某高架桥斜拉桥转体法施工技术

某高架桥斜拉桥转体法施工技术1工程概况某高架桥工程下跨7股铁路线。桥下铁路运营繁忙，平均每2分钟就有一组列车通过。为避免施工对桥下铁路运营影响，采用工期短，综合效益最省的转体法施工。1.1主桥结构型式某南站高架桥主桥为45+65+95+40=245m四跨连续独塔单索面预应力混凝土斜拉桥（图1）。该桥桥宽29m，长245m，主梁为三箱单室三向预应力混凝土连续箱梁。梁高2.5m。桥基础均为桩基础，边墩1、2、5号墩均为双圆柱墩，4号墩为圆端形实体墩。3号墩墩身是向内倾斜的双矩形断面薄壁墩。墩高约12m。主塔顺桥向为倒“Y”字形，梁面以上高39m，其中顶部斜拉索锚固区为空心矩心截面，斜拉索锚固于塔内。图1桥式立面图本桥采用转体法施工，转体是由3号墩上转盘、墩身、主塔及长达166.7m的悬臂箱梁组成，转体箱梁主跨端悬臂86.7m。边跨悬臂长80m。1.2球铰与转盘结构斜拉桥转体系统的组成与铊螺玩具类似（图2）。铊螺的组成主要由转动的铊体，支撑面，滚珠和绕在铊螺上的绳子组成。与之类似，转体斜拉桥的转体则是整个斜拉桥；带下球铰的承台（图3）则是其支承面；绕在上转盘上的钢铰线则类似于使铊螺转动的绳子；而整个转体的核心部件，则是主塔墩中心现浇钢筋预应力混凝土转盘与承台间的钢制球面摩擦副构件——球铰，它的作用恰好类似于铊螺的滚珠，与支承面发生滑动摩擦。图2铊螺与转体对应关系图示图3、承台、滑道与下球铰平面图图4钢球铰及摩擦面上的四氟板片球铰的球面半径为8m，预应力钢筋混凝土上转盘球缺高1.230m，下转盘球缺高0.228m，直径3.8m，定位中心转轴的直径为260mm。球铰由上下两块40mm厚钢质球面板组成，上面板为凸面，通过混凝土圆锥台与上部的牵引转盘连接，上盘就位于牵引转盘上；下面板为凹面，嵌固于下转盘顶面。上下面板均为16Mnq厚钢板压制而成的的球面，背部设置肋条，防止在加工、运输过程中变形，并方便球铰的定位，加强与周围混凝土的连接（图4）。下面板上开圆形槽口，内嵌四氟乙烯片，并在上下面板之间填充黄油四氟粉。与由于铊螺是高速旋转的物体，可以在转动中克服一定的外力而保持平衡，而斜拉桥的转体则相对是静止的，稍有外力作用则会发生倾斜。所以在上转盘共设有8组撑脚，每组撑脚由2个φ800×24mm的钢管混凝土组成，撑脚中心线的直径为10m。为了增强转动过程中的稳定并确保桥下净空不减少，让转体重心后移0.05m左右，转体时实际是球铰与后支腿共同支承。转体上盘受力复杂，采用了三向预应力结构：顺桥向、横桥向预应力筋为极限强度1860MPa高强低松驰19-7φ5钢铰线，锚具为OVM15-19夹片锚，锚下控制应力为1358MPa；竖向预应力筋为JL930级32高强精轧螺纹钢筋，采用YGM-32锚具，锚下控制应力为675MPa。为了改善上转盘在转体施工阶段的受力状况，在转体上盘的球铰上方与0号块梁底还设有6-φ800×24mm的钢管混凝土撑架。牵引索固定端采用OVM15-19P型固端锚锚固在上转盘内，并环绕上转盘约3/4周。对应上转盘的撑脚，下转盘设有直径为10m的下滑道及12组千斤顶反力座，撑脚与下滑道的间隙为4～6mm，千斤顶反力座用于转体的启动、止动、姿态微调等。1.3工程特点（1）本桥是北京五环重点工程之一，也是2008年奥运会配套工程之一。本桥最大的特点是其下跨越7条运营的铁路线，铁路运营繁忙，主跨斜拉桥施工采用转体施工，施工的难点在于在既有线旁承台、箱梁及转体施工时的防护措施和接触网的改造等。本桥采用自平衡的单球铰转体法施工，转体重量达140000KN，在同类桥梁中转体重量居世界首位。（2）本桥的斜拉桥转体总长达186.7米，为世界首位。（3）是国内第三座采用转体法施工的斜拉桥。（4）采用稀索体系，全桥共有12根斜拉索，单根斜拉索初始张拉力11000KN，居国内首位。（5）全桥预应力种类繁杂，并且在斜拉索锚固区，使用了BSM低回缩预应力群锚体系，为国内首次使用；在斜拉桥箱梁腹板内采用了27-75的超大预应力束，并采用连接器连接，单束张拉力达5400KN（超过武汉长江二桥斜拉桥最大索力）。（6）施工周期短，从2月15日开工到2003年8月6日转体完成，到10月底通车，前后公8个月时间，且工程质量优良，边墩墩身、斜拉桥主塔与主梁均为五环路的优质样板工程。（7）全桥施工高峰期正值全国非典流行，劳动力、材料及施工组织都经历了特殊考验。2施工总体方案本桥的总体施工方案是先平行于铁路线，采用满堂支架法完成斜拉桥的现浇与体系转换，形成斜拉桥体系，并将全桥支撑体系由满堂支架转换到单球铰上，然后对现有铁路线的接触网支柱进行改造，确保梁底转体无障碍，并安装转体系统后进行转体49度，与两端引桥顺接，合拢并完成桥面系施工。具体如下：3施工方法3.1下部结构施工本桥下部结构为挖孔桩基础，采用常规方法施工，并完成边墩墩身施工和主墩球铰与承台施工。球铰与承台施工重点有二，其一是确保球铰安装精度，其二是承台属大体积混凝土，如何防止水化热影响，确保下球铰下混凝土的质量。球铰安装时，为确保安装精度，在清基、底层钢筋安装完成后，在承台内设了型钢制成的球铰托架，并在托架周边加焊门型刚架。首先用100吨汽车吊机将球铰吊放到托架上，利用门型刚架上挂设的手拉葫芦，精确地对下球铰的平面位置与标高进行定位，达到要求后将下球铰与托架焊接成为整体，保证其位置不变。下球铰定位完成后，在球铰托盘骨架上设支撑，固定滑道预埋件。由于整个承台及滑道既要保证整个斜拉桥的平转，同时要承受由主塔、主梁组成的重达14000吨的荷载，所以对混凝土的密实度及滑道的平整度要求极高。设计要求滑道平整度不大于2mm。此外，由于承台为大体积混凝土，施工中采取以了以下措施以控制温度变形裂缝：(1)、（1）在承台内设置冷却水管，施工时进水管口和出水管口温差控制在25℃以内。（2）选用425#优质普通水泥。利用缓凝剂改善水化热峰值，初凝时间≮360min。（3）选择低温时期浇注，浇注后四天之内无气温骤降现象。（4）对混凝土拌和用水进行降温处理，骨料覆盖降低混凝土入模温度。（5）加强混凝土的表面养护，气温较低时，混凝土表面选择棉苫、麻袋和铺设塑料薄膜保温养生，气温较高时选择蓄水养生，承台基坑尽早回填从而控制混凝土表面温度与内部温度差值。（6）尽量减少单位体积混凝土的水泥用量，本承台C40混凝土拟采用水泥用量为300Kg/m3左右，水灰比控制在0.46以下。（7）除承台底部外，选用较大的、级配较好的粗骨料，以增加抗裂性。（8）采用“双掺”技术，即掺加粉煤灰同时又掺加缓凝剂。（9）散热管及时通水，将混凝土内部热量散发出来，计划在混凝土浇注完成12小时后，开始通水。3.2墩柱、梁、塔的施工墩柱采用A形支架支撑，大面积翻模法施工。箱梁采用在硬化后的地基上搭设碗扣式钢管脚手架，采用支架法分段现浇。整个转体段箱梁长166.7m，分三段浇筑，分别为28m，66m，72.7m，其中28m段为塔梁固结段。主塔采用大块覆膜钢模翻模法施工，根据塔身截面变化，共分六段浇筑完成。3.3斜拉索安装箱梁、塔身砼强度达到100%的设计强度后，按先曲线外侧，后曲线内侧，先近塔端，后远塔端的顺序安装。每根斜拉索安装采用“先上后下”的顺序进行，用塔吊将塔端安装到位，再用软牵引牵引梁端进入索管，最后安装张拉杆进行张拉。斜拉索张拉采用OVM12MN千斤顶张，全部斜拉索采用同一初张力10700KN。并先拉外侧索，后拉内侧索，在内侧所张拉的同时，外侧索索力下降，但加载桥面二期恒载后，因曲线外侧荷载作用面积大，使内外侧索力基本一致。3.4支架拆除与体系转换整个斜拉桥箱梁采用支架法现浇，在转体前要完成支架承重向球铰承重的体系转换，整个转换分以下几步完成：（1）拆除上转盘与承台间的砂箱，使墩柱承受的重力直接交给球铰。（2）通过斜拉索张拉，将支架承受的部分荷载转由斜拉索并通过主塔、墩柱传递给球铰。（3）拆除全部梁底支架，使所有转体部分的荷载全部交给还球铰，完成全部体系转换。由于支架全部拆除后，梁体端部在现浇高度向下的挠度有30～80mm不等，如直接拆除支架会产生局部支架压溃失稳，必须采取一定的措施加以克服。方法是在梁端设一反力架，支架顶设有行程大于梁端下挠度的千斤顶，在支架拆除前将梁端顶紧限位。等到支架全部拆除后，逐渐松退千斤顶完成梁端的位移。梁底支架总体拆除顺序是由塔端向梁端分段对称拆除。3.5转动体称重斜拉桥的转动体是完全自平衡体系，必须确保横桥向与顺桥向对转盘中心的力矩平衡，在转体前要进行称重进行验证，如转体不平衡，则采用在梁面配重的方法调整到平衡状态。某高架桥转体部分重心向曲线内侧偏109mm，向边跨侧偏50mm。以使横桥向对转体中心平衡，同时使顺桥向力矩偏向边跨，使球铰与边跨侧的撑脚共同受力，产生一定的稳定力矩，保持转体的稳定。但撑脚与滑道间的摩阻力力臂大，如偏心过大，将使转体牵引力显著增加，所以在施工中应严格控制转体箱梁尤其是箱梁悬臂端的模板尺寸，使梁体偏心力矩满足设计要求。转体前进行称重，方法是；（1）对称于距3号墩中心线70m处的设梁端反力架、千斤顶、传感器；（2）在一端向上施力顶升梁体，当转体发生转动的瞬间（通过设于转盘与承台间的位移计来判断），记录传感器顶升力。（3）通过顶升力与力臂求得力矩。（4）通过对于球铰中心的力矩平衡方程，推算球铰摩阻。在正常状态下，转动球铰的摩阻力矩大于转动体的不平衡力矩，如施工误差过大，也可能出现转动球铰的摩阻力矩小于转动体的不平衡力矩。在梁端的反力架上顶升时，梁体发生转动时的力矩平衡方程组为：MG+P1L1+MZ=0-MG+P2L2+MZ=0则转体部分的不平衡力矩和轩动球铰的摩阻力矩为：MG=(P1L1-P2L2)/2MZ=(P1L1+P2L2)/2未配重时的偏心距e及球铰的摩擦系数μ为：e=MG/Gμ=MZ/G式中：MG：转体的不平衡力矩(KN.m)；P1、P2：分别为主跨、边跨侧顶升反力(KN)；L1、L2：分别为主跨、边跨侧顶升力至球铰中心的力臂(m)；G：转体部分的总重力(KN)；e：未配重时的偏心距(m)；μ：球铰的摩擦系数。3.6平转动力计算(1)转体支承点竖向反力当偏心力矩为e时，转体由球铰与两个撑脚三点支撑。在最不利位置时撑脚至转轴中心距为r1。则撑脚竖向反力R1与转轴处竖向反力R2计算如下：R1=Ge/r1R2=G-R1式中R1：转盘中心竖向反力KN，R2：撑脚处竖向反力KN，r1：最不利状态下撑脚至转盘中心距离m。(2)平转牵引索牵引力在转体时，考虑动摩擦力矩全部由两束牵引索产生的力偶承受，则牵引索的牵引力为：T1=(M1+M2)/D1式中T1：平转牵引力(KN)，D1：牵引力偶臂（上转盘外径，m），f1：动摩擦系数，根据实验取值，或按《公路桥涵施工技术规范JTJ041-2000》第16.4条取值。M1：球铰处动摩擦力产生的阻力力矩，M1=2f1(D/2)R2/3，D为球铰直径m。M2：撑脚与滑道间的动摩擦力矩：M2=f1R1r1(3)平转助推力考虑动摩擦力矩与静摩擦力矩间的差值全部由上转盘撑脚处的两台助推千斤顶承受，则助推力T2为：T2=((M1+M2)-(Mj1+Mj2))/D2式中：Mj1：转体结构球铰处静摩擦力产生的力矩，Mj1=2f2(D/2)R2/3。Mj2：撑脚与滑道间的动摩擦力矩，Mj2=f2R1r1。(4)牵引索钢铰线的选用根据牵引力，选用每根牵引索采用的钢铰线根数：n=KT1/afk式中：n：每束钢铰线根数；fk：钢铰线锚下控制应力，fk=0.75fytp，fytp为钢铰线的标准强度MPa，a：单根钢铰线的截面面积m2，K：材料安全系数。(5)千斤顶选用根据计算的牵引力，选用两台QDCL2000KN型液压千斤顶同步自动牵引，牵引力2000KN。助推千斤顶用以承受转体时静、动摩擦力之间的差值，以使转体结构起动，实际施工中采用2台YCD2500型千斤顶，可提供助推力2500KN。3.7平转牵引系统平转牵引系统由牵引反力座、上转盘、牵引索（钢铰线）组成（图5）。其安装步骤如下：图5、就位前转平转体系示意图(1)清理反力座上的张拉槽、上转盘周边，清除牵引索表面浮锈及其杂质。(2)在反力座后搭平台，在反力座后受力部位加垫板，将千斤顶安装到位。（3）将牵引索钢铰线理顺，绕上转盘约3/4周，将自由端引入千斤顶反力座张拉槽内。要求各束钢绞线平直、不打绞、扭结。(4)依次在钢铰线上套入千斤顶锚环、夹片、撑脚、千斤顶、锚环、夹片组成QCDL2000型连续张拉千斤顶总成。(5)安装油管、配电柜。(6)对千斤顶、牵引索、锚具、泵站进行调试。3.8助推系统助推系统用于克服静、动摩擦力矩间的差值，使整个转体起动。助推由助推分配梁及助推千斤顶组成，安装于转盘的钢管撑脚与助推反力座之间。其安装方法是：(1)清理环形滑道，检查滑道与撑脚间间隙，在其内抄垫四氟板，并在滑道上涂抹黄油四氟粉。(2)在助推反力座上安装助推分配梁及助推千斤顶。使反力座提供的助推力由分配梁传给千斤顶，由千斤顶传给撑脚。(3)安装配电柜、油管路，接至泵站并对其进行调试。3.9微调系统为了对转体转动中可能出现的偏移及时调整，在转盘下设四台YCW6000型千斤顶，用于精定位前调整转体顺桥向与横桥向当体姿态。设置的原则是对称设置。3.10限位系统为确保梁体旋转到位后不继续前行，采取转体到位前，将助推千斤顶与反力座反向安装于助推反力座下的方法进行限位。3.11测量及监控标志转体前要在梁体、塔身与转盘上作好相应的线型监控点，主要有：表2、箱梁梁体测量观测点汇总表序号测点类别测点位置测点设置要求与与用途1主塔倾斜度测点点塔顶与塔根监控塔柱横桥向向位移变化化2梁体线形测点梁面中线与梁端每5m取1个断面，监控梁梁体线形变化3水准观测点梁顶中间、两侧侧监控梁体高程变变化（挠度度与横向倾倾斜）4限位观测点合拢口梁端，转转盘侧面转体平转定位控控制5转速观测点撑脚与滑道间控制转体线速度度6横桥向倾斜度测点点上转盘与承台同一水平面上，观观测转体横横桥向倾斜斜3.12斜拉桥转体转体是整个斜拉桥成功的关键工序，其步骤如下：(1)对箱梁内外进行清理，除去杂物、多余荷载。对各关键部位复查。包括塔梁固结点、上转盘、塔柱锚固区、球铰等部位，确认并签证。(2)监测人员与仪器就位。(3)拆除称重支架与梁底前的支撑，并静置24h后，进行应力与线型监控，确认是处于平衡状态。(4)进行现场技术交底，对各观测点人员分工，对控制信号，通信联络等人员进行全面明确的分工。(5)对各交通道口实施封闭，正式转体。(6)收紧平转牵引索，并在索力达到设计牵引力时持荷，保持油压。(7)开启助推推千斤顶，在在转盘中心心对称位置置按100KKN分级加载载至设计助助推力。(8)牵引千斤斤顶连续牵牵引，直到到结构开始始起动，并并使整个转转体结构匀匀速平转，将将主梁端部部水平线速速度控制在在1.2mm/minn以内，平平转角速度度不大于0.022rad//min。上转盘盘外缘线速速度约120mmm/miin。(9)匀速平转转时，监测测人员实时时监测，测测量人员反反复观测塔塔柱轴线偏偏位，梁端端部位高程程变化。(10)当平转转至梁体边边缘接近边边墩时，同同时在上下下转盘之间间安装限位位系统。(11)当转体体梁端中心心线距设计计位置约1m时，降低低牵引索千千斤顶的供供油量，使使转体减速速。(12)距设计计位置约距距设计位置置约0.5m时，改为为手动点动动操作。(13)对梁端端中线连续续观测，指指挥油泵站站点动至梁梁体中轴线线重合，至至此转体基基本就位。为保证平转过程程中每根钢钢铰线的受受力一致，要要求在平转转牵引前，要要求对牵引引索钢铰线线竖向排列列，使其每每根同心，以以便在在牵牵引时每根根线速度一一致。同时时，对第根根钢铰线用用千斤顶逐逐根预紧。3.13精定位位转体就位后，对对转体结构构进行全面面测量，计计算梁体轴轴线及高程程偏差值。用用助推系统统、微调系系统、平转转牵引系统统共同作用用，通过整整个刚体位位移及梁端端局部变形形两种方法法，使梁体体端部精确确合拢。具具体如下：：（1）采用平平转及助推推系统微调调，将桥梁梁中轴线对对正；（2）利用设设于上下转转盘间的横横向微调系系统，调整整整个刚体体的横向倾倾斜度达到到设计要求求；（3）临时解解除上下转转盘间的连连接，分别别在梁体两两端及上下下转盘间采采用微调千千斤顶顶升升，利用刚刚体位移的的办法将刚刚体调整到到设计计算算体位，然然后将上下下转盘之间间固结；（4)在梁端边跨的2#墩及主跨侧的临时墩顶用千斤顶顶升，将克服梁体前端的挠度，使梁端中线处标高齐平；（5）利用梁端左右两边腹板下的千斤顶，分别对梁体两端横坡进行调整，使梁端梁体倾斜度与边跨现浇段梁端一致。（6）转动体精确定位后，将2#及临时墩顶与梁底采用临时支座抄死，将撑脚与下滑道间焊牢，完成定位。3.14、其它拆除转体机具，及时安装2号墩墩顶支座，然后进入合拢段施工。在合拢段完工后，补浇承台顶面1m厚的砼使墩台固结。4经验与教训（1）BSM低回缩预预应力群锚锚应用在国内首次使用用了由铁道道部桥梁科科学研究院院研制的BSM低回缩预预应力群锚锚，并用于于斜拉索锚锚固区的超超短束预应应力钢铰线线的锚固。由由于钢铰线线长度仅2.5m左右，采采用普通锚锚具时张拉拉回缩量在在5～8mm，与钢铰铰线的伸长长量相抵，无无法对预应应力束有效效施加预应应力，而采采用BSM锚具后，钢钢铰线的回回缩只有0.2～0.4mmm左右，可可以确保短短预应力钢钢铰线的有有效锚下预预应力值。同同时也使桥桥梁梁体腹腹板竖向、斜斜向预应力力及斜拉桥桥、悬索桥桥塔内水平平预应力采采用钢铰线线替代精轧轧螺纹钢提提供了可能能。（2）滚轧直螺纹连连接技术的的应用本桥的箱梁与主主塔主筋采采用直接滚滚轧直螺纹纹连接，其最最大的特点点是不用对对钢筋母材材进行处理理，而直接接在钢筋端端头滚轧螺螺纹，利用用冷作硬化化的原理，使使接头强度度大于母材材棒。而不不用对钢筋筋端头进行行镦粗或车车丝，同时时连接方便便，加工简简单，人工工省，综合合经济效益益好。（3）重点部位的技术术控制某高架桥施工中强强化了施工工过程中技技术控制，重重点抓了转转体系统、箱箱梁预应力力、主塔锚锚固区施工工过程控制制，同时抓抓好了体系系转换中工工序衔接控控制，确保保了结构安安全和转体体成功。（4）工期控制质量是工期的保保证，本桥桥从开工到到转体，只只用了六个个月时间，到到通车，全全桥工期只只有八个月月时间，可可以说工期期之短，也也是一个奇奇迹。回顾顾施工过程程，施工过过程中的质质量控制，是是保证工期期的重要条条件，没有有质量事故故，杜绝了了返工现象象，是本桥桥成功的最最重要的因因素之