浇筑温度，△t=0。

（3）梁体纵向倾斜引起的梁端位移

上转盘共设有4组撑脚，中心线的直径为5.24m，每组撑脚由2个φ500×24mm钢管组成，下设30mm厚钢板。安装时撑脚与滑道的间隙为30mm。转动梁体施工完成拆除临时固结及砂箱后，测得撑脚与滑道的间隙平均为20mm，抄垫10mm厚MGE板后间隙为10mm。

为确保转体过程中梁体稳定，拟采用由球铰及2组撑脚共同受力的“三点受力”稳定体系。实现方法是在24#墩、25#墩转动梁体中跨端施加配重，当配重引起的不平衡力矩大于球铰球面摩擦力矩时，梁体将向中跨端倾斜直至撑脚支承于抄垫的MGE板上，此时2组受力撑脚底板间隙为0。转动梁体向中跨方向纵向倾斜，将引起中跨端梁端间距减小。

如图9所示，将转动体看作刚体，球铰球心为O、球面半径为r，梁悬臂段长度为L，梁面至球心O高度为h；2组受力撑脚连线中点至球心距离为|OA|，设|OA|=R，R水平分量为d。

需要计算转动体绕球心O转动、当A点沉降△A（即撑脚钢板底面与MGE板的间隙值，10mm）时，梁端D的水平位移△Dx。由于△A相对R很小，由几何关系可得：

△d=2×△Dx=2×（h/d）·△A （式5-3）

代入数据，本连续梁r=3.645，h=6.175，d=1.977，计算得△d=62mm。

（4）施工误差引起的梁长变化

施工误差主要有放样误差、模板安装误差等，可根据实测数据取值。

本连续梁△e=30mm。

（5）允许安全间距的选取

综上讨论，梁端最小安全间距△s≥△r+△t+△d+△e=5+0+62+30=97mm。

考虑300mm的安全储备，则允许安全间距[△s]=97+300=397mm，取[△s]=400mm，大于同步转体时梁端理论最小间距201mm。考虑本连续梁转体角度小为31°、要点时间较为充裕为90min，可采用交错转体方案。

允许安全间距[△s]的选取应根据设计图纸、施工情况及“要点”时间长短等合理选取，且应考虑一定的安全储备。

采用交错转体方案时，允许安全间距[△s]越小则转体所需时间越少，[△s]越大则转体所需时间越多，应综合考虑在合适的范围以内。[△s]不宜过小，若小于同步转体梁端理论计算最小间距值，如图10所示，则不必采用交错转体。[△s]不宜过大，以一侧转体到位、另一侧梁的角点刚好在设计桥梁中心线时梁端间距为宜，如图11所示；[△s]大于此值时意义不大，反而延长了转体时间。故本连续梁选取的梁端允许安全间距[△s]=0.4m，在0.2m～0.6m的合理范围内。

6 交错转体实施

在确定采用交错转体方案，且选取了合适的允许安全间距[△s]后，如何既确保梁端间距不小于[△s]、又不浪费时间，尽快在“要点”时间内顺利完成转体，是需要认真研究的问题。下面以本连续梁转体为例讨论：

假设转体时24#墩、25#墩转动体角速度ω相等且保持不变，ω=0.0175rad/min；忽略转体启动加速和停止减速的影响。

（1）前期同步转体角度的确定

见图12，设24#、25#墩转动中心为O1、O2，分别以O1、O2为圆心，转动中心到梁端角点的距离（即|O1A|、|O2D|）为半径作圆O1、圆O2，与直线O1O2分别交于点P1、P2；过线段P1P2中点M作中垂线并左右各偏移[△s]/2=0.2m，分别与圆O1、圆O2交于G、H、I、J点。则∠AO1G、∠DO2I为前期可同步转体角度，本连续梁为20.1°。

（2）交错转体步骤

①转体开始时，24#墩、25#墩梁体同时启动，并以相同的角速度同步转动。转体前初始平面位置如图13所示。

②当转体角度等于计算的前期同步转体角度时，24#墩梁体暂停，25#墩继续转动，此时24#、25#墩梁体均转动了20.1°，如图14所示。

③当25#墩梁端角点与24#墩梁端角点相对时，梁端間距最小为[△s]=0.4m，如图15所示。此时启动24#墩梁体，25#墩梁体继续转动直至设计轴线位置。

④25#墩梁体转体到位，停止；24#墩梁体剩余约7.2°，此时梁端角点距25#墩梁端间距为0.601m，如图16所示。

注意，当一侧梁体转动到位瞬间，另一侧梁体梁端角点可能位于桥梁中心线下方、可能正好位于桥梁中心线、也可能位于桥梁中心线上方，共有三种情况，本连续梁为第三种情况。其中角点正好位于桥梁中心线的情况，在此瞬间角点与先转动到位的梁体梁端间距最小，为选取允许安全间距[△s]的最大值。本连续梁为0.601m。

⑤24#墩梁体转动到位，转体结束。此时两梁端间距为1m，如图17所示。

通过交错转体步骤演示可以看出，转动总时间为25#墩梁体转动31°的时间加上24#墩暂停等待的时间。25#墩梁体转动剩余10.9°时24#墩梁体开始暂停，25#墩梁体转动剩余3.6°时24#墩梁体又开始继续转体，则24#墩梁体等待了7.3°（=10.9°-3.6°，与图16中24#墩梁体转动剩余角度7.2°不一致的原因是小数升舍误差造成）。与同步转体31°相比需多花转动7.3°的时间，且允许安全间距[△s]选取越大，转体所需时间越多。

7 墩顶转体与墩底转体比较

现结合前述内容，对墩顶转体和墩底转体进行对比分析。

墩底转体法中，转体装置设置于墩底，避免了高处作业，操作方便；它适用于连续梁和连续刚构。此法有以下主要缺点：

（1）因布置上球铰、撑脚、牵引索等装置需要，上转盘尺寸较大，外露于地面影响美观，故一般设置于地面以下，则转体完成前承台基坑无法覆盖，需长时间暴露，必须做好防水淹措施和基坑临边防护設施。

（2）墩身和梁体一起转动，增大了转体重量，则需加大球铰尺寸和转体牵引力。就目前球铰和连续千斤顶制造技术，影响不大。

（3）由式5-3可得，撑脚下沉引起梁端水平向位移与高度h成正比，采用墩底转体，特别是高墩时，撑脚下沉引起的梁端水平向位移较大，需慎重考虑撑脚间隙确保安全。由几何关系还可算得：

△Dy=△A·L/d （式7-1）

可见只要梁长、受力撑脚连线中心与球心半径一致，撑脚下沉引起梁端竖向位移在墩顶转体和墩底转体中是一致的，转体后在滑道上安装千斤顶调整梁端高程的效果也是一致的。

（4）墩底转体完成后，需封固转盘。上转盘底面和下转盘顶面预留了大量钢筋，影响转体实施；转体完成后上、下转盘预留钢筋连接不顺直，焊接质量无法保证，且封固混凝土浇筑难以确保密实，存在隐患。这应该是墩底转体最大的技术难题。

连续梁转体为克服这些问题，墩顶转体应运而生。它的主要优点是可以减轻转体重量，无需封固转盘。但也存在一些缺点：

（1）转体装置设置于墩顶，高空作业操作不便；需搭设作业平台，采取防风、防高空坠落措施。

（2）不适用于连续刚构转体，因为连续刚构采用墩顶转体时仍需封固转盘，那么墩顶转体最大的优势无法发挥。