馬行川

(中鐵武漢勘察設計研究院有限公司,武漢 430074)

1 概述

橋梁轉體法施工始于20世紀40年代的法國，最初是從豎轉法發(fā)展起來的，直至1976年，平轉法施工才首次應用。隨后，國外在斜拉橋、T形剛構橋、連續(xù)梁橋、拱橋等橋型上，平轉法的使用越來越廣泛，技術也越來越成熟[1-2]。

我國轉體施工技術起步相對較晚，1975年才開始進行轉體橋工藝的研究，并于1977年完成了我國歷史上的第一座平轉法施工橋梁[1-2]。近年來，隨著高速鐵路的普及，轉體橋的應用越來越普遍，在轉體橋個數(shù)、轉體質(zhì)量、轉體形式已漸漸進入世界領先水平。表1為國內(nèi)外一些典型的橋梁轉體施工案例。

表1 國內(nèi)外典型轉體施工的橋梁

2 跨線橋轉體技術現(xiàn)狀

2.1 常規(guī)跨線橋轉體技術

目前，常規(guī)跨線橋平轉法施工是在普通跨線橋梁施工的基礎上，增加一個轉動球鉸、轉體牽引動力系統(tǒng)和轉體時的平衡系統(tǒng)[3-5]，將需橫跨鐵路的橋梁平行于既有鐵路施工，轉體梁段施工完成后水平轉動至設計位置，在基本不對鐵路造成影響的前提下實現(xiàn)橋梁的跨越。

常規(guī)平轉法施工的技術原理如圖1所示，采用球鉸作為轉動和承載的核心，支撐腿和滑道作為防傾覆保險體系，牽引索、連續(xù)張拉千斤頂和牽引反力座為轉體的動力系統(tǒng)。轉體時通過布置在球鉸左右兩側軸對稱位置的牽引反力座為連續(xù)千斤頂提供1對牽引反力，連續(xù)牽引纏繞在轉臺上的拉索，形成1對力偶，使橋梁轉體結構沿球鉸中心進行轉動。按球鉸所在位置水平轉體橋可分為墩底轉體[6-8]、墩頂轉體[9-11]和墩中轉體[12]。例如，廣東英德跨京廣高鐵的英紅特大橋采用墩底轉體，如圖2所示；武漢市姑嫂樹路轉體橋采用墩頂轉體，如圖3所示；新建成昆鐵路永仁至廣通段龍川江大橋采用墩中轉體，如圖4所示。

圖1 常規(guī)轉體系統(tǒng)

圖2 墩底轉體

圖3 墩頂轉體

圖4 墩中轉體

2.2 常規(guī)轉體技術的局限性

雖然上述常規(guī)轉體技術基本能滿足大多數(shù)跨線轉體橋的施工需求，但仍存在一定的局限性，主要技術缺陷如下。

(1)為保證轉體平衡，在現(xiàn)場不具備背錨設置條件的情況下，跨線橋轉體結構一般做成對稱或者盡量對稱，以減少平衡配重量，但存在現(xiàn)場條件限制導致轉體兩端結構相差懸殊的情況，單純配重難以實現(xiàn)轉體平衡。

(2)現(xiàn)有跨線橋梁的改擴建，常規(guī)轉體技術由于現(xiàn)狀橋梁的影響，若新建橋梁和老橋并行建設，現(xiàn)狀轉體技術無法實現(xiàn)。

(3)轉體橋梁規(guī)模越來越大，保定樂凱大街轉體橋轉體質(zhì)量已經(jīng)達到46 000 t。隨著轉體噸位的增加，轉體球鉸尺寸越來越大，直徑超過了5 m，采用常規(guī)球鉸制造技術，運輸及安裝極為不便。

(4)轉體噸位越來越大，相應牽引動力的需求也越來越大?，F(xiàn)狀技術主要通過兩種措施來完成轉體，一種是增加連續(xù)千斤頂?shù)臓恳Γ涣硪环N是增大轉臺與球鉸半徑比值。但兩種措施均造成牽引設備和轉臺結構較為龐大，經(jīng)濟性較差。

(5)現(xiàn)狀轉體技術采用牽引索牽拉轉體，若轉體超過設計角度后，回位只能采用千斤頂頂推，施工操作難度較大。因此，施工時往往接近轉體角度后，即停止轉體，很難做到完全精準對位。

(6)現(xiàn)狀轉體技術球鉸多為一次性設備，轉體完成后封鉸在結構內(nèi)部，無法重復利用。

3 跨線橋轉體新技術

3.1 轉體工藝的新技術

2018年建成的武漢市常青路跨線轉體橋采用了一種新型轉體技術，相對于常規(guī)轉體技術進行了較大改進。該工程采用(95+105) m連續(xù)鋼箱梁上跨9股道鐵路線，橋?qū)?1 m，分幅布置。該橋采用墩頂法轉體，待箱梁水平轉體就位后，施工合龍段，完成鋼箱梁的合龍，最后拆除球鉸，上部結構整體落架至永久支座上。

該橋橋面較寬，采用分幅布置，且現(xiàn)場環(huán)境不具備左右幅橋梁在鐵路兩側分別轉體的條件[13]，因此設計采用了一種分幅橋梁單球鉸整體轉體新工藝。將上部梁體平面設計為“H”形，在轉體墩墩頂用橫梁連接左右兩幅橋，完成鋼箱梁與轉體系統(tǒng)的固定，并在橫梁的轉體球鉸上方設置臨時塔橫向張拉墩頂橫梁，以改善轉體時橫梁的懸臂受力狀態(tài)。

受外部環(huán)境限制，轉體長度為(43.8+91.4) m。由于兩端轉體長度相差懸殊，無法通過單純配重達到轉體平衡，因而采用一種輔助支撐系統(tǒng)的方法來解決轉體平衡[14-17]，如圖5所示。該系統(tǒng)由滾輪小車支撐、滾輪小車軌道、弧形軌道梁支撐平臺、齒輪驅(qū)動系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)共同組成，如圖6所示。取消常規(guī)轉體的牽引索牽拉轉體，通過齒輪驅(qū)動使?jié)L輪小車支撐沿弧形軌跡運動，進而帶動梁體進行水平轉體。

圖5 常青路轉體輔助支撐系統(tǒng)平面布置(單位：mm)

圖6 常青路轉體輔助支撐系統(tǒng)連接大樣(單位：mm)

該橋轉體方式具有轉體穩(wěn)定性好、自動化程度高、可正轉也可反轉、能自動精準對位等特點，可減少不對稱結構轉體所需的平衡配重量及轉體時的牽引力，實現(xiàn)施工區(qū)域狹窄、場地受限條件下的橋梁轉體施工。

3.2 轉體球鉸的新技術

平轉橋梁的轉體球鉸技術發(fā)展經(jīng)歷了相當長的時間，由最初的混凝土球鉸到如今承載能力超過30 000 t的鋼球鉸，設計制造技術日臻成熟，但對于超大質(zhì)量轉體球鉸，以往的設計及制造仍存在直徑較大，無法分解拆裝組合，運輸及安裝較為困難等缺點。

2019年7月30日實現(xiàn)轉體的河北保定樂凱大街轉體橋，主塔轉體質(zhì)量高達46 000 t，球鉸直徑達到5.88 m[18]。為解決運輸難題，其轉體球鉸采用分片式拼裝技術，將完整球鉸分成三塊，各塊之間在施工時通過螺栓連接為整體，連接處進行局部結構加強。該種設計將超大直徑的球鉸(平面直徑達到5 m以上)分解為一般公路可以運輸?shù)膲K件，進入工地安裝后，再拼接為整體，對于公路運輸非常方便，可有效降低球鉸的運輸成本。

4 跨線橋轉體技術展望

雖然常青路和保定樂凱大街的新型轉體技術解決了常規(guī)轉體技術中的大部分問題，取得了較多的技術成果，但仍有較多轉體橋方面的技術有待進一步開發(fā)和研究，以適應現(xiàn)在各種各樣的建設需求。對于未來轉體橋梁技術的發(fā)展，可以從以下幾個主要方面進行展望。

4.1 轉體工藝的技術展望

(1)轉體和平移相結合的技術

對既有跨線橋進行加寬改造，受既有橋梁的影響，以前都是采用架設或者頂推的方式再次跨越鐵路，但施工對鐵路運輸干擾較大。若采用常規(guī)方式轉體，跨鐵路加寬段的公路線路需要外繞，以留足轉體施工空間。但此種處理方式在加寬段橋梁和既有跨鐵路橋梁之間會出現(xiàn)三角地塊，浪費土地資源。

參考已有的房屋建筑平移技術，若能在既有跨鐵路橋梁之外采用轉體技術跨越鐵路之后，再通過導軌平移技術順鐵路方向水平移動，使跨鐵路加寬段橋梁和既有跨鐵路橋梁并行，則可避免上述諸多問題。實施思路可將承臺設置為上下兩層，中間布置導軌，頂面布置轉體系統(tǒng)。先臨時固定上下層承臺，實施橋梁水平轉體就位；再封固轉體系統(tǒng)，解除上下層承臺臨時固結，釋放出橋梁平移系統(tǒng)，通過提前設置的走行基礎、導軌、頂推系統(tǒng)，將橋梁水平頂推到設計橋位上，最后封固上下層承臺成橋。目前，該技術方案僅是一種初步思路，需要在今后的實踐中做進一步完善。

(2)可調(diào)高度轉體橋技術

轉體橋在跨越電氣化鐵路時，由于受轉體掃過區(qū)域鐵路接觸網(wǎng)桿高度的影響，所留鐵路的凈空高度往往比規(guī)范要求的鐵路限界高度高出較多，由此帶來了橋梁長度增加或者道路縱坡加大，降低行車安全性和舒適性，工程造價上也不經(jīng)濟。

若能在橋梁轉體后，通過技術措施使橋梁上部結構下降一定高度，既能滿足轉體過程中的轉體需求，又能滿足轉體后的鐵路限界，則可以達到有效降低道路縱坡，減少工程造價的目的。

可調(diào)高度轉體橋技術具體實施時可參考塔吊自身升降的原理，通過采用大噸位千斤頂和臨時加高臺相互配合的方案，逐級降低上部結構高程。例如對于墩頂轉體連續(xù)梁，可根據(jù)高度調(diào)整的需求，在墩頂設置相應高度的加高臺。轉體就位后，通過千斤頂?shù)呐浜?，逐步拆除球鉸和加高臺，將梁體高度降至設計高程。常青路跨鐵路轉體橋?qū)τ诓鸪蜚q和降低梁體高程已經(jīng)進行了大膽嘗試，但降低的高度有限，對于大尺度的高度調(diào)整，后期仍有很多技術細節(jié)有待進一步研究。

(3)臨時斜拉索轉體橋技術

對于梁式橋轉體，轉體過程中的大懸臂結構往往是設計和施工中的控制工況，為保證轉體工況的結構安全，避免梁體下?lián)线^大影響轉體進程。0號塊附近的梁體截面結構尺寸在設計時往往取值較大，致使橋梁的經(jīng)濟指標相對較差，同時也增大了轉體質(zhì)量，間接增加了施工難度。

若能將斜拉橋的設計理念引入到梁式橋轉體的設計和施工中，通過設置臨時斜拉索[19]，則可以在保證結構安全的前提下有效降低懸臂撓度，減少結構截面和轉體質(zhì)量。設置臨時斜拉索分為縱向和橫向兩種方式，一般情況下設置縱向臨時斜拉索，對于橋面橫向?qū)挾容^大的轉體橋，在轉體時橫向剛度或應力水平受控時，也可以設置橫向臨時斜拉索。

設置臨時斜拉索的轉體橋技術對于跨度在50～100 m范圍的鋼箱梁結構，在改善轉體時的撓度和應力水平十分有效，對于今后的工程應用有著較大的發(fā)展空間。

(4)無球鉸轉體技術

目前實施的轉體橋，多數(shù)均是通過設置球鉸裝置實現(xiàn)轉體功能。雖然早期也有通過平面鉸[20-21]來進行轉體的橋梁實例，但它們都具有通過鉸結構來承擔轉體時上部結構重力的特點，同時能夠在對鉸結構施加外力形成力偶的情況下可以連續(xù)轉動。

結合常青路跨線轉體橋所設計的滾輪小車結構，可以實現(xiàn)無球鉸轉體的設想。取消常規(guī)轉體的球鉸裝置，沿轉動環(huán)道軌道對稱布置多個滾輪小車，使?jié)L輪小車既能承擔上部結構的重力，又能在自身動力的作用下沿軌道圓周運動，進而實現(xiàn)轉體的功能。

無球鉸轉體技術采用多支點承擔上部結構，可以增加轉體過程中的穩(wěn)定性，尤其對于高聳結構轉體，可以大大降低轉體傾覆的風險。

目前該技術對于鋼箱梁墩頂轉體和小質(zhì)量墩底轉體混凝土梁橋比較適用，對于雙索面斜拉橋轉體，無球鉸轉體技術也可以做到兩側塔柱不收腿，更有利于塔柱的結構受力。但由于單個滾輪小車的承載力有限，所以對于較大質(zhì)量轉體橋，其適用仍存在局限性。今后需對滾輪小車的承載能力做進一步的完善和改進，以擴大無球鉸轉體技術應用范圍。

4.2 轉體球鉸的技術展望

(1)球鉸可重復利用技術

目前，常規(guī)轉體橋梁的鋼球鉸基本上都是一次性的，轉體完成后進行封固，保留在橋梁結構內(nèi)部。如果能夠在轉體完成后拆出球鉸，使球鉸像千斤頂?shù)绕渌O備一樣具備可重復利用的特點，將是橋梁轉體技術的一大革新，同時也有利于資源的重復利用。例如常青路跨線轉體橋在鋼箱梁轉體球鉸的設計上進行了回收利用的成功嘗試，如若在混凝土橋梁上也進行該項技術的應用和推廣，對于環(huán)境保護，降低工程造價也將大有裨益。

球鉸可重復利用技術主要應用在墩頂轉體的橋梁上，即在設計時充分考慮球鉸的可拆裝性，結構上預留球鉸的拆卸空間和拆卸時的構造措施。轉體完成后，通過千斤頂?shù)捻斏?，移出拆卸下來的球鉸，再落梁在正式支座上，完成橋梁結構體系由轉體狀態(tài)到永久狀態(tài)的轉換。

(2)集成式球鉸技術

目前，轉體球鉸的功能基本上都是單一化的，即僅實現(xiàn)結構轉動功能，轉體過程中的其他控制功能需求，例如應力監(jiān)控，平衡稱重、轉體角度和速度監(jiān)測、轉體動力提供[22]等施工控制措施均需要通過其他措施或設施來實現(xiàn)。

若對現(xiàn)狀球鉸作進一步改進，將上述功能集成在一起，實現(xiàn)球鉸功能的多樣化、數(shù)字化和智能化，將可大大減少轉體過程中各工序的交叉配合，更有利于轉體控制的安全和平穩(wěn)。

集成式球鉸技術的基本思路可分為以下方面的內(nèi)容：一是在球鉸內(nèi)上下球鉸之間預埋應力片的輔助監(jiān)控技術，以達到免稱重的目的。根據(jù)監(jiān)測結果對不平衡力矩進行預估，形成預配重方案并與理論配重方案進行對比分析，驗證預配重方案的合理性；二是將轉體動力系統(tǒng)和球鉸進行組合，使球鉸自帶動力，通過自動控制技術，啟動球鉸使轉體能夠自動運行，避免轉體動力系統(tǒng)和球鉸系統(tǒng)分離的狀態(tài)，能更好地控制行程，達到橋梁轉體姿態(tài)實時測量及精確定位；三是利用如今蓬勃發(fā)展的計算機數(shù)字技術，在球鉸上設置監(jiān)測、控制裝置，將轉體過程的球鉸應力、轉體角度、轉體速度等數(shù)據(jù)進行數(shù)值化、可視化，以簡化施工現(xiàn)場各工種之間的現(xiàn)場相互配合工作量，減少施工風險。

4.3 轉體動力系統(tǒng)的技術展望

(1)轉體動力智能控制技術

常規(guī)跨線橋轉體動力基本上均采用卷揚機或者連續(xù)千斤頂牽拉。在常青路跨線轉體橋之前，轉體動力技術一直停留在最初的方式上，未進行過大的改進和革新。該種技術比較成熟，但也存在施工操作復雜，精度控制差等缺點。

克服上述常規(guī)轉體的牽引技術缺點，就需要將目前的常規(guī)轉體動力技術作進一步改進。結合目前飛速發(fā)展的自動化控制技術、信息集成技術，綜合研制出一種可遠程一鍵式操作，數(shù)據(jù)化控制的轉體綜合動力設備。該設備應具備正反轉、能自行精準對位的特點，遠程輸入命令即可自動提供轉體的功能。常青路跨鐵路轉體橋的轉體設備只是進行了初步嘗試，適合特定條件下的橋梁轉體，通用性仍有一定局限。若開發(fā)為通用設備，后期仍有很多地方有待改進。

(2)雙動力系統(tǒng)轉體技術

以往設計的轉體橋，無論是常規(guī)轉體或是常青路新型轉體，均采用單動力系統(tǒng)，即采用連續(xù)千斤頂牽拉系統(tǒng)或者單側電機齒輪齒條轉動系統(tǒng)。對于轉體質(zhì)量較大的轉體橋，所需牽引力往往較大，如果設置雙動力系統(tǒng)，則轉體施工將變得容易實現(xiàn)。雙動力系統(tǒng)轉體技術可以分為連續(xù)千斤頂牽拉系統(tǒng)+電機齒輪齒條系統(tǒng)和雙電機齒輪齒條系統(tǒng)兩種方案。

雙電機齒輪齒條系統(tǒng)對稱布置在球鉸兩側，在提高轉體牽引動力的基礎上，也可以解決單側電機齒輪齒條系統(tǒng)對球鉸產(chǎn)生的水平推力，防止球鉸產(chǎn)生較為嚴重的水平偏位現(xiàn)象。目前，在常青路新型轉體技術的基礎上，該技術已經(jīng)進行了深入研究，可以應用在今后的工程中。

連續(xù)千斤頂牽拉系統(tǒng)+電機齒輪齒條系統(tǒng)，以其中一種動力系統(tǒng)作為主動力，另一種動力系統(tǒng)作為輔助動力，在單個動力系統(tǒng)牽引能力不足的情況下，另一種動力可以作為補充。也可以在單個動力系統(tǒng)牽引能力滿足要求的情況下，另一種動力可以作為應急儲備。尤其在跨越鐵路的條件下，轉體時間被限定，若主動力系統(tǒng)出現(xiàn)問題，更換設備時間不允許的情況下，另一種動力可以確保轉體繼續(xù)進行。

(3)梁端設置動力轉體技術

常規(guī)跨線橋在轉體時，所需牽引動力的大小除受球鉸和撐腳接觸摩擦力的影響外，另一個影響因素就是牽引半徑和球鉸支承半徑的比值大小。其比值越大，所需牽引力就越小，若在轉體梁的端部牽引，則所需牽引力最小。在實際工程中，受轉體跨越端鐵路或其他障礙物影響，跨越端往往無法在端部進行牽引，但在非跨越端則可以實現(xiàn)端部牽引，以達到牽引力最小的目的。

由于梁端運動軌跡呈弧線形，梁端采用軟索牽引實現(xiàn)弧線運動技術上存在較多困難，因此實際工程中一般在梁端采用頂推方式使梁體轉動。但也帶來轉體用時較長，一次鐵路天窗封閉點內(nèi)很難完成轉體的問題。常青路跨線轉體橋采用的齒輪齒條方案是解決這個問題的一個方向，對于其他更為簡易的解決方式仍需在今后的工作中進一步研究開發(fā)。

(4)設置動滑輪的轉體動力技術

常規(guī)跨線橋在轉體質(zhì)量較大時，牽引動力往往較大，以前是通過加大牽引設備牽引力的辦法來處理。目前，牽引設備連續(xù)千斤頂?shù)臓恳σ呀?jīng)從最初的1 000 kN逐漸發(fā)展到5 600 kN。但現(xiàn)有千斤頂動力仍不能滿足牽引需要時，可以通過設置一個簡單的動滑輪構造來解決問題。如圖7所示，在千斤頂反力座和預埋在轉臺內(nèi)的牽引鋼束之間設置一個動滑輪。根據(jù)動滑輪的特性，千斤頂所需的牽引力理論上可降低為直接牽拉牽引鋼束的一半。

圖7 設置動滑輪的轉體動力系統(tǒng)平面

4.4 轉體技術應用的展望

橋梁轉體技術在應用環(huán)節(jié)上除了橋梁轉體施工外，還可延伸到其他方面，例如河道上的開啟橋應用。

開啟橋的技術應用較早，多用在航道上橋梁。該種橋型可顯著降低河道上的橋梁設計高度，縮短引橋長度，節(jié)省大量的建橋資金。例如比較著名的倫敦泰晤士河上的塔橋即是采用開啟橋的技術，如圖8所示。一般開啟橋大多采用豎向開啟，采用水平開啟橋的橋梁由于轉動機構相對豎向開啟橋較為復雜，所以數(shù)量相對較少，一般用于橋梁寬度較小的鐵路橋梁，例如20世紀30年代的遼寧丹東跨鴨綠江舊鐵路橋即是采用水平開啟的橋梁，如圖9所示。

圖8 倫敦泰晤士豎向開啟橋

圖9 遼寧丹東水平開啟橋

參考常青路齒輪齒條新型轉體系統(tǒng)的技術原理，可以較為容易的實現(xiàn)水平開啟。水平開啟橋與豎向開啟橋相比，不需要設置橋塔或拉索，簡單梁式橋即可實現(xiàn)，技術上更具優(yōu)勢。今后，在通航不太繁忙的河道上，設置水平開啟橋也是一個很好的發(fā)展趨勢。

5 結語

通過對常規(guī)跨線轉體橋技術的分析，總結出常規(guī)轉體橋技術的局限性。針對常規(guī)橋梁的局限性，介紹了近年來發(fā)展的一些新型轉體技術。并從轉體工藝、球鉸技術、轉體動力系統(tǒng)、轉體技術應用等方面，著重對今后轉體技術的發(fā)展進行展望，為今后轉體橋技術的進一步發(fā)展提供了一定的思路，對相應建設條件下的跨線轉體橋建設有一定的參考和借鑒意義。