大跨度T構橋轉體關鍵技術研究

任 輝 季新宇

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院，河南 鄭州 450000)

橋梁平轉法施工是指在偏離設計位置將橋梁澆筑或拼裝成形，然后借助動力將橋梁轉動就位(設計線)的一種施工方法。平轉法施工在市政或公路橋梁上跨既有線路、河流或障礙物時得到了廣泛應用，它不僅大大改善了施工條件，還減小了對既有線路或障礙物的影響，取得了良好的經濟效益。隨著我國交通事業的蓬勃發展，轉體橋梁也向著大跨度、大噸位的方向發展。

1 工程概況

某城市市政快速通道采用橋梁形式上跨城際鐵路和普速鐵路路基段，城際與普速鐵路間距約40 m，該市政橋與城際鐵路和普速鐵路夾角分別為62°和61.8°。由于鐵路中間空間狹小，且現場無進出道路，施工設備操作空間受限，鐵路路基中間立墩困難。為減小上部結構施工對鐵路行車安全的影響，最終采用85 m+147 m+85 m連續剛構形式上跨鐵路，兩側轉體跨中合龍施工。

主梁采用預應力混凝土結構，混凝土強度等級為C55。主梁采用單箱五室斜腹板截面，箱梁頂板寬38.70 m，中支點梁高8.5 m，跨中梁高3.5 m，梁底按1.8次拋物線變化。轉體段長度71.75 m，跨中合龍段長度為3.5 m，轉體角度為62°，轉體總重量約28 500 t。橋梁標準橫斷面見圖1。

轉體系統下轉盤上設有轉體系統的下球鉸、直徑13 m的環形滑道及8組千斤頂反力座。球鉸直徑5.5 m，是轉體施工的轉動系統的核心，采用40 mm厚上、下鋼面板和背部肋條整體鑄件成型。上轉盤底設8組撐腳，每組撐腳由2個φ1 000×30 mm鋼管混凝土組成，下設30 mm厚鋼板，鋼管內灌注C55微膨脹混凝土。撐腳中心線直徑為14 m。

轉體系統作為平轉法施工的核心，設計要求高、技術難度大，轉體過程是全橋施工的關鍵步驟，直接決定了轉體的成敗。本文結合該大跨度轉體橋，對球鉸類型及尺寸的選取、稱重試驗及配重方式、封固混凝土密實性控制、上下轉盤局部應力分布等關鍵問題進行研究。

2 球鉸設計

2.1 球鉸類型選取

球鉸是轉體系統中直接受力構件，球鉸類型的選取及尺寸的確定至關重要。橋梁水平轉體多采用球面轉動系統，常用的球鉸類型有混凝土磨心、鋼制球鉸。由于混凝土磨心適用于噸位較小(轉體重量小于5 000 t)的轉體橋梁，目前工程中使用較少，鋼球鉸因其承載能力大、強度高、摩擦系數小等優點被廣泛運用，適用于轉體噸位較大的橋梁工程。

目前鋼球鉸主要分為兩種，工廠焊接鋼球鉸和整體鑄件鋼球鉸，它們均由上、下球面板、背部徑向及環向肋板、中心銷軸和四氟乙烯滑片組成。工廠焊接鋼球鉸主要適用于轉體重量約20 000 t以下的轉體橋梁，整體鑄件球鉸由工廠鑄件軋制成型，成本費用較高，且制作工藝稍復雜，但其結構設計比較合理，受力穩定性和整體性更優，多被用于轉體噸位20 000 t以上轉體橋梁。本橋梁轉體重量約為28 500 t，設計采用整體鑄件球鉸。

2.2 球鉸尺寸的確定

目前球鉸的設計相應規范較少，體系化設計理念欠缺，球鉸尺寸的確定多參照以往設計經驗和有限元分析。以往設計經驗均采用球鉸下混凝土應力控制法，其經驗公式如下：

其中,D為球鉸直徑；N為最不利工況下球鉸的豎向承載力；K為考慮橫向荷載作用下球鉸與轉盤接觸面積的折減系數，一般取0.65[1]。

本橋轉體重量為28 000 t，考慮施工誤差及橫向風荷載引起的橫向彎矩為43 820 kN·m，球鉸最不利工況下N=280 000 kN，球鉸直徑為5.5 m，根據經驗公式，球鉸下混凝土應力為18.1 MPa，滿足混凝土壓應力要求。同時球鉸設計還需考慮上下鋼板間四氟乙烯滑片應力要求[3]。

由于球鉸上、下鋼板厚度相對球鉸半徑幾乎可以忽略，可以假定上下球鉸半徑基本一樣，為保證上下球面板間應力分布均勻，球鉸對應圓心角不宜過大；同時從受力角度考慮，球鉸對應圓心角也不宜過小(一般不宜小于10°)，因此文獻[3]給出了球鉸半徑R與球鉸支撐半徑R1宜滿足下式：

本項目城市橋梁轉體球鉸半徑R=10 m，球鉸支撐半徑R1=2.75 m，滿足要求(見圖2)。

3 稱重試驗及配重

3.1 稱重試驗

大跨度T型剛構橋轉體法施工一般多為對稱結構，但往往由于球鉸體系的制作或安裝誤差、施工誤差以及預應力張拉的程度差異等，導致轉動體兩側梁段剛度不同，質量分布不同，從而產生不平衡力矩。為了保證轉體過程中體系平穩轉動，要求預先調整體系的質量分布，使其質量處于平衡狀態。因此，在轉體之前必須對轉體箱梁進行稱重試驗，測試轉動體的摩阻力矩、靜摩擦系數和不平衡力矩，進行橋梁轉體配重，從而實現橋梁安全平衡順利轉體[4]。

稱重試驗常用的方法是球鉸轉動法，其測試原理：視轉動體為剛體，通過推動轉動體使其球鉸面由靜摩擦轉變為動摩擦，并采用荷重傳感器和百分表測定轉動剛體突然發生位移時頂推力的大小，建立力學平衡方程來確定不平衡力矩。文獻[4]中給出了懸臂梁脫架后保持平衡的兩種形式，并給出了兩種情況下不平衡力矩、球鉸摩擦力矩和偏心距的計算公式。通常為保證轉體的平穩性，轉動體的重心偏移量應滿足不大于15 cm的要求，對于稱重結果偏心距大于15 cm的轉動體應進行配重。

3.2 配重方案

通過稱重的結果，對轉動體進行配重以保證其順利平穩轉體。目前對于縱向偏心，最常用的配重方式為橋面堆載糾偏處理法，其主要是根據稱重結果在偏心反向側，距離中墩一定距離的地方采用沙袋、混凝土塊、水箱等進行堆重，或者對重量較重側不澆筑防撞護欄等橋面設施來處理。

此外，對于位于曲線上橋梁，存在橫向偏心，曲線半徑較大橋梁可采用上述橋面堆載糾偏的方式來調整。對于小半徑曲線橋梁，在設計中應計算曲線內外不平衡彎矩引起的偏心，通過設置橫向偏心的方式來實現球鉸以上轉動體中心與球鉸的重心盡量重合。

本橋位于緩和曲線上，設計中計算橋梁橫向偏心僅為2.3 cm，因此本橋未設置橫向偏心，僅需根據縱向稱重結果對縱向進行配重。

4 封固混凝土密實性設計

轉體系統作為轉體成敗的關鍵，而轉體完成后，上下承臺間混凝土的封固技術直接影響成橋下承臺的受力。由于上下承臺在封固位置均為水平面，且封固部位包含有千斤頂反力座、撐腳等，在封固時混凝土容易出現空腔、縫隙，因此在設計中應進行封固混凝土密實性設計，確保成橋受力安全[5]。

為保證封固混凝土的密實性，設計階段提出了兩個解決方案。

第一個方案先對撐腳以內、轉臺以下部分進行混凝土封堵，對于出現的大部分空腔和間隙通過一周設置的壓漿孔采用真空輔助壓漿的方式進行填滿，然后對撐腳外側部分混凝土進行封固，最后再壓漿以確保混凝土密實，如圖3所示。

第二個方案是在上轉盤設置16個振搗孔，振搗孔外側設置一圈壓漿孔，在后澆封固混凝土時通過預設的振搗孔對轉臺底面間隙混凝土振搗密實；混凝土澆筑完畢后并通過壓漿孔對易出現空腔部分進行壓漿，以保證封固混凝土的密實性，如圖4所示。

通過對比分析，本橋最終采用第二個方案作為上下承臺的封固方案，本方案施工較為簡單，可節約封固混凝土分批澆筑時間，同時通過振搗和壓漿相結合的方法，從更大程度滿足封固混凝土的密實性。

5 上下轉盤局部應力分布

轉體橋梁施工過程中，轉體前上承臺與下承臺的接觸面是球鉸面，下承臺尺寸一般比球鉸尺寸大，且上部荷載主要通過球鉸往下傳遞，上下承臺會出現應力集中，導致承臺局部應力偏大，影響承臺抗裂性能。

根據圣維南原理，設計中對結構進行簡化，僅建立4 m高橋墩模型，將墩底荷載轉換成均布荷載施加在橋墩截面上，并采用空間分析軟件Midas FEA對上下承臺進行空間模型精細化分析。根據本項目上下承臺及球鉸具體尺寸建立有限元模型如圖5所示。

在上下承臺不張拉預應力的情況下，球鉸附近應力較為集中，上承臺球鉸附近最大主壓應力為17.24 MPa，下承臺球鉸附近最大主壓應力為19.09 MPa，局部應力偏大。上下承臺主壓應力云圖如圖6，圖7所示。

為優化上下承臺應力分布，在設計中對上下承臺均張拉預應力鋼束，以避免承臺局部應力過大。上下承臺在張拉預應力下主壓應力云圖如圖8，圖9所示。

由圖6～圖9可以看出：在未張拉預應力的情況下，球鉸附近上、下承臺應力集中較為顯著，而張拉預應力后，上、下轉盤在各施工階段均保持良好受力狀態，正應力、主拉應力及主壓應力均小于規范的容許值，且下轉盤豎向位移差值較不明顯，最大豎向位移差為1.2 mm。

本橋最終采用上下承臺均施加預應力鋼束，并根據施工過程分批張拉鋼束。通過模擬分析計算結果來看，對上下承臺分批施加鋼束，能使其應力分布較為均勻，避免了應力集中。

6 結論及展望

某城市市政快速通道上跨城際鐵路和普速鐵路橋梁轉體跨度大、噸位大，對轉體系統要求較高，對施工工藝控制較為嚴格。本文通過對球鉸類型及尺寸的選取、上下轉盤局部應力分布、稱重試驗及配重方式、封固混凝土密實性控制等關鍵問題進行研究，為該大跨度T構橋轉體施工提供依據，并為后期類似橋梁的設計提供一定的參考借鑒。