大跨度T构桥转体关键技术研究

任 辉 季新宇

(中铁工程设计咨询集团有限公司郑州设计院，河南 郑州 450000)

桥梁平转法施工是指在偏离设计位置将桥梁浇筑或拼装成形，然后借助动力将桥梁转动就位(设计线)的一种施工方法。平转法施工在市政或公路桥梁上跨既有线路、河流或障碍物时得到了广泛应用，它不仅大大改善了施工条件，还减小了对既有线路或障碍物的影响，取得了良好的经济效益。随着我国交通事业的蓬勃发展，转体桥梁也向着大跨度、大吨位的方向发展。

1 工程概况

某城市市政快速通道采用桥梁形式上跨城际铁路和普速铁路路基段，城际与普速铁路间距约40 m，该市政桥与城际铁路和普速铁路夹角分别为62°和61.8°。由于铁路中间空间狭小，且现场无进出道路，施工设备操作空间受限，铁路路基中间立墩困难。为减小上部结构施工对铁路行车安全的影响，最终采用85 m+147 m+85 m连续刚构形式上跨铁路，两侧转体跨中合龙施工。

主梁采用预应力混凝土结构，混凝土强度等级为C55。主梁采用单箱五室斜腹板截面，箱梁顶板宽38.70 m，中支点梁高8.5 m，跨中梁高3.5 m，梁底按1.8次抛物线变化。转体段长度71.75 m，跨中合龙段长度为3.5 m，转体角度为62°，转体总重量约28 500 t。桥梁标准横断面见图1。

转体系统下转盘上设有转体系统的下球铰、直径13 m的环形滑道及8组千斤顶反力座。球铰直径5.5 m，是转体施工的转动系统的核心，采用40 mm厚上、下钢面板和背部肋条整体铸件成型。上转盘底设8组撑脚，每组撑脚由2个φ1 000×30 mm钢管混凝土组成，下设30 mm厚钢板，钢管内灌注C55微膨胀混凝土。撑脚中心线直径为14 m。

转体系统作为平转法施工的核心，设计要求高、技术难度大，转体过程是全桥施工的关键步骤，直接决定了转体的成败。本文结合该大跨度转体桥，对球铰类型及尺寸的选取、称重试验及配重方式、封固混凝土密实性控制、上下转盘局部应力分布等关键问题进行研究。

2 球铰设计

2.1 球铰类型选取

球铰是转体系统中直接受力构件，球铰类型的选取及尺寸的确定至关重要。桥梁水平转体多采用球面转动系统，常用的球铰类型有混凝土磨心、钢制球铰。由于混凝土磨心适用于吨位较小(转体重量小于5 000 t)的转体桥梁，目前工程中使用较少，钢球铰因其承载能力大、强度高、摩擦系数小等优点被广泛运用，适用于转体吨位较大的桥梁工程。

目前钢球铰主要分为两种，工厂焊接钢球铰和整体铸件钢球铰，它们均由上、下球面板、背部径向及环向肋板、中心销轴和四氟乙烯滑片组成。工厂焊接钢球铰主要适用于转体重量约20 000 t以下的转体桥梁，整体铸件球铰由工厂铸件轧制成型，成本费用较高，且制作工艺稍复杂，但其结构设计比较合理，受力稳定性和整体性更优，多被用于转体吨位20 000 t以上转体桥梁。本桥梁转体重量约为28 500 t，设计采用整体铸件球铰。

2.2 球铰尺寸的确定

目前球铰的设计相应规范较少，体系化设计理念欠缺，球铰尺寸的确定多参照以往设计经验和有限元分析。以往设计经验均采用球铰下混凝土应力控制法，其经验公式如下：

其中,D为球铰直径；N为最不利工况下球铰的竖向承载力；K为考虑横向荷载作用下球铰与转盘接触面积的折减系数，一般取0.65[1]。

本桥转体重量为28 000 t，考虑施工误差及横向风荷载引起的横向弯矩为43 820 kN·m，球铰最不利工况下N=280 000 kN，球铰直径为5.5 m，根据经验公式，球铰下混凝土应力为18.1 MPa，满足混凝土压应力要求。同时球铰设计还需考虑上下钢板间四氟乙烯滑片应力要求[3]。

由于球铰上、下钢板厚度相对球铰半径几乎可以忽略，可以假定上下球铰半径基本一样，为保证上下球面板间应力分布均匀，球铰对应圆心角不宜过大；同时从受力角度考虑，球铰对应圆心角也不宜过小(一般不宜小于10°)，因此文献[3]给出了球铰半径R与球铰支撑半径R1宜满足下式：

本项目城市桥梁转体球铰半径R=10 m，球铰支撑半径R1=2.75 m，满足要求(见图2)。

3 称重试验及配重

3.1 称重试验

大跨度T型刚构桥转体法施工一般多为对称结构，但往往由于球铰体系的制作或安装误差、施工误差以及预应力张拉的程度差异等，导致转动体两侧梁段刚度不同，质量分布不同，从而产生不平衡力矩。为了保证转体过程中体系平稳转动，要求预先调整体系的质量分布，使其质量处于平衡状态。因此，在转体之前必须对转体箱梁进行称重试验，测试转动体的摩阻力矩、静摩擦系数和不平衡力矩，进行桥梁转体配重，从而实现桥梁安全平衡顺利转体[4]。

称重试验常用的方法是球铰转动法，其测试原理：视转动体为刚体，通过推动转动体使其球铰面由静摩擦转变为动摩擦，并采用荷重传感器和百分表测定转动刚体突然发生位移时顶推力的大小，建立力学平衡方程来确定不平衡力矩。文献[4]中给出了悬臂梁脱架后保持平衡的两种形式，并给出了两种情况下不平衡力矩、球铰摩擦力矩和偏心距的计算公式。通常为保证转体的平稳性，转动体的重心偏移量应满足不大于15 cm的要求，对于称重结果偏心距大于15 cm的转动体应进行配重。

3.2 配重方案

通过称重的结果，对转动体进行配重以保证其顺利平稳转体。目前对于纵向偏心，最常用的配重方式为桥面堆载纠偏处理法，其主要是根据称重结果在偏心反向侧，距离中墩一定距离的地方采用沙袋、混凝土块、水箱等进行堆重，或者对重量较重侧不浇筑防撞护栏等桥面设施来处理。

此外，对于位于曲线上桥梁，存在横向偏心，曲线半径较大桥梁可采用上述桥面堆载纠偏的方式来调整。对于小半径曲线桥梁，在设计中应计算曲线内外不平衡弯矩引起的偏心，通过设置横向偏心的方式来实现球铰以上转动体中心与球铰的重心尽量重合。

本桥位于缓和曲线上，设计中计算桥梁横向偏心仅为2.3 cm，因此本桥未设置横向偏心，仅需根据纵向称重结果对纵向进行配重。

4 封固混凝土密实性设计

转体系统作为转体成败的关键，而转体完成后，上下承台间混凝土的封固技术直接影响成桥下承台的受力。由于上下承台在封固位置均为水平面，且封固部位包含有千斤顶反力座、撑脚等，在封固时混凝土容易出现空腔、缝隙，因此在设计中应进行封固混凝土密实性设计，确保成桥受力安全[5]。

为保证封固混凝土的密实性，设计阶段提出了两个解决方案。

第一个方案先对撑脚以内、转台以下部分进行混凝土封堵，对于出现的大部分空腔和间隙通过一周设置的压浆孔采用真空辅助压浆的方式进行填满，然后对撑脚外侧部分混凝土进行封固，最后再压浆以确保混凝土密实，如图3所示。

第二个方案是在上转盘设置16个振捣孔，振捣孔外侧设置一圈压浆孔，在后浇封固混凝土时通过预设的振捣孔对转台底面间隙混凝土振捣密实；混凝土浇筑完毕后并通过压浆孔对易出现空腔部分进行压浆，以保证封固混凝土的密实性，如图4所示。

通过对比分析，本桥最终采用第二个方案作为上下承台的封固方案，本方案施工较为简单，可节约封固混凝土分批浇筑时间，同时通过振捣和压浆相结合的方法，从更大程度满足封固混凝土的密实性。

5 上下转盘局部应力分布

转体桥梁施工过程中，转体前上承台与下承台的接触面是球铰面，下承台尺寸一般比球铰尺寸大，且上部荷载主要通过球铰往下传递，上下承台会出现应力集中，导致承台局部应力偏大，影响承台抗裂性能。

根据圣维南原理，设计中对结构进行简化，仅建立4 m高桥墩模型，将墩底荷载转换成均布荷载施加在桥墩截面上，并采用空间分析软件Midas FEA对上下承台进行空间模型精细化分析。根据本项目上下承台及球铰具体尺寸建立有限元模型如图5所示。

在上下承台不张拉预应力的情况下，球铰附近应力较为集中，上承台球铰附近最大主压应力为17.24 MPa，下承台球铰附近最大主压应力为19.09 MPa，局部应力偏大。上下承台主压应力云图如图6，图7所示。

为优化上下承台应力分布，在设计中对上下承台均张拉预应力钢束，以避免承台局部应力过大。上下承台在张拉预应力下主压应力云图如图8，图9所示。

由图6～图9可以看出：在未张拉预应力的情况下，球铰附近上、下承台应力集中较为显著，而张拉预应力后，上、下转盘在各施工阶段均保持良好受力状态，正应力、主拉应力及主压应力均小于规范的容许值，且下转盘竖向位移差值较不明显，最大竖向位移差为1.2 mm。

本桥最终采用上下承台均施加预应力钢束，并根据施工过程分批张拉钢束。通过模拟分析计算结果来看，对上下承台分批施加钢束，能使其应力分布较为均匀，避免了应力集中。

6 结论及展望

某城市市政快速通道上跨城际铁路和普速铁路桥梁转体跨度大、吨位大，对转体系统要求较高，对施工工艺控制较为严格。本文通过对球铰类型及尺寸的选取、上下转盘局部应力分布、称重试验及配重方式、封固混凝土密实性控制等关键问题进行研究，为该大跨度T构桥转体施工提供依据，并为后期类似桥梁的设计提供一定的参考借鉴。