超重、超长、超高跨线斜拉桥转体施工与监控关键技术

超重、超长、超高跨线斜拉桥转体施工与监控关键技术

章 博

(中铁建安工程设计院有限公司，河北 石家庄 050043)

摘 要：为保证铁路运营安全，上跨铁路桥梁多采用转体施工法。菏泽市丹阳路双塔单索面跨线斜拉桥转体施工，转体结构总长度大、达238 m，转体结构总重量大、自重达24 800 t，转体结构高度大、达87.5 m，转动球铰直径大、达4.5 m。结合项目实际工况，介绍了桥梁转体施工的实施方案，包括转动体系施工、结构称重与配重、牵引力计算等关键步骤。阐述了斜拉桥转体施工过程中索塔变位、主梁线形、斜拉索索力等监测控制要点，为桥梁施工顺利实施提供了数据支持与技术保障。本桥转体施工克服了多项世界级工程难题，可供同类工程参考借鉴。

关键词：斜拉桥；转体施工；监测控制；称重

1 工程概况

菏泽丹阳路跨线桥是连接菏泽市东、西城区的重要工程，由于京九线、新兖线等多条铁路线从菏泽东、西城区之间穿过，目前仅有的两座下穿铁路框架涵无法满足通行要求，修建通行能力强上跨铁路的市政道路桥、实现道路贯通的需求极为迫切。本工程全长2 032.383 m，主桥为总跨度520 m的双塔单索面混凝土斜拉桥[1]，跨径布置为40 m+100 m+240 m+100 m+40 m；结构体系采用半漂浮体系；主梁为造型美观的斜腹板混凝土箱梁，全宽32 m；索塔倒Y形布置，与桥墩合计总高度为87.5 m。主桥桥型布置如图1所示。

图1 主桥桥型布置图(单位：m)

主桥上跨菏泽火车站北咽喉区，由西向东需要依次跨越菏泽火车站货场3条货物装卸线，京九线、新兖线和电厂专用线等7条铁路线(转体平面示意图如图2所示)，交通运输极为繁忙，列车流量间隔时间小于5 min。为了尽可能减少对铁路线及货场运营的影响，主桥选型设计采用了转体斜拉桥结构形式，东侧15号主墩位置在铁路旁平行于铁路线方向浇筑完一半主桥结构后，再采用整体平转跨越铁路的施工方法，转体到位后分别与小里程主桥和大里程引桥对接。

图2 转体平面示意图(单位：m)

2 工程难点

(1)转体结构总长度大。由于主桥主跨需要跨越货场及多条铁路线，桥梁需跨越距离决定了桥梁主跨跨径及转体结构长度都较大，双悬臂转体结构总长度238 m，该长度刷新了世界桥梁转体结构长度记录。铰支点受不平衡力矩作用竖向旋转0.01°，转体结构端部会产生20.77 mm竖向位移，因此转体施工过程中需对线形控制、整体稳定性提出更高要求。

(2)转体结构高度大。为了满足货场内龙门吊及铁路接触网立柱对桥梁净空要求，桥墩与桥塔合计的转体结构总高度达到87.5 m，这一高度同样达到了世界之最。高重心在转体过程中不易控制姿态，在不平衡力矩作用下结构易失稳。

(3)转体结构总重量大，两端重量不平衡。转体结构自重超过24 000 t，需要通过称重试验确定摩阻力，配备足够的牵引力克服摩擦力使结构转动。由于主梁边跨与中跨的结构差异造成两侧主梁自重相差312 t，为了维持两端平衡，需进行配重，在铰支点支承的边界条件下，转体过程中保持平衡状态难度较大。转体结构自重、配重、施工临时荷载等总重量相加达到24 800 t，为目前世界最重转体桥。

(4)转动体系需特别设计。由于结构总重远超其他转体桥梁，对转动体系的力学特性和工作性能都提出了更高要求。根据结构特点并结合工程经验，拟采用单钢球铰作为转动支撑点，转体到位后铰接双悬臂体系转换为固接双悬臂体系。钢球铰按25 000 t转体重量进行设计与加工，直径达到4.5 m，是目前整体铸造加工直径最大的球铰；球铰安装时要求有较高的精度，保证转动过程顺滑和稳定[1]。

(5)转体时间短、角度大，转体过程中需要跨越辅助墩。由于桥梁设计线与铁路线夹角较大，整体结构需要逆时针转动81.67°后才能到位，转体过程要求在铁路部门给的天窗时间内一次作业成功，需要周密安排，做好应急预案，在全过程中保持合理姿态，匀速转动，避免急停急起造成结构失稳和梁体变形。边跨在转体过程中需要跨越16号辅助墩，墩顶已经浇筑支座垫石，支座摆放到位，需要采取有效措施保证梁底高程大于支座顶面高程，主梁顺利跨越16号墩。

3 转体施工技术

3.1 转体施工步骤

(1)转体前结构施工。安装转动体系，浇筑墩身，搭设支架施工主梁，张拉预应力钢束，施工索塔，安装斜拉索，斜拉索初张拉，拆除支架，检查转动体系工作状态。

(2)转体结构称重及配重。在上转盘下底面布设千斤顶、传感器，通过称重试验获得不平衡力矩与摩阻力矩，计算摩擦系数及偏心距，为转体提供数据支持，合理配重保持结构平衡稳定。

(3)转体作业。调试牵引系统，通过试转获得转体技术参数，在牵引系统工作下正式转体，转体过程中根据测量结果调整姿态[2]。

(4)转体到位后，测量并调整结构高程，确认结构在设计线位，完成铰接到固结的体系转换，将上、下转盘与球铰浇筑成整体。

3.2 转动体系组成与施工

由于转体结构重量大、长度大、重心高，转动体系需特别设计，精心安装。转动体系由转动铰，上、下转盘与牵引系统所组成。

3.2.1 转盘施工

转盘由上、下转盘两部分组成，转体完成后上下固结成为主墩基础。下转盘在转体前既是承台又是转体设施的工作平台，下球铰、转体前支撑钢砂筒、牵引助推反力座、转体滑道等均安装在下转盘上，下转盘结构尺寸长×宽×高为3 470 mm×2 160 mm×680 mm。滑道钢板应尽量采用整块钢板切割而成，且确保顶面光滑平整，并通过调平螺栓对滑道顶面平整度进行调节。助推反力座环向设置6组，支承面为环道半径方向。

上转盘为边长1 600 mm的正方形，高度2 300 mm，在上转盘下底面设置?1 500 mm的转台，预埋转体时所用牵引索，转台还有衔接上转盘与上球铰作用。为了保障结构不失稳而设置的保险装置——6组“撑脚”也安装在转台上，与安装在下转盘的滑道位置相对应，转体时撑脚与滑道应相互分离，间距30 mm。

转盘施工现场如图3、图4所示。

图3 下转盘与环道施工完成 图4 上转盘浇筑完成

3.2.2 球铰安装

转动铰是整个转动体系的核心构件，本桥转动铰类型选用球铰。球铰包括上球铰、下球铰、球铰间滑片、转轴和劲性支架几部分。球铰直径达到4.5 m，如此大直径铸造单球铰是一次大胆尝试，能够承受25 000 t荷载。球铰施工依次安装劲性支架、下球铰、滑片、转轴和上球铰[3]。

球铰安装现场如图5、图6所示。

球铰安装完毕后施工上转盘，上转盘下底面设置转台和撑脚。其中转体过程中所需牵引索在转台中预埋，撑脚起到保护作用，防止结构失稳倾覆。

图5 安装下球铰 图6 球铰安装完毕

3.3 转体结构称重与配重

3.3.1 初次配重

在主梁支架拆除的全过程中应密切观测索塔变位和主梁线形，由于转体结构自重大，总长度大，当结构发生偏位时在不平衡力矩的作用下有发生倾覆的可能性，应在拆除支架的过程中对结构进行初次配重，保证结构的稳定性。主梁边跨在16号辅助墩墩顶处设置实体段，比中跨自重大312 t，在中跨与边跨实体段对称位置(距离15号墩中心线100 m)利用沙袋初次配重平衡后可拆除支架。

3.3.2 结构称重

主梁支架拆除后，上转盘各撑脚均未与滑道接触，此时球铰摩阻力矩大于结构不平衡力矩，整体结构未发生绕球铰的刚体转动，在两种力矩作用下保持平衡状态。在上转盘顺桥向距离桥墩线7 m处布置千斤顶和位移传感器，分别在上转盘边跨与中跨方向各用千斤顶施加荷载P1与P2(加载示意图如图7所示)，L1与L2分别为加载力臂，MG为结构不平衡力矩，MZ为球铰摩阻力矩。通过传感器采集不同数值荷载加载时的位移数据，计算球铰的摩阻力矩与不平衡力矩[4]。称重试验设备布置如图8所示。

根据称重试验获得千斤顶加载时结构的位移，由荷载—位移曲线图可知，处于临界状态时，边跨方向加载值P1=3 800 kN，中跨方向加载值P2=9 500 kN。联立方程组为：

(1)

图7 称重试验加载示意图

图8 称重试验设备布置图(单位:mm)

式中：MG为结构不平衡力矩；MZ为球铰摩阻力矩；L1=L2=7 m；e为偏心距；N为转体结构重量，24 800 t；μJ为静摩擦系数；RQ为球铰球面半径，8.992 m。

解得：MG=1 995.0 t·m；MZ=4 655.0 t·m；e=8.04 cm(偏向边跨侧)；μJ=0.021 3。

3.3.3 二次配重

为保证结构在转体过程中边跨与中跨重量相当，整体结构平衡稳定，根据称重试验结果，应在中跨进行二次配重。通常转体配重时为增加结构的稳定性，可考虑重心偏离中心e1=5 cm，拟在中跨距离15号墩中心线位置LP=95 m处堆放沙袋。平衡方程为：

(2)

式中：GP为二次配重重量，解得GP=34 t。二次配重方案为在中跨距离15号墩中线95 m位置配34 t沙袋。

3.4 转体施工

3.4.1 转体工作原理

利用两台350 t连续千斤顶施加牵引力，平行、对称牵引预埋于转盘内的钢绞线，形成绕球铰转轴为中心的牵引力偶，当牵引力偶足够大时可以克服静摩擦力，结构随即开始转动，转动开始后需克服动摩擦力。

3.4.2 牵引力计算

根据《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T F50—2011)第15.5.3条，可得牵引力计算公式为：

(3)

式中：T为牵引力；μ为摩擦系数，由称重试验得静摩擦系数μJ=0.021 3，动摩擦系数μD=0.6μj=0.012 8；N为转体结构重量，N=24 800 t；RP为球铰平面半径，RP=2.5 m；D为牵引力偶臂，本桥为转台直径D=15 m。

解得：克服静摩擦力时的牵引力T=587 kN；克服动摩擦力时的牵引力T=352 kN；牵引动力储备系数n=350 t/58.7 t=5.96。

有效降低转动体系的摩擦系数可以提高牵引动力储备系数。原设计最大静摩擦系数为0.1，最大动摩擦系数为0.06，通过转动体系精密安装、辅助润滑措施，实际摩擦系数约为设计值的21.3%，牵引动力储备系数约为设计值的4.69倍。

3.4.3 转体时间计算

为了通记录转体角度、转台行走弧线长等参数来控制转体速度，需要在转台上标记刻度，如图9所示。假设转体过程中保持匀速，转体时间t的表达式为：t=l/v，l=πDθ/360°。式中：l为转盘行走总弧线长；D为转台直径，D=15 m；θ为转体角度，θ=81.67°；v为转体速度，根据所选千斤顶型号，v=0.146 m/min。

图9 转台刻度标记图

解得：l=10.69 m；t=73.2 min。考虑到转体启动时需要从静止到匀速、改变转动状态，转体到位前1 m位置采用点动操作，实际转体时间会比计算时间稍长。

3.5 安全保障措施

(1)利用铁路天窗时间作业。转体施工过程中，桥梁所跨京九线、新兖线、电厂专用线等铁路暂时停运，防止转体施工对铁路运营构成安全威胁。

(2)设置撑脚。在上转盘底面等距设置6个撑脚，当结构失去平衡时有可能发生一侧撑脚抵死下转盘顶面滑道的情况，应及时查找原因，通过配重使结构恢复平衡。若撑脚与滑道间距过小或整体发生接触，极端情况下可采取拆除滑道钢板或者将撑脚部分切割的方法。

(3)设置防过度转体限位装置。在滑道钢板上焊接工字钢，转体到位时撑脚会顶住工字钢，防止过度转体。

(4)准备助推千斤顶。现场准备两台300 t助推千斤顶，当转体过程中发生主千斤顶牵引力不足的状况时，助推千斤顶发挥作用，辅助主牵引千斤顶转体作业。

(5)遇恶劣天气做好应急预案。转体前需准备雨具、棚布等防风雨设施，转体时所用机械、控制台避免露天放置，需有遮蔽。当出现极端天气不满足转体施工条件时应停止施工。

4 监测控制

4.1 索塔变位控制

索塔变位控制包含顺桥向与横桥向两部分。由于斜拉桥是索塔、主梁和斜拉索三部分共同承受荷载作用，斜拉索将主梁与索塔联系，为了保证整个结构体系合理受力，索塔在斜拉索作用下的偏离量需要密切监测掌握。斜拉索挂张要求对称施工。索塔施工中倾斜度要求不超过塔高的1/3 000(22.7 mm)且不大于30 mm。常用的测量方法主要采用天顶基准法、投影法和测距法等三种，可采用全站仪、经纬仪两种测量仪器，观测点可选择设置在主梁顶面。

转体过程中边跨侧主梁要上跨16号墩，16号墩墩顶支座垫石已经浇筑，支座摆放到位未进行固定。为了增加主梁跨越16号墩的安全系数，临时通过压重和转盘处千斤顶调整，使结构向跨中方向倾斜，边跨梁端相对翘起。塔顶位移控制在不超过50 mm，转体到位后及时卸载压重，使索塔偏位小于规范允许限值。

4.2 主梁线形控制

主梁线形控制包括中线控制与高程控制两部分。中线位置误差限值要求不大于10 mm，可在零号块位置设置观测点，采用全站仪或者经纬仪进行观测。由于施工过程中主梁可能受到施工偏差、不平衡索力、温度荷载、混凝土收缩徐变等多项因素影响，梁体可能发生横向受弯或扭转变形造成偏离线位，为了保证主梁边跨和中跨位置准确合龙，中线位置必须严格控制[5]。

施工阶段高程在设计高程的基础上需要考虑其他因素对高程的影响，采用几何水准法进行量测。转体过程中分别在转体结构两端、主塔位置、16号墩对应主梁位置设置4个观测点对高程进行监测，当出现高程偏差大于20 mm时及时通过转盘处千斤顶进行调整，转体就位时采用千斤顶及配重沙袋调整梁端高程，为下一步合龙做准备。

4.3 斜拉索索力控制

转体前需完成斜拉索的挂索与初张拉，索初拉力确定需要建立桥梁的有限元模型，通过成桥状态进行倒拆分析，确定每一施工阶段的索力[6]。用midas Civil有限元计算程序对桥梁进行空间建模，全桥共划分为587个节点，574个单元。斜拉索采用桁架单元模拟[7]，其余均为梁单元，有限元模型如图10所示。

图10 桥梁有限元模型

转体施工主要关心斜拉索完成初张拉支架拆除后工况下的索力。将支架拆除后索力实测值与初张拉理论计算值进行比较，索力误差应控制在10%以内，本桥此阶段索力误差未超过控制限值，但最大误差已达到9.83%，全桥合龙后斜拉索二次张拉及调索应避免大误差出现。

5 结束语

本文以菏泽丹阳路跨线桥转体施工和监控为工程背景，通过分析工程实际情况选定水平转体法作为主要施工方法。主桥转体施工经过周密部署、严格控制，在铁路部门给定的窗口时间内历时83 min一次完成转体作业，顺利完成了与两侧主桥和引桥的精准对接。此次转体施工综合技术含量高，桥梁转体重量达24 800 t，转体总长度达238 m，转体建筑高度达87.5 m，转动球铰直径达到4.5 m，创造世界转体桥梁最重、采用单球铰转动体最长、最高以及球铰整体铸造加工直径最大等4项记录。施工过程中各项参数均在规范允许值范围内，转体成功的同时积累了宝贵经验，可供同类型工程参考借鉴。

参考文献

[1]刘士林,王似舜.斜拉桥设计[M].北京：人民交通出版社,2006

[2]荀东亮,毕来发,夏培华. 跨线桥水平转体法设计与施工关键技术[C]//第五届全国公路科技创新高层论坛论文集(下卷).北京：中国公路学会,2010：123-128

[3]牛远志,李恒跃,全 伟,等.超大吨位斜拉桥水平转体铰型式研究[J].铁道工程学报,2015(06):34-39，56

[4]邹本波.非对称斜拉桥转体称重测试[J].高速铁路技术,2015(02):93-96

[5]郭庆春,崔德永,徐红玉,等.某斜拉桥主梁施工预拱度的设置及主梁线形控制[J].洛阳理工学院学报(自然科学版),2014,24(02):14-19

[6]杨 煊,周水兴.斜拉桥施工阶段初张索力计算方法研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2008,27(01):32-36

[7]葛俊颖.桥梁工程软件midas Civil使用指南[M].北京：人民交通出版社,2013

Rotary Construction and Control Techniques for Super-Heavy,Super-Long-Span and Super-High Railroad-Over-Passing Cable-Stayed Bridges

ZHANG Bo

(China Railway Jian An Engineering Design Institute Co. Ltd.，Shijiazhuang 050043,China)

Abstract：To ensure the safe operation of railways, the rotary construction technique is widely adopted for railroad-over-passing bridges. In the rotary construction of the two-towered,single-cabled-planed railway-over-passing cable-stayed bridge of the Heze-Dan'yang Road, the total length of the rotary structure is as long as 238 m,the total self-weight of it is as much as 24 800 t,the height of it is as great as 87.5 m,the diameter of the rotary spherical hinge is as great as 4.5 m.With the actual construction of the project as an illustrative example,introduced in the paper is the implementation scheme of the rotary construction of the project,including the construction of the rotary system,the weighing and the weight-balancing of the structure,the calculation of the traction,and other key steps,with important control points such as the position-changing of the cable tower,the alignment of the main beam,the pull of the inclined cable and the like in the course of the construction dealt with in detail.All the techniques mentioned above provide the data support and technical guarantee for the smooth implementationoftheconstructionofthebridge.Therotaryconstructionofbridgesovercomesmanyoftheworld-levelengineeringdifficultproblems,andtherefore,thepapermayserveasausefulreferenceforotherprojectsofsimilartypesinthefuture.

Key words：cable-stayed bridge;rotary construction;monitoring and control;weigh

收稿日期：2016-11-22

作者简介：章 博(1984—)，男，工程师，主要从事桥梁工程设计研究工作。[e-mail]

DOI：10.13219/j.gjgyat.2017.01.001

中图分类号：U445.465

文献标识码：B

文章编号：1672-3953(2017)01-0001-06