桥梁转体施工技术研究与应用

钱泉芳

【苏州市苏南运河整治工程指挥部 苏州215002】

摘 要:本文论述了桥梁转体施工工艺的研究和应用过程,体现了转体工艺的技术经济优势,具有很大的推广价值。

关键词:桥梁 转体 施工技术 研究 应用

苏南运河全面整治是江苏省“八五”跨“九五”期间六大交通重点工程唯一的水运项目，它是运河史上规模最大、标准最高、投资最多的工程。苏南运河全长208km(谏壁至鸭子坝),这次整治工程共改建跨河大桥42座，其中苏州段13座。

 由于苏南运河是京杭运河最古老的一段,它已有2500年的悠久历史。自古至今,运河水喘流不息,运河船往返不绝。但随着社会经济的不断发展,特别是改革开放以后,国民经济的持续高速发展,交通运输空前繁忙,苏南运河的货运量急剧增加,船舶年通过量达到7000万ｔ左右。而苏南运河整治前的航道等级仍保持在六级以下,低等级、大运量的矛盾十分突出,造成苏南运河水运交通严重不畅,经常出现堵塞断航现象。如1988年1月(春节前夕),苏州浒关段运河堵塞断航12昼夜,被堵船舶16000多艘,河面上只见船不见水,造成直接经济损失几千万元,严重影响到江浙沪地区的工农业生产和群众生活,引起了各级和社会各界的关注。这次苏南运河全面整治,是在边通航边施工的条件下进行,如何既保证工程的施工安全,又保证航道的畅通,就成为苏南运河整治工程、特别是跨河桥梁施工需要认真研究的一个重要课题。

1 桥梁转体施工方案的引进

目前桥梁施工的传统工艺不外乎“有支架拼装和无支架拼装”两种,它们的共同点是必须采取部分封航措施,这对航道的安全畅通不可避免地会造成影响。由于苏南运河船舶流量超负荷,一有不慎就会造成航道堵塞,给国家带来严重的经济损失,同时也会影响到工程自身的安全和进度。因此,断航就成为一个十分棘手的问题,能否做到桥梁施工不断航,在工程前期准备阶段,我们就开始反复考虑这个问题!

浒关是个千年古镇,运河穿镇而过,在镇区1.2km长的运河上,需改建跨河大桥4座、支河口中小桥4座,而市河两岸工厂码头林立,住宅商店鳞次栉比,施工条件异常困难。如能从这里开始实现桥梁不断航施工,意义就更加重大。位于该镇最北端的北津桥因被船碰撞,成为碍航危险桥梁,急需进行改建。由于设计单位没有把北津桥施工图设计列入首批改建计划,为了尽快解除该危险桥梁的威胁,设计单位临时决定北津桥施工图由苏州市工程指挥部另行组织设计。利用这个有利机会,我们邀请上海城建学院设计研究院的专家来进行商讨,首先提出了“有什么办法做到桥梁施工一点不影响通航”的想法和要求。这引起了专家们的极大

兴趣,经过充分商量,专家们表示:你们的想法很好,很有建设性,在苏南运河这样繁忙的航道上造桥,钱泉芳：桥梁转体施工技术研究与应用搞不断航施工,很有研究价值。十多年前我们也探索过这个问题,想在浙江地区搞一座不断航的转体施工桥梁,但由于种种原因一直没有搞成。今天你们主动提出来,也是对我们设计人员的促进。我们回去一定认真研究,想办法把北津桥设计成转体施工桥梁,以满足“上帝”提出的要求。就这样,桥梁转体施工工艺被引进到苏南运河苏州段整治工程中来了。

经过一段实践过程,我们了解到,桥梁转体施工最早在四川、湖南、江西搞过，但当初搞转体施工的目的是为了解决施工期过河(山谷)难的问题,而且转体工艺相对复杂,转盘结构采用钢结构滚轮,驱动力靠卷扬机牵引,安全可靠性差,造价也高。这次北津桥转体结构作了改进,转盘为纯钢筋混凝土,工艺上进一步简化,驱动力用卧式油压千斤顶。同时,在转盘结构等部位予埋应变传感器,进行应力、应变等数据的跟踪监测,以便为进一步研究转体工艺提供科学依据。

2 桥梁施工工艺的实施

 所谓转体工艺，就是桥梁的跨河主孔一分为二,分别在两岸陆地施工,待桥梁上部结构基本完成后,再通过两岸主墩转盘旋转90°左右,使主孔合龙跨河成桥,也就是“岸边造桥,转体合拢”。转体过程是通过主墩下部的铰来完成的，铰由现浇的普通钢筋混凝土做成,俗称“磨盘”。下磨盘称磨心,上磨盘称磨盖。北津桥磨心顶面以弧曲线向上凸起,矢高10cm,磨心直径1.9ｍ,承受磨盖以上的全部转体重量。磨盖直径5.88ｍ,周边下面对称设置4个钢筋混凝土支撑脚,借以控制转体不平衡引起的倾斜,并作为转体驱动的传力支点(见图1)。

图1

 北津桥为钢筋混凝土连续刚构箱梁结构,荷载等级汽-20、挂-100,主跨跨径65ｍ,全桥长329.46ｍ,桥面宽10m,转体自重为1200ｔ。转体结构施工程序为:下部(桩)基础→浇筑桩顶承台→磨心制作(同步预埋监测传感器)磨盖制作→球铰研磨、上黄油→墩壁和刚构箱梁制作→转体→合拢(先测定并调整好桥的纵轴线和箱梁顶标高)→混凝土封盘(控制好封盘时间和天气温度)。  这次北津桥转体施工,无论对设计、施工或监理,都是一次有风险的尝试。因此,施工图一出来,我们就组织专家和技术人员开会讨论,从多方面对转体结构提出不同意见,对各种可能出现的问题进行广泛深入的研究探讨,严格把好施工图这一关。开工前组织监理和施工人员认真阅读图纸,对关键部位进行研究分析,充发理解和掌握关键部位的各道工序,如对磨心、磨盖制作必须做到精心施工、一丝不苟,对转体过程必须做到统一指挥、分工负责、互相配合,负责监视桥面纵向、横向倾斜度(根据连通管读数)的人员要及时向指挥人员通报倾斜情况,以便控制转体速度,确保平稳转体。

 北津桥转体驱动力采用2台150ｔ的普通液压卧式千斤顶,千斤顶一端靠在临时后座上(在承台表面沿着磨盖支撑脚的环道上预留了许多缺口,用作设置千斤顶后座),另一端对着支撑脚。转体时,最大起动驱动力为700kN,最小驱动力

175kN左右,转体过程中产生最大倾斜时的桥面高差7ｃｍ,显示整个转体工艺平衡、安全。

3 监测结果分析

为了确保主体结构的施工安全,为转体工艺的设计和施工提供科学依据,我们委托上海城市建设学院建筑工程测试中心对转体施工过程进行跟踪监测,监测时间长达一年。 3.1 监测项目

 (1)磨心与磨盖应力测定(见图2～图3)。

 (2)转体过程中磨心与磨盖间摩擦系数的测定。  (3)薄壁墩箱梁悬臂根部的应力测定(见图4)。  (4)桥体在转体过程中倾斜监测。

 (5)转体时磨盖支撑脚的最大应力测定(见图5)。  (6)混凝土弹性模量测定。

图2 磨心应力测点布置图

图3 磨盖应力测点布置

图4 磨盖立柱应力测点布置

图5上部结构应力测点布置

3.2 监测结果分析 3.2.1 磨心应力

图6 磨心、磨盖测点实测平均应变时程曲线

 待全桥转体完成、合拢以及桥面铺装后，测得磨心的平均压应变为

158με，相当于轴向压力ｐ＝1344ｔ(详见图6)。由于磨心表面不可能理想光滑，因此，个别测点的压应变实际为662με，为平均压应变158με的4.2倍。而混凝土极限压应变一般为2000με，远比662με大，因此磨心混凝土不会出现压碎，实际上磨心各点处于三向受压状态，所以其实际极限压应变远比单向受压时为大，故更安全。由此算出磨心混凝土表面最大平均压应力为：

σmax＝158×10-6×0.3×106＝47.4kg/cm2 =4.74MPa＜0.8Rba=0.8×28=22.4MPa

 满足公路桥涵设计规范要求。 3.2.2 磨盘摩擦系数μk

 通过推导可得该转盘间的摩擦系数μk=3MK/2PR1 式中：Mk--为磨盖上的旋转力矩，Mk=2FR２；

F--作用在磨盖支撑脚上千斤顶的水平推力； R1--磨心半径，  R１=0.95m；

P--作用在磨心上的实测总压力；

R2--千斤顶作用点至磨心中心的距离，R2=2.94m。

 在转体起动后，实测的千斤顶推力最小为175kN(此时支撑脚基本与地面脱离)，所以这时的摩擦系数为μk=0.063，说明用黄油作为磨盘间润滑剂，可大大减少摩阻力，使转体极为省力(有时因支撑脚与地面接触，增加阻力，千斤顶推力达220kN)。 3.2.3 监测结果分析

 (1)根据监测报告分析，测得的磨盖支撑脚最大拉应力、薄壁墩最大偏心压应力、箱梁悬臂根部最大压应力、磨盖上缘最大平均拉应力等均在规范允许的范围内，满足设计要求。

(2)三组40号混凝土块试件(共9块)实测的弹性模量的平均值分别为：磨心29915.5MPa，薄壁墩29979.3MPa，箱梁0#块30244.4MPa，这与桥梁规范规定的非常接近，所以实测应力值换算时均取用En=3.0×104MPa是正确的。

 (3)转体过程中通过在桥面上布置连通管的方法，对桥体倾斜度进行监测，测得悬臂端部最大高差变化幅度为7cm，可见是平稳的。

 以上监测结果说明，北津桥的设计是合理的，转体施工工艺的实践是成功的，从而开创了江苏省桥梁工程建设的新局面。

4 桥梁转体施工工艺的推广

为了使这一新的研究成果获得推广，并在技术上进一步加以完善和提高，我们决定在云梨桥继续采用转体施工工艺，并从桥梁结构和转盘结构二个方面进行新的研究。

4.1 云梨桥的结构特点

 云梨桥荷载等级为汽-20、挂-100，桥面宽17.5m，桥长349.8m，主桥为三跨连续梁，中孔跨径75m，转体自重1940t。云梨桥上部结构采用拱梁组合体系，使拱和梁两者的结构受力特性得到有机结合，在空腹范围内，拱肋和加劲梁共同作用，增大了抗弯抗变能力，恒载内力反弯点向跨中转移，使跨中弯矩变小，减少墩顶和跨中钢索的数量。从而大大减少了全桥的圬工数量，节省了材料消耗，降低了工程造价。 4.2 转盘新结构探索

 云梨桥西主墩转盘继续采用北津桥的转盘结构和尺寸标准，以便进一步检验这种转盘的可靠性和适用性。为了探索新的转盘结构，东主墩转盘采用直径为2.5m的钢筋混凝土加不锈钢板及四氟乙烯板组成的平面滑动支承，转盘中间设

有定位轴，在桥的纵向留有4cm间隙，确保主墩可沿纵向滑动。这种转盘的优点是转体过程比较平衡，同时在桥梁使用阶段可代替固定盘式支座及活动盘式支座的作用，使拱梁组合体系的受力和变形更趋合理(见图7)。

图7 云梨桥东转盘结构图

4.3 监测结果分析

(1)云梨桥的监测结果进一步说明北津桥的监测结果是正确的。因为云梨桥实际测得的所有相同项目的应力值等均没有超过北津桥的数据。

 (2)采用四氟乙烯板加不锈钢板的摩擦系数为0.035，比用黄油作润滑剂更优良。

(3)经分析比较，球面型转盘和平面型转盘在转体结构中均可采用。对于恒载偏心方面的影响，球面型转盘较容易调整转体时发生的倾斜度，而平面型转盘调整比较困难。困此，对平面型转盘而言，一方面要严格控制磨心平面的水平精度，另一方面应尽量使转体结构恒载重心相对于转盘中心不偏心或少偏心，以便减少转体中悬臂端的高程误差(倾斜度)。

 (4)荷载试压情况 为了检验云梨桥拱梁组合新结构设计的合理性和施工的可靠性，工程指挥部又委托上海城建学院建筑工程测试中心进行了超标准载重车辆组合荷载试压试验。试压结果表明：

a)桥梁承载力达到汽-20、挂-100的设计标准，在荷载作用下，实测跨中挠度为1/2272，小于计算值(桥规L/600)，刚度满足设计要求。  b)主桥构件强度计算按B类构件设计，允许出现＜0.1mm的裂缝。而加载后，各构件均未出现裂缝，说明有足够的安全储备。

 c)实测桥墩无水平位移变化发生，明拱梁组合体系对承台的水平推力较小。  总之，云梨桥的转体施工工艺实践是成功的，各项技术指标也是先进的，已得到社会上和界的普遍肯定，如泰国报纸也对此桥作了报道。1996年12月5日，江苏省交通厅邀请省内外专家召开了“云梨桥拱梁组合转体施工技术研究”鉴定会，专家一致认为该项技术研究成果达到国内先进水平，并获得1996年度江苏省科技进步三等奖。

 由于北津桥、云梨桥转体施工的相继成功，它的技术、经济优势被广泛接受，推广应用转体施工的条件完全成熟。因此，后来苏南运河上的坛丘桥、友联大桥、常州的奔牛桥和苏申外港线上的屯浦桥都分别采用了桥梁转体施工新工艺，充分显示了这一研究成果的强大生命力。

5 经济效益分析

桥梁转体施工，不但在桥梁施工期间能确保航道安全畅通，其社会效益明显；而且由于施工作业均在陆上完成，使施工安全也得到充分保证；加上这一工艺的技术设备要求不高，容易普及推广，有利于加快工程进度，缩短施工周期，所以，它的直接经济效益十分明显。例如，同在浒关镇的北津桥与兴贤桥(挂篮施工)相比，二桥的规模、荷载等级和桥型结构几乎完全相同，而且由同一个施工单位建造。最终二桥的总造价分别为676.4万元和3.56万元，北津桥仅是兴贤桥

造价的75.7%(这里还有设计的因素)。再如云梨桥，它先后搞了“系杆拱、普通连续梁、拱梁组合连续梁转体”三个施工图，前两个施工图预算都在1400万元以上，而转体施工实际造价不到1000万元，节省25%左右。另外，从所需主要材料数量(见表1)，也可得出同样结论。

云梨桥三个不同桥型所需主要材料用量比较表 表1 材料 钢材 钢铰线 混凝土 单位 t t m 3钢筋混凝土系杆拱 635 25 7265.6 钢筋混凝土连续梁 678 52 8173.4 梁拱组合转体 297 48 4961.2 6 结束语

从研究到推广应用充分显示，桥梁转体施工具有结构合理、受力明确、工艺简便、节约材料、施工周期短、安全可靠、工程造价低的优点。尤其在运输繁忙的通航河流上采用转体工艺，施工期可确保航道安全畅通，社会效益明显。如能辅以科学设计，采用拱梁组合等轻型桥梁结构，其工程造价更为低廉。实践证明，这种桥梁转体施工工艺，无论桥大桥小、结构简单还是复杂，无论山区还是平原，无论在航道还是公路(或铁路)上都很适用，具有很好的推广应用价值。