上跨鄭萬高鐵超寬不對稱T構轉體施工技術研究

韋慶武

(中鐵二十五局集團第二工程有限公司 江蘇南京 210046)

1 前言

橋梁轉體施工即將橋梁結構在非設計軸線位置制作(澆筑或拼接)成形后，通過轉動體系使其旋轉就位[1]。根據橋梁結構的轉動方向，橋梁轉體施工方法可分為豎轉施工、平轉施工及平豎轉相結合施工，其中以平轉應用最為廣泛。我國1977年開始研究轉體施工技術，并成功采用平轉法施工技術建成了四川遂寧70 m箱肋拱橋。隨著橋梁轉體技術的發展，人們越來越認識到該項技術的優越性，特別是在施工條件受到嚴重限制的工況下，轉體施工無可取代。

2 工程概況

迎賓大道與鄭萬高鐵等鐵路立交工程設計范圍為K2＋792.306～K3＋298，全橋長496.694 m。全橋分為三聯，其中L3聯為(60＋102＋60)m轉體剛構連續梁，在8＃墩兩側設置(51＋48.5)m不對稱T形剛構梁采用“平轉法”轉體跨越鄭萬高鐵，轉體角度88°。T形剛構兩端梁高2.8 m，墩頂根部梁高6.5 m，梁高變化由梁底采用1.5次拋物線漸變形成。箱梁標準頂寬38.85 m，與匝道銜接處變寬至47.474 m，為目前世界上跨高鐵最寬轉體橋，橋梁總重近20 000 t。8＃主墩下部結構采用25根φ1.6 m鉆孔灌注樁基礎，橋墩為雙肢薄壁矩形墩，上部結構均采用整幅斜腹板單箱五室截面。

轉體前，8＃主墩梁體邊緣線與鄭萬線接觸網支柱水平距離為12.13 m，梁體現澆支架邊線與鄭萬線接觸網支柱水平距離為8.8 m；轉體完成后梁底與鄭萬線接觸網支柱頂垂直距離為2.08 m。

3 轉體施工主要思路及施工方法

鄭州航空港迎賓大道與鄭萬高鐵立交工程采用先平行鄭萬高鐵預制再進行平衡轉體的施工方法。L3聯T構連續箱梁采用平轉法承重、頂推牽引、平衡三大系統，8＃墩連續梁“T”構沿在建鄭萬高鐵方向采用型鋼桁架結合盤扣支架和滿堂盤扣支架現澆的施工方法，再利用鄭萬線聯調聯試期間“封鎖”時間點內平面轉體就位，位置關系見圖1。

圖1 轉體橋與鄭萬高鐵布置示意(單位：m)

3.1 轉體主要結構

主橋下轉盤尺寸為(18.6×18.6×5)m(長×寬×高)，下轉盤預埋下球鉸、滑道定位骨架及滑道。

上下承臺之間設置上球鉸、撐腳、砂箱、千斤頂反力座、牽引反力座及轉盤，轉盤直徑φ14.2 m、高度0.9 m。轉盤是球鉸、撐腳與上承臺相連接的部分，又是轉體牽引索直接施加的部位[2]。

上轉盤尺寸為(15.2×15.2×2)m(長×寬×高)，四角設置(3×3)m倒角形成八邊形結構。

3.2 轉動體系安裝

(1)下轉盤

下轉盤為支承轉體結構全部重量的基礎，轉體完成后，與上轉盤共同形成基礎。下轉盤上設有轉體結構系統的下球鉸、直徑為12 m的環形下滑道及8組千斤頂反力座。撐腳與下滑道的間隙為20 mm，千斤頂反力座用于轉體的啟動、制動和姿態微調等(見圖2)[3]。

圖2 下轉盤安裝

下承臺高5 m，依據設計圖推算，下承臺頂面標高往下0.85 m為球鉸骨架底部，考慮球鉸安裝時的安全性，下承臺混凝土分兩次澆筑，第一次混凝土澆筑3.9 m高度，第二次混凝土澆筑高度1.1 m。

(2)球鉸

中心轉盤球面半徑為10 m，上轉盤球缺高0.607 m，下轉盤球缺高0.283 m。定位中心轉軸直徑為270 mm。上下面板均為鋼板壓制而成的球面，背部設置肋條，場外拼裝成型后，用100 t吊車將下球鉸骨架整體吊入設計位置，以減少后期調整量，偏差不大于3～5 cm。在澆筑第二層混凝土前，需要對球鉸進行清理、涂抹黃油、覆蓋雙層薄膜進行保護。

(3)上轉盤撐腳與滑道

上轉盤共設有8組撐腳，每組撐腳由2個φ900×24 mm的鋼管混凝土組成，下設30 mm厚鋼板，鋼管內灌注C55微膨脹環氧混凝土。撐腳中心線的直徑為12 m。撐腳在工廠整體制作后運至工地，在下轉盤混凝土灌注完成、上球鉸安裝就位時即可安裝撐腳[4]。在滑道面內鋪裝3 mm厚鏡面不銹鋼板及5 mm厚的聚四氟乙烯板(每塊容許應力不小于100 MPa)。

在撐腳的下方(即下轉盤頂面)設有寬1.3 m的滑道，滑道中心直徑為12 m。定位時確保整個滑道面在同一個水平面上，其相對高差≯2 mm[5]。

(4)上轉盤

上轉盤平面尺寸(15.2×15.2)m(橫向×縱向)，四個角設置(3×3)m的倒角形成八邊形結構，厚2.0 m。其中轉臺直徑為14.2 m，高度0.9 m，轉臺內預埋4組牽引索，固定端采用P型錨具，對角牽引索的錨固端應在同一直徑線上并對稱于圓心，每根索的預埋高度應和牽引方向一致。每根索埋入轉臺的長度應大于4.0 m，每根索的出口點也應對稱于轉盤中心[6]。

(5)上、下轉盤臨時約束

墩梁施工時，為保證不發生相對位移和轉動。在上轉臺千斤頂反力座之間安裝 32型鋼做限位梁，并用鋼楔子與千斤頂反力座頂緊。轉體施工前，打掉剛楔子，切割 32型鋼以利轉體。

3.3 轉動施工

本橋轉體部分懸臂長度為(51＋48.5)m，轉體重量為20 000 t。針對超寬不對稱結構，采取稱重試驗，并確保預配重平衡，通過轉體牽引系統轉動上轉盤使梁體軸線與設計位置重合。下轉盤中心設鋼轉軸，上轉盤中心設定位軸套管，使上下轉盤中心重合。轉體過程按“中心承重”的思路進行，不考慮支撐腳的支撐作用。

(1)稱重試驗及配重

橋梁正式轉體前，應進行試轉。用千斤頂＋位移傳感器進行稱重試驗，采取梁體兩點豎向支承、穩定性更佳的縱向傾斜配重方案。配重位置按照設計要求在梁端向墩身方向2.5 m處，沿橋梁軸線方向，前后分別配重280 t、60 t。針對橋梁超寬的實際情況，在轉體前征得鐵路管理部門同意后，在橋面上配置1臺25 t吊車，針對轉體過程可能發生的不平衡情況適當進行配重調整。

(2)牽引力及設備配置

本橋設計轉動重量(T構總重，包含梁部、墩身及上承臺)185 000 kN，球鉸豎向承載力為200 000 kN，滿足要求。轉動體系采用鋼球鉸，分上下兩片，半徑2.5 m。上轉盤底座半徑7.1 m，則牽引力偶臂為2×7.1 m＝14.2 m。

據橋規計算公式，轉體牽引力計算公式為:

T＝2FGR/(3D)

式中，T為牽引力；G為轉體最大總重力，G＝185 000 kN；R為球鉸水平半徑，R＝2.5 m；D為牽引力偶臂，D＝14.2 m；f為摩擦系數，靜摩擦力系數取0.1，動摩擦力系數取0.06。

啟動時所需最大牽引力T1＝2×185 000×0.1×2.5/(3×14.2)＝2 171.4 kN；轉動時所需要最大牽引力T2＝2×185 000×0.06×2.5/(3×14.2)＝1 302.8 kN。

實際轉體按不平衡體系轉動，即人為控制轉體結構偏向后側，使一個撐腳接觸滑道，控制該撐腳反力不超過2 000 kN[7]。在上述設定的轉動條件下，計算牽引力為:

T＝2(R×G×f)/(3D)＋N×f×R撐/D

式中，N為轉體時撐腳最大支撐力，N＝2 000 kN；R撐為撐腳半徑，R撐＝6 m。

啟動時所需要最大牽引力T1＝2×185 000×0.1×2.5/(3×14.2)＋(2 000×0.1×6)/14.2＝2 255.9 kN；轉動時所需要最大牽引力T2＝2×185 000×0.06×2.5/(3×14.2)＋(2 000×0.06×6)/14.2＝1 353.5 kN。

轉動時選用兩組液壓、同步、自動連續牽引系統(牽引系統由連續千斤頂、液壓泵站及主控臺組成)[8]，牽引設備應按滿足牽引力大小要求配置。牽引力形成水平旋轉力偶，通過拽拉錨固且纏繞于直徑1 420 cm的轉臺圓周上的19φs15.2鋼絞線，使得轉動體系轉動[9]。轉體啟動時千斤頂的最大安全系數為3 000×2/2 255.9＝2.6，轉動時千斤頂的最大安全系數為3 000×2/1 353.5＝4.4；轉體啟動時牽引索的最大安全系數為1 860 000×0.000 14×19×2/2 255.9＝4.3；轉動時牽引索的最大安全系數為1 860 000×0.000 14×19×2/1 353.5＝7.3。

(3)轉體時間

按照設計圖的要求，轉體時轉動角速度控制在0.012～0.02 rad/min之間，考慮箱梁的平穩和安全，牽引速度按0.012 rad/min控制。T8墩轉體牽引所用時間計算值為130 min。

(4)轉體封鎖施工防護

正式轉體前，必須向鐵路相關部門申請封鎖計劃，連續T構梁轉體需在封鎖點內完成。

(5)試轉

試轉的目的:一是驗證轉體系統及相關設備是否運行正常；二是采集原始數據，分析評估后作為正式轉體的依據。

(6)正式平轉

封鎖點內，根據轉體分工表，統一指揮、各司其職。采用現場視頻監控系統，實時監控轉盤上事先布置并編號的刻度線，轉體時必須加強轉動角度的觀測和記錄，同時通過主控臺控制兩對牽引索油泵的牽引力。線形監控采取橋下尺量和橋上全站儀測量雙控的方式，每旋轉5°及時向總指揮報告1次，在距離就位終點1 m時，采取點動方式精確定位。

(7)封固轉盤

T構轉體精確就位后，須立即將事先精確定位預埋的鋼板(型鋼反力架)與撐腳縫隙塞入鋼楔塊并焊接臨時鎖定，確保T構在外力作用下(特別是大風情況)不產生位移。清理臺面、連接預留筋、模筑C55微膨脹環氧混凝土，完成上下轉盤永久固結(見圖3)。

圖3 T構轉體就位

4 轉體施工注意事項及控制措施

(1)防超轉限位裝置

在轉體過程中進行橋下＋橋上全程動態監控。在上、下轉盤的滑道之間設置8個保險撐腳，撐腳下底面距離滑道頂面預留約20 mm縫隙，轉體結構精確就位后，采用鋼抄手進行抄墊固定，并用電焊將鋼抄手同撐腳走板鋼板、上盤滑道預埋鋼板進行全面焊接連接。如果發生超轉，在滑道千斤頂反力座位置采用2臺YZW300型千斤頂頂推撐腳，將轉體部分反向頂回至設計位置[10]。

(2)T構縱橫向重量不平衡

如果轉體前T構兩端重量出現嚴重不平衡，可能導致結構重心發生較大偏移而超出臨界范圍，甚至出現中心定位軸被剪壞、外環支撐柱混凝土局部受壓破壞等現象。因此對于重心偏移，現場必須采用混凝土配重塊或水袋(本工程上跨高鐵不允許采用水袋法)在轉體前調整T構縱橫向兩端重量，同時在下承臺外環道上預配4臺500 t豎向千斤頂。

(3)縱向不平衡彎矩

理論上兩端受豎向力為平衡狀態，但由于施工荷載的影響(風荷載)，會產生不平衡彎矩。如產生不平衡彎矩，相應采取以下防傾覆預案:

①撐腳可以承受210 t·m的彎矩，可利用撐腳輔以加工好的型材可消除不平衡彎矩，有效降低傾覆產生概率。

②在兩T構邊跨端頭箱梁頂放置1個容積為120 m3的水袋，四周用(1×1×1)m混凝土塊圍擋進行固定(具體混凝土擋塊數量根據試轉數據確定)。轉體過程實時測量懸臂端高程變化，發生異常可通過水袋的水量及時進行調整。

③轉體到位后，采用鋼楔塊塞緊撐腳與滑道間隙，并焊接牢固，確保梁體穩定。

5 結束語

針對迎賓大道上跨鄭萬高鐵超寬不對稱T構轉體工程，采用“平轉法”轉體施工方案，通過合理優化轉體系統、預平衡配重系統，采取不平衡彎矩、不均衡重量配重及防超轉限位裝置等措施，有效降低了不對稱橋梁結構轉體的施工風險，于2019年10月22日歷時120 min順利完成轉體施工，并被央視和省級媒體爭相報道和宣傳，社會效益明顯。