大型V构桥梁转体关键问题研究

张绳忠

(中铁二十四局集团有限公司 上海 200433)

1 前言

随着我国交通事业的快速发展，交通网络逐渐完善，铁路与公路交汇的节点增多，桥梁转体施工技术凭借其对所跨越线路的低干扰性而越发得到重视[1－2]。在大型繁忙的交通干线上修建跨线桥，桥梁转体存在显著优势，交通运输部明确规定公铁路线中存在跨越的地方必须转体施工[3]。转体施工法的原理为在桥墩处修建两个相接触的球铰，上、下部分通过固定插销连接，上转盘在千斤顶的作用下牵拉旋转，带动梁体跨过线路[4]。该方法在技术上存在多项难点，主要集中于设计思路、施工方法和转体过程监控等方面[5]。

蔡建业[6]研究了超大吨位转体结构设计的整体流程，包括转体结构布置、设计关键点、检算要求等。梁志宏[7]阐述了连续梁转体施工关键工艺与方法，并分析了控制施工质量的因素，给出桥梁转体施工过程中重要步骤的现场处理方法。车晓军等[8]研究了桥梁转体时不平衡力矩的预估方法，基于构件受偏心压缩时的应力流分布，推导了T型刚构转体桥梁基于球铰下应力差的不平衡力矩理论计算公式，并结合工程实例验证其理论的有效性与可行性。张黎明等[9]对大吨位曲线桥转体实时监控技术进行了研究，提出了转体可视化实时监控平台。姚保辉[10]研究了曲线桥梁转体钢球铰设置横向预偏心技术和曲线连续梁转体关键控制技术。高光品等[11]以京张高铁土木特大桥作为工程背景，研究分析了墩顶转体技术的难点与解决方法，并给出球铰处体系转换的相关建议。

总体而言，桥梁转体施工仍是一种新型施工工艺，其转体过程中结构受力、空间姿态以及牵引结束后的精准调整问题还有待深入探索。本文基于312国道苏州东段改扩建工程昆山段V型刚构桥转体工程项目，进一步开展桥梁转体施工关键问题研究。针对转体桥梁施工控制、临时支撑拆除监测、称重试验、转体过程监控、桥梁姿态调整等转体施工全过程关键技术问题进行方法与试验研究。

2 工程概况

本转体工程为V型刚构转体连续梁，位于312国道苏州东段改扩建工程昆山段主线第19联，跨径为2×66 m，桥面净宽34 m，纵坡3.97%。转体总重量约2.14万t，为目前国内最大吨位V型刚构转体桥梁，如图1所示。

图1 V型刚构转体梁现场

该V型刚构连续梁采用“先挂篮悬浇、后平面转体”的施工工艺，顺时针转体70°就位，梁桥转体前、后位置如图2所示。受现场条件、施工工序等因素影响，两边墩在转体之前已浇筑完成。其中大里程侧边墩顶部标高13.9 m，对应梁底标高14.2 m，净空0.3 m；小里程侧边墩顶部标高18.9 m，对应梁底标高19.4 m，净空0.5 m。转体过程中V型刚构需同步跨越两边墩，这种“双跨越式”转体有精准时空位置要求，桥梁转动全过程中其纵、横向均需保持较高平稳性。

图2 桥梁转体前后位置示意

3 转体V构施工控制

转体桥梁的施工控制环节，除了对桥梁线形监控外，其重力对称性也是监控的重点。对于转体桥梁而言，桥梁结构浇筑完成后自身的平衡性是影响其转体实施的重要因素，初始不平衡力矩越大则导致称、配重试验及转体牵引复杂性和难度增大。

该V型刚构墩身重心相对地面位置不高，由此带来的重力分布偏差较小，忽略桥台、V型墩身及0＃块整体浇筑对桥梁重力对称性的影响。实际施工过程中挂篮施工时，各号块的混凝土浇筑方量如表1所示。可以看出，转体桥梁施工阶段产生的重力分布偏差较小，V构两侧混凝土用量仅差3 m3，结构处于较好平衡状态。

表1 项目混凝土实际用量

除此之外，在称重试验和桥梁转体之前，针对桥梁附属部件如护栏、桥面铺装等的提前施工环节，严格控制其对称性，确保整体结构的平衡。

4 称重试验

对梁体进行称配重是确保转体过程姿态良好、结构安全的必要环节。通过称重试验得到不平衡力矩和转体球铰摩阻力矩，再进行转体姿态分析和平衡配重，确保梁体在正式转体前处于较好平稳状态。

4.1 临时支撑拆除监测

监测梁体临时支撑(砂箱、撑脚楔块等)拆除过程中姿态变化有利于初步判断梁体平衡状态，指导正式称重。该V型墩设置有撑脚、砂箱及钢管混凝土柱作为临时支撑。在上承台各边中点处设置4个位移监测点，正式称重前按“钢管混凝土柱－撑脚楔块－砂箱”依次拆除临时支撑，其中8个砂箱拆除顺序按1、2……、8。测点布置及砂箱依次拆除过程中四个测点位移变化曲线见图3。

图3 测点布置及拆除过程位移变化

可以看出，每拆除一处砂箱，梁体会向相应方位产生微小偏移，待全部拆除完成后，4个测点的位移变化基本相同。临时支撑拆除完毕后整体下沉量约4～5 mm，梁体均匀平稳下沉。

临时支撑拆除后，V构处于自由状态，在环境荷载(如风荷载、列车运行环境振动等)作用下，梁体存在微小振动位移。实际监测V型结构承台处纵桥向测点D1、D3在列车经过时的振动响应如图4所示。可以看出，两侧测点位移变动频率、步调一致，其幅值在0.1 mm以内。

图4 列车经过时的振动响应

上述监测数据表明梁体基本处于稳定状态，能自由振动，临时支撑拆除后不存在撑脚着地的情况，无需进行预配重。

4.2 称重数据及结果分析

采用液压千斤顶分别沿纵桥向和横桥向顶推上转盘，利用位移传感器测试记录承台四边中点(如图5所示)的位置变化曲线，以此确定V型刚构发生刚体转动的临界点。千斤顶到转轴平均距离为R＝6.31 m，初始顶推时的力－位移曲线如图5所示。可以看出，由于上、下转盘接触面处长时间挤压，初始顶推通常需要较大的顶力来克服静摩擦。当梁体滑动的瞬间，静摩擦转变为滑动摩擦，结构存在瞬时不平衡力，导致梁体加速转动，导致千斤顶和梁体之间出现短暂的脱离，呈现出位移数据迅速增大而顶推力减小的现象，直至梁体与千斤顶再次接触。所以初始顶推的临界荷载点是克服静摩擦对应的临界点。

图5 初始顶推力－位移曲线

初始顶推之后，开展正式称重实验。沿纵向分别在大里程侧和小里程侧进行顶推时的实测力－位移曲线如图6所示。可以看出，当顶推力逐渐增大至临界点时，V型刚构随上转盘出现刚体转动，到达突变点需要的顶力相较图5较小，而且过渡较为平缓，梁体时刻处于平衡状态。

图6 大、小里程侧顶推力－位移曲线

基于试验数据进行计算分析，得到V型刚构纵、横桥向不平衡力矩、摩阻系数等特征参数。其中:摩阻力矩为28 650 kN·m，纵向不平衡力矩为4 850 kN·m(偏向小里程侧)，横向不平衡力矩为2 150 kN·m(偏向北侧)，实测球铰摩阻系数μ＝0.015 5。纵向实测偏心距为0.023 m，采用配重块配重的方式，于大里程侧距桥墩中心35 m纵轴线处布置14 t配重块；横向实测偏心距为0.011 m，不作配重。

5 转体过程监控

转体过程监测目的在于确定桥梁结构实时位置是否处在合理范围内，以及与周围环境是否存在接触的可能，包括转动角度监测和空间位置监测。转角量测多采用预设刻度光标方式进行初略监测，临近转动结束时通过预设限位装置防止过转。空间位置监测侧重于对转体过程的实时评估，尤其针对跨越障碍物的精准转体问题，是保障转体顺利实施及总体结构安全的重要措施。

阳澄湖苏州工业园区V型刚构桥转体过程中两悬臂端均跨越边墩，因此要求转体全过程梁底标高均高于墩顶标高。在V型刚构两悬臂端设置高程监测点P1～P4，每转动5°测试记录4个高程监测点数据，由此计算各时刻梁底高程与对应墩顶标高的距离，如图7所示。

图7 测点布置及梁端－墩顶竖向净空监测

可以看出，转体全过程两悬臂端底部相对墩顶均存在足够净空，小里程侧墩、梁净空维持在45～58 cm之间，大里程侧墩、梁净空介于22～35 cm之间。转动过程中，梁端高程虽有微小波动，但整体呈现较好平稳性，可实现精准转体。

6 桥体姿态调整

桥梁转体牵引过程主要使结构沿设计转轴(通常为竖轴)转动至目标角度，但梁体转动过程中由于结构的微小偏心或其他不确定因素影响，通常还会存在绕水平轴的转动，使得梁体转过设定角度后整体姿态与设计的预期姿态之间不可避免地存在偏移。因此，转体后结构的姿态调整是保证成桥线形及受力合理的必要环节。

桥梁转体牵引完成后，实测桥梁结构三个以上固定点的坐标，作为姿态调整的参考控制点。例如选取悬臂端上边界点作为姿态调整参考控制点，其坐标记为Bi＝[xi，yi，zi]T，i＝1 ～3。 结合设计参数和监测资料确定上述参考点成桥后的目标坐标值，假定记为B′i＝ [x′i，y′i，z′i]T，i＝ 1 ～ 3。 姿态调整参考点的选取应充分考虑实际坐标测试和设计坐标目标值获取的便捷性。考虑桥梁发生刚体运动，对点Bi到B′i的刚体变换可由变换矩阵H表示，该矩阵可描述桥上每个点位的坐标变化。

变换矩阵H可记为:

式中:R为旋转变换子块；t为平移向量；v为透视变换向量；S为整体比例因子。

对于转体桥梁牵引就位后的姿态调整问题，其变换矩阵H中平移向量t一般可忽略，主要考虑其旋转变换子块R。假定牵引结束后桥梁姿态调整顺序为Z、X、Y，即依次绕三轴转动适当角度αZ、αX、αY。 根据文献[12]可计算αZ、αX、αY具体角度，转体牵引到位后，调整角αZ一般较小而忽略不计，如需调整则以点动式转动牵引作调整手段。角度αX、αY的调整则通过顶推上转盘来实现，如图8所示。

图8 姿态调整顶推布置

顶推时位移监测点仍如图3所示，纵、横桥姿态微调时使整体结构依次绕X轴、Y轴转动角度αX和αY。姿态调整千斤顶的顶推量分别为:

式中:rX、rY为顶推点到球铰轴线距离。

直至各个监测点位置变化达到预期值ΔhX和ΔhY，即完成对梁体姿态的调整。

7 结束语

本文工程背景转体桥梁为国内最大吨位V型转体结构，转体时需同时跨越两侧既有边墩，其施工难度大，具有重要研究意义。论文采用理论分析和现场测试结合的方式对转体工程称重试验、转体过程监测及姿态调整等关键问题开展研究。结果表明施工阶段的准确控制以及合理称配重是结构维持基本平衡、是保证桥梁精准转体关键因素。本文在指导本大型V型刚构桥顺利转体实施的同时，还为今后转体桥梁建设提供参考。