水柏铁路北盘江大桥转体施工设计关键技术

"! 概述 水柏铁路北盘江大桥位于贵州省六盘水市境 内， 在全线最低点跨越北盘江峡谷， 是水柏铁路唯 一一座控制线路走向的桥梁。孔跨布置为 ) 2 !# * 34 简支梁 0 !)$ * 上承式钢管混凝土提篮拱 0 . 2 !# * 34 简支梁。由于桥址偏僻， 不通水运， 交通不 便， 既有公路和施工便道坡陡弯急， 经试验， 汽车运 输的最大杆件长度仅为 ’/ $ *， 长大杆件无法运至 工地。钢管拱桁架只能分单元件工厂制造， 再通过 火车和汽车运至工地， 现场组拼焊接， 工地焊缝长 ! 度达 . $"" *， 焊接工作量大。为确保钢管拱拱圈拼装 线形、 焊接质量， 减少高空作业， 并结合地形条件， 钢管 拱桁架采用有平衡重单铰平面转体法施工， 转体施工 重量 %"# """ +,， 为当时世界单铰转体施工最大重量。 水城岸转体 %).5 ， 柏果岸转体 %’"5 。大桥于 !""% 年 % 月 !" 日非常平稳顺利地实现了转体合龙， 转体历时约 . 6。转体结构总图见图 % 。 #! 转体施工设计关键技术 #$ "! 转体施工转动体系的形成 平面转体施工一般分为两大类： 滑道体系转体施 工和单铰转体施工。滑道体系转体施工稳定性好， 转 体重量分散在 ! 个滑动铰上， 滑动铰的设计相对容易， 比较适用于大吨位转体。过去的大吨位转体施工一般 都采用滑道体系， 如比利时于 %&&% 年建成的本・艾因 斜拉桥， 采用滑道体系平转法架梁， 转体自重 %&. """ 国内采用滑道法架设的桥梁， 最大重量为广州丫 +,； 髻沙大桥， 转体重量 %)$ ’"" +,， 但滑道体系需要宽敞 平整的场地。而北盘江大桥桥址地形陡峻， 拱桥拱座
铁道标准设计 !"#$%"& ’(")*"!* *+’#,)- .//0 （1 ）
万方数据
Hale Waihona Puke 桥! 梁・!!， 其间隙变为 " # $ !!。实际施工时， $ 个保险腿与 滑道的间隙略有误差， 但仍可满足转体要求。 转体时， 在保险腿与混凝土滑道之间垫入不锈钢 板和聚四氟乙烯板， 以减少保险腿与滑道之间的摩阻 力， 同时还可增加转体时结构的平稳性。部分保险腿 与不锈钢板间未发生滑动， 而是不锈钢板与混凝土滑 道之间发生滑动， 说明混凝土滑道的平整度和光滑度 虽然不如不锈钢板， 但经过精心打磨混凝土滑道， 其与 不锈钢板的摩擦因数已与钢和不锈钢板之间的摩擦因 数基本相当， 完全可以满足转体施工的需要。 !" #$ 转体牵引系统的设计 由于连续张拉千斤顶的发明， 转体设计与施工已 经告别了用卷扬机作为牵引动力的时代。本桥牵引采 用 % 组 &% ’ !" 钢绞线形成转体牵引力偶， 钢绞线一 端用 ( 型锚埋入上转盘中， 缠绕 % 周后， 其另一端与连 续张拉千斤顶相连。因转体启动时计算牵引力不大于 % ))) *+， 故采用 % 台 %)) , 连续张拉千斤顶作为转体 牵引主要动力， 另备 % 台普通 -./%") 千斤顶作为辅 助张拉千斤顶， 以备在 % 台连张拉千斤顶启动不了时 使用。实施时为确保转体万无一失， 将辅助张拉千斤 顶改成连续张拉千斤顶， 0 台 %)) , 连续张拉千斤顶通 过总控制台实现联动， 牵引索应力降低， 弹簧效应不明 显， 转体十分平稳顺利。转体启动时， 牵引力约 & $)) *+； 滑动时， 牵引力约 1)) *+。牵引力均小于设计计 算值， 说明牵引设计完全可以满足施工的需要。 !" %$ 扣背索设计 扣索的作用是将拱圈拉起， 其索力产生对拱脚的 力矩与拱圈重力产生的对拱脚的力矩相等。由于拱脚 处设有临时铰， 钢管拱桁架较轻， 在风力作用时， 拱圈 会产生竖向振动， 从而使扣索产生附加的索力； 转体过 程的振动及一些难以预料的施工临时荷载也可能使扣 索产生附加的索力； 扣索在施工穿索及预张拉时还可 能产生受力不均。考虑这些因素， 设计时扣索应力采 用 )2 3’ " 4 。扣索的水平力作用在交界墩的墩顶， 使墩 底产生了约 05) ))) *+・! 的弯矩。为了平衡这一水 平力， 并抵消扣索水平力对墩底产生的拉应力， 设计采 用了倾斜约 "6 的背索。背索上端锚固于交界墩墩顶， 下端锚固于上盘底面。交界墩的刚度较大， 背索振动 时的振幅较小， 在考虑背索设计应力时， 比扣索略有提 高， 采用 )2 0$ " 4 。在穿扣背索时， 由于其中间无任何 支撑， 穿索较为困难， 无法整索进行， 需一根一根地穿， 一根一根地预紧， 钢束间易产生缠绕。因此， 出现了钢 索受力不均的现象， 虽经调整， 仍不能完全避免； 从另 一侧面也说明， 背扣索留有充分的安全储备是必要的。 !" &$ 转体前后拱圈线形控制 转体前后拱圈线形控制影响因素较多， 既与钢管 拱拼装线形、 扣背索张拉有关， 也与转体各部构造及施 工控制有关。在支架上按设计预拱度线形完成钢管拱 桁架拼装焊接， 张拉扣背索后， 上盘、 交界墩、 钢管拱桁 架及扣背索之间即形成了刚体， 它们之间的运动即形 成了刚体运动， 拱圈线形的控制也即可以转化为上盘 的高程控制。 具体做法是， 转体拆除上盘硬支撑前， 精确测量上 盘各控制点高程； 转体到位时， 通过顶上盘调整上盘各 控制点高程， 使之与转体拆除上盘硬支撑时一样， 这样 既控制了拱圈的线形也控制了交界墩的墩顶位移。由 于交界墩墩顶位移控制要求与钢管拱合龙口的高程差 值控制要求不同， 后者要求更高； 两处距球铰的距离也 不同， 后者更远。所以顶上盘后， 还需要通过调整拱圈 前端配重调整合龙口高程， 实现拱圈高精度合龙。由 于拱脚设有临时转动铰， 合龙前， 拱圈前端的竖向线刚 度较小， 配重调整合龙口高程十分方便。实践证明， 北 盘江大桥拱圈线形控制是十分成功的， 最大合龙误差 仅 3 !!。 ’$ 结语 （&） 随着转体重量的增加， 采用填充式聚四氟乙 烯复合滑片与不锈钢板之间进行摩擦转动， 可提供摩 擦因数较小的安全可靠的转体球铰， 是转体设计的一 项突破和创新， 其牵引力与转体重量之比仅为 &2 "7 ， 值得在今后类似桥梁转体施工中推广使用。 （% ） 球铰上下摩擦面的平整精度是转体平稳顺利 的关键， 只要其精度高则转体定位良好， 不会出现拱圈 前端忽上忽下的情况， 转体可十分平稳地进行。 （3） 采用球铰后， 通过顶上盘的方式来调整转体 后拱圈及交界墩线形是有效可行的。 （0） 在转体即将到位时， 由于转体牵引即使采用 手动控制， 其拱圈前端线形也难精确控制， 限位装置及 其预埋件的安装精度也难以可靠保证。因此， 在上盘 周围设置一些调控支顶装置来调整转体后的拱圈线形 是必要的。 （" ） 由于在转体扣背索的安装过程中， 难免会出 现钢绞线受力不均的现象， 因此在设计时， 扣背索的应 力不宜用足， 对于背索可取 )2 " " 4 以下， 对于扣索可取 )2 0 " 4 以下。 （$） 扣背索预紧及初张拉阶段， 交界墩受力处于 最不利状态， 施工时要严格按设计程序进行此项工作， 同时密切注意观测交界墩墩顶位移情况， 使墩顶位移 #"
・桥! 梁・
水柏铁路北盘江大桥转体施工设计关键技术
陈克坚
（ 铁道第二勘察设计院桥隧处( 四川成都( $%"")% ） ! ! 摘! 要： 水柏铁路北盘江大桥主桥为 !)$ * 上承式钢管混凝土提篮拱桥， 钢管拱桁架采用有平衡重单铰平面转体法 施工， 转体施工重量 %"# """ +,， 主要介绍该桥转体施工设计中的关键技术， 以及转体设计与施工的一些体会。 关键词： 水柏铁路；北盘江大桥；钢管混凝土拱桥；转体设计；转体施工 ! ! 中图分类号： -##./ #$. ；-##’/ !! 0 #( ( 文献标识码： 1( ( 文章编号： %""# !&.#（ !""# ）"& "".. ")
收稿日期： !""# "$ !! 作者简介： 陈克坚 （ %&$$ —） ， 男， 高级工程师， 铁道第二勘察设计院桥隧 处副总工程师， %&’’ 年毕业于同济大学桥梁工程专业。
图 "! 转体结构总图
位于陡坡上， 场地狭窄， 且拱座距陡壁崖边较近， 无法 实施滑道转体。因此， 北盘江大桥转体施工设计选用 了单铰转体， 即中心球铰承压面承受全部转体重量， 纵 向及横向稳定可由球铰面间的摩阻力来提供， 对于转 体时瞬间产生的不平衡由上盘保险腿承受。这就要求 以球铰为中心， 构成平衡力矩与不平衡力矩的荷载， 即 球铰、 上盘、 交界墩、 拱圈桁架、 扣背索、 扣点、 平衡重、 临时施工荷载等， 一定要计算准确， 这是确保转体结构 稳定、 安全的关键。实施时， 考虑到以上重量均存在一 定的误差， 且以上盘保险腿为支点计算的前倾纵向稳 定安全系数小于后倾纵向稳定安全系数， 故在上盘尾 部配置平衡重时， 有意加大了平衡重量， 使转体重心从 球铰中心向后移动， 以增加施工过程中的纵向稳定。 转体时， 上盘后保险腿承受较小的不平衡荷载， 形成 ! 点支撑或 ) 点支撑， 由于此处的点实际上是面， ! 点或 ) 点支撑完全看施工时保险腿与其下内滑道的制作精 度而定。但在本质上， 转体仍然是单铰转体， 因为绝大 部分的转体重量是由单个球铰承受的。设计中采用凹 面向上的转体球铰， 使转体结构更趋于稳定， 并可防止 填充于球铰间的黄油等润滑剂承压流失。 #$ #! 转体球铰上下摩擦面采用钢与填充式聚四氟乙 ""
万方数据 铁道标准设计 !"#$%"& ’(")*"!* *+’#,)- .//0 （1 ）
・桥! 梁・
烯复合滑片作为摩擦副 本桥转体设计时， 世界最大单铰转体施工重量仅 为 !" ### $%， 而本桥转体施工重量超万 &， 转体重量有 了从量到质的变化， 研究一种摩擦因数更小的新转体 球铰， 减少转体牵引力， 降低转体难度， 就成为本桥转 体研究的重点。从以往的工程实践看， 早期的转体球 多采用混凝土铰， 通过打磨、 碾磨， 使混凝土表面光滑， 再涂以黄油四氟粉， 增加润滑； 近期转体有采用钢板与 钢板间进行摩擦转体的， 也有采用聚四氟乙烯蘑菇头 与钢板之间进行摩擦转体的； 经反复研究， 本桥创造性 地采用填充式聚四氟乙烯复合滑片嵌入下球铰钢板， 上球铰采用不锈钢板与填充式聚四氟乙烯复合滑片接 触， 其滑动摩擦因数仅为 #’ #! ， 比混凝土球铰及钢铰 球的滑动摩擦因数 （ #’ #" ( #’ ) ） 小， 从而为大吨位转 体顺利进行提供了良好的条件。研究表明， 同性材料 间摩擦具有粘着现象， 会增加摩擦阻力， 而异性材料间 则没有这种粘着现象， 再加上材料自身的特性， 因此彼 此之间的摩擦因数较小。另外， 由于填充式聚四氟乙 烯复合滑片为片状结构， 承受抗剪切能力较强， 不会出 现滑片 被 磨 碾 挤 碎 的 现 象， 其抗 压、 抗剪、 抗磨损的可靠性都是有 保障的。这种采用钢与填充式聚 四氟乙烯复合滑片作为摩擦副的 转体球铰为当今世界转体施工首 次采用。 设计对球铰上、 下钢板加工成 形的表面平整精度及聚四氟乙烯 滑片安装后表面形成的球面平整 精度都提出了较高的要求。工厂 加工球铰时， 为了确保钢板表面平 整精度， 减少由于焊接加劲肋而引 起的焊接变形， 增加了上、 下钢板 厚度， 并将 * 片径向肋板增加为 " +# 片径向肋板， 同时增加了 " 道环形肋板。现场安装 球铰下钢板时， 专门设计了可用螺栓调整高度的支承 钢架， 以确保球铰下钢板安装精度。 !% &" 交界墩及上盘设计 交界墩既是扣索稳定拱圈的支承构件， 又是转体 配重。在张拉扣背索过程中， 交界墩承受交变应力的 作用。扣索张拉时， 墩身拱圈侧产生压应力； 背索张拉 时， 墩身拱圈侧产生拉应力。扣索张拉引起的交界墩 墩底弯矩很大， 如一次张拉到位， 墩身无法承受。因 此， 交界墩设计的关键问题是需设计优化出合理的扣 背索分级交替张拉顺序， 使墩身应力处于设计允许的 #"