20世纪40年代法国首次采用竖向转体施工方法建成了世界上第一座转体桥梁, 极大地推动了桥梁施工方法的改进。但是竖向转体施工一般仅适用于小跨径拱桥, 在推广中受到一定的限制。1976年水平转体施工方法首次在奥地利维也纳机场多瑙河桥上采用并获得成功, 随后广泛被其他国家引进。

目前水平转体施工应用甚为广泛, 适用的桥型范围迅速扩大至拱桥、斜拉桥、钢桁梁桥、T型刚构桥。转体桥梁的吨位不断被突破, 1991年建成的本艾因桥转体总质量达1.96万t。转体施工的桥梁跨径、技术应用不断创新和发展。

国内最早采用水平转动施工方法的是1977年在四川省遂宁县建成的钢筋混凝土箱肋拱, 跨径77m。随后水平转体施工在国内迅猛发展, 在国内具有广泛的发展前景。

某斜拉桥上跨铁路, 桥轴线与铁路运营线交角为82.7°。该桥采用独塔双柱双跨双索面预应力混凝土斜拉桥, 墩塔梁固结体系, 跨径组合2×110m, 桥型布置如图1所示。

大桥的主梁整体为双边主梁截面, 主梁标准宽度23.2m。边主梁采用箱形截面, 宽度为3.1m, 高度为2.6m, 腹板厚度为0.6m, 在横梁位置外侧腹板加厚至0.8m。桥面板厚度为0.3m。桥面设2%横坡。主梁横断面如图2所示。

主塔采用钢筋混凝土结构, 塔高51.6m, 分为上塔柱、墩塔梁固结区和下塔柱。塔截面为箱形, 外形尺寸顺桥向宽6.0m, 横桥向宽3.0m。上塔柱、下塔柱、主梁之间为固结, 两个下塔柱下端固结于上转盘横梁 (塔座) 上。墩塔梁固结横梁、两个箱内倾斜的实心矩形下塔柱及上转盘横梁 (塔座) 组成空心的倒梯形框架体系 (见图3) 。

该斜拉桥桥梁跨越既有铁路, 且线路繁忙, 日均通行列车达到近300列。桥跨结构需要跨越14股铁路线路, 桥下净空不足导致不能采用满堂支架施工方法。同时, 采用悬臂拼装或浇筑法施工时存在施工过程危及铁路运营的重大安全隐患。因此, 采用一次性转体到位成为最佳选择。桥址处桥梁转动半径范围内基本无建筑物, 也为转体施工创造了条件。

转体结构由转体下转盘、球铰、上转盘、转体牵引系统等组成, 立面如图4所示。

下转盘为支撑转体全部自重的基础, 转体完成后与上转盘共同形成桥梁基础。该桥转体质量达21 000t, 为目前世界上最重的转体桥梁, 其转体质量全部由下转盘承受。

球铰是转体施工的核心转动体系, 球面直径8m, 投影直径4.2m, 分上、下两片, 钢板厚度为5.5cm。下球铰位于下转盘顶面, 安装有1 484块直径6cm的聚四氟乙烯滑动片。在各滑动片间涂抹黄油聚四氟乙烯粉, 上、下球面吻合面外周用胶带缠绕密封。

上转盘由上盘、转台、撑脚组成。转台直径13.6m, 高1.0m, 是牵引力直接施加的部位。在转台内预埋2束φ^s15.2钢绞线作为转体牵引索, 预埋端采用P型锚具, 埋入转盘内长度为4m。预埋时应保证2根索的锚固端及出口点均在同一直径线上对称与圆心并在同一高度。

撑脚是转体施工时保证转体结构平稳的保险腿。上转盘下方的8个撑脚对称分布于直径11.6m的滑道上, 滑道宽度为1.3m。转动过程中撑脚沿着滑道滑动, 因此滑道面应水平, 整个滑道面高差≤2mm。总体上转动铰和滑道组成了环道和中心支撑相结合的转盘结构, 稳定可靠。

转体时由1套 (2台) 液压、同步、自动连续牵引系统通过拽拉预先埋设的转动牵引索形成力偶以克服钢板与聚四氟乙烯滑板间摩擦力使转体结构得以转动。转体施工的相关参数如表1所示。

该斜拉桥施工的总体流程为在垂直于桥轴线的方向采用满堂支架法完成斜拉桥主梁的浇筑、斜拉索的张拉并脱架, 斜拉桥顺时针转体97°至设计桥位, 浇筑左、右边跨混凝土合龙 (含预应力施工) 、二次张拉斜拉索、施工桥面系及附属设置并进行最后一次索力调整。施工流程如图5所示。

转动摩阻力矩 (M_z) 和不平衡力矩 (M_b) 是转体施工中必须慎重考虑的因素, 直接关系到施加牵引力大小和有无必要配重等重要事项。因此, 正式施工前必须进行称重试验以保证转体施工顺利、安全。

斜拉桥施工中产生的不平衡重基本上由于纵桥向对称施工误差引起, 通常采用满堂支架法施工时引起的不平衡力矩相对较小, 且作用方向不变。试验中在相对的两个方向 (通常与不平衡力矩的方向相同或相反) 分别主动施加顶升力而使球铰发生微小转动, 每次施加顶升力后均以不平衡力矩 (M_b) 和转动摩阻力矩 (M_z) 为未知量建立平衡方程组。

由于转动摩阻力矩始终与主动施加的转动力矩方向相反, 而不平衡力矩方向始终保持不变, 力学示意如图6所示, 因此很容易求得未知量, 并进而求得不平衡偏心距。

通过球铰积分公式利用实测得到的摩擦力矩可进一步推算实测摩擦系数, μ=M_z/ (0.98RN) , 进而求得偏心距及理论牵引力。

该斜拉桥转体总质量达21 000t, 采用水平转体的方式至设计桥位。启动牵引力为2 162k N, 转动时需要牵引力1 297k N。施工中采用转体牵引索和辅助千斤顶协同作业的方式。

在启动时对牵引索施加拉力, 控制力约等于转动牵引力;同时, 在滑道内、外侧通过反力座向撑脚施加压力以提供转动力矩, 并按照100k N每级逐级加载直到结构开始转动。则此时辅助顶推系统自动失效, 结构的转动仅依靠牵引索提供的拉力。

转动过程中控制转动角速度≤0.015rad/min, 相应线速度为1.485m/s。当转体梁端中心线与边跨现浇段中心线间距离为1m时, 采用点动供油的方式减少循环千斤顶供油量以降低转体速度。

转体就位后及时测量并计算轴线偏差、高程、转角等, 为精确调整做好准备。转体的精确调整通过在转盘位置对称设置微调千斤顶实现。调整的内容主要包括横桥向倾角调整和纵桥向高程调整。

该桥已于2015年1月转体成功, 从启动到精确调整就位控制在100min以内;转体总质量创造了单球铰平面转体最大吨位的世界纪录。同时, 该项目总转体角度97°, 转体总长度198m。其转体施工技术处于国内桥梁转体施工领先水平, 为我国大吨位转体施工技术积累了经验。