钢管混凝土拱桥转体施工工艺

黄柏河、下牢溪特大桥（以下简称“两桥”）是长江三峡工程对外交通专用公路的重点工程，位于湖北省宜昌市西北近交西陵峡口风景区。两特大桥的结构形式基本相同，系根据河床自然条件和缩短工期的要求。主跨采用净跨160m的上承式倒悬链线无铰钢管混凝土拱，净矢高32m，拱抽系数m=1.543，矢跨比f/L=1/5。主拱圈系由8根直径100cm，壁厚1.0~1.2cm的钢管及厚1.0cm缀板组成的哑铃形拱肋。钢管内泵送50号微膨胀混凝土。拱上建筑采用15组四柱排架式钢管混凝土立柱；立柱上部采用钢筋混凝土简支式大孔板梁；边跨分别采用4孔20m及1孔20m后张法预应力混凝土简支T形梁。

全桥长分别为276.71m、280.06m；桥面宽18.50m，桥面横坡为1.5%；两桥设计荷载为汽-36，验算荷载为挂-200。两桥不同之处，黄柏河特大桥位于3.2%的坡道上，由桥面铺装调整形成3.2%的桥面纵坡。后因地质情况变化，又增加一孔10m钢筋混凝土板梁。

全桥总布置详见图1。

“两桥”设计新颖，采用了许多新技术、新材料、新工艺。如大跨度钢管混凝土拱桥，跨径之大，尚属全国第一；采用“转体法”施工，转体重量达三千六百多吨，也属全国第一；钢管内混凝土，采用顶升法泵送微膨胀混凝土，泵送高度达32m，斜长达九十余米，而且要求两根钢管两端同时对称泵送施工，需要配备四台混凝土泵车将近三百方混凝土在2一3小时之内泵送完毕，要求混凝土每小时100一150m3的生产强度，才能满足施工要求。钢管之防护，采用“金属喷涂长效防蚀复合涂层”，系新研究成功的科技成果，可以防腐20年，两桥是首次采用。桥面铺装采用“双层钢丝网复合式钢纤维混凝土路面”，施工工艺十分繁杂，其工艺流程多达12道工序。

两桥位于西陵峡口低山丘陵与构造剥蚀、侵蚀山地过渡带，地形起伏较大，相对高差达150m；河床呈“U”型沟谷，切割较深，河宽约30一40m，沟谷顺直；岸坡陡峻，桥面与沟底最大高差达130m。工点范围内，除陡壁植被稀少外，其余地带植被生长茂密，荆棘杂草丛生，工作条件差，施工难度大。再加之两桥位于西陵峡口风景区，山川秀丽，风景宜人，是旋游胜地，游人很多，这些都给施工带来干扰。

本工艺范围，重点介绍“拱桥水平转体施工工艺”。

拱桥水平转体法，是桥梁架设安装的新方法，它是将拱圈分为两个半跨，分别在两岸偏离设计桥位的位置，利用地形作简单支架，拼装拱肋及拱上立柱，组成半拱体，用拉杆扣索（高强度精制螺纹钢筋），一端锚固在拱肋的端部，经拱上立柱至拱座上盘墩柱锚固、然后用液压千斤顶收紧拉杆，施加预应力；并在上盘墩柱空箱内注水，通过调整注水量使转动体系自身平衡，除球铰一点支承外其余各点脱空（即脱模）；随后借助球铰及防倾安全体系，利用自动连续同步顶推系统，牵引钢绞线，形成转动体系的水平转动纯力偶（不能产生水平合力和竖转力偶），慢速连续地将半拱体转体180°（或小于180°）；待两半拱体分别转体完毕后，拼装合拢段，完成拱体的全部合拢工作。最后采用顶升法泵送拱肋及立柱混凝土；进行拱上建筑的施工。拉杆及拉索布置详见图2。

桥梁水平转体法，由于它具有结构合理、受力明确、工艺简便、施工设备少、节约施工用材、安全可靠、速度快等优点，而且使施工条件大为改善，适用范围广泛，所以在不长的时间内取得迅速发展。我国自1977年采用以来，先后在四川、云南、贵州、广东、广西、河南、湖北、江西、浙江等省区，迅速发展，共建成各种类型桥梁五十余座，总数已居世界第一。而两桥跨径160m，转体重量达三千六百吨，均属全国第一，所以施工中必须认真对待！

    两桥转体重量3600T，作用在直径2.2m的球绞上，起动时静磨擦系数按0.2考虑，静磨擦力720T，起动后旋转过程中磨擦系数按0.08考虑，动磨擦力288T。

静磨擦力矩：396T一m；

起动时所需之牵引力76.15T；

动磨擦力矩：158.4T一m；

旋转过程中所需之牵引力：30.46T；

故选用两套1000KN级自动连续顶推系统，形成水平旋转力偶，作用于直径5.2M的转盘上，起动力矩最大可达1040T一m；旋转过程中力矩可达520T一m。

转体施工的基本原理是采用转动体系、（桥梁人论坛-免费桥梁资源下载）防倾保险体系和位控体系等三部组成。

1、 转动体系：

转动体系是借助下盘直径2.2m的球铰承重，压应力95kg/cm2。球铰是转体施工的关键部件，制作精度要求很高，必须精心施工、精心测量。它的位置和精度将影响全桥合拢精度和转体过程的安全，因此要特别注意！必须要做到球面光滑，尺寸准确。球凸各处的曲率应相等，边缘各点的高程差不得超过1mm，椭园度不超过1mm。原设计为50号混凝土球铰。制作工艺十分繁杂，打磨十分困难，为了保证其精度及安全，改为数控旋压钢制封头。

采用1000KN级自动连续同步顶推系统，牵引6束直径15mm钢铰线，缠绕于直径5.2m的转盘上，形成水平转动的纯力偶。顶推系统由千斤顶、液压站及主控台等三部分组成。旋转体系的布置详见图3。

2、  防倾保险体系：

防倾体系是转体施工方法的重要保险措施，根据设计构造的特点，在转体的施工过程中，全部重量，只有球铰一点支撑，拱体本身不允许拉保险浪风，因此在上下盘之间，设置了两道双层防倾保险支腿。第一道在上盘以直径5.2m设置六个内圈保险腿。转体时沿下盘轨道滑动。第二道设在下盘以直径13m设置10个向上的外圈固定保险腿，保险腿与上盘之间有15一20cm空隙，施工时应备足铁垫钣和聚四氟乙烯板，将空隙塞实。

防倾保险体系布置详见图4。

3、位控体系：

利用预埋件和保险腿安放水平撑杆，此举之目的在于防止脱模架时转动体系倾斜或自动旋转。转体到位时，防止再度转动的措施：

⑴用条石或混凝土块将上下盘尾部的空隙垫紧；

⑵焊接上下盘之间的连接预埋件；

⑶垫紧上盘尾部同山体之间的空隙；

⑷墩柱空箱内注满水，使转动体系的重心后移，落在尾部垫块和球铰构成的三角形区域内。

⑴将下盘混凝土灌注至设计高程：

基础下盘为20号混凝土，方量最大为1800cm3，应分段或分层灌注，确保混凝土质量，特别值得注意的是在下盘混凝土中考虑转体施工的需要，有相当数量的预埋件，如顶推系统支架预埋件、备用千斤顶预埋件、定位及限位预埋件、临时定位的钢筋及外保险腿等，详见各施（桥梁人论坛-免费桥梁资源下载）工设计图及相应的设计文件，在预埋件埋设的过程中，应严格控制其平面位置及高程。

内保险腿可能扫过的环道混凝土顶面，需打磨平整，要求环道顶面与保险腿底面保持16mm空隙，施工时应备足铁垫板和聚四氟乙稀板预以抄垫，使转体过程中，保持2mm间隙。

⑵制作球铰：

平转法施工的最重要设备是转动体系。转动体系的核心是转动球铰，它兼顾转体、承重及平衡等多种功能。为保证压力的有效传递及球铰上、下盖的精确定位，在上、下盘基础混凝土中预埋设直径φ2.2m的钢筒与上、下球铰盖点焊连接。在上、下球铰盖与钢筒焊接过程中，应注意对称进行，因焊接没有强度要求，所以只需点焊一周即可，严禁过大的焊接参数造成球铰上、下盖的变形而影响精度。同时在施工过程中，应随时测量球铰上、下盖中心点的坐标及高程，并随时进行调整，作好各次测量记录以备后查。

下盘球铰定位后，灌注下球铰与下钢筒内二次50号微膨胀混凝土。灌注前应在球铰盖周侧搭设好灌注混凝土用支架脚手，严禁机具设备及施工人员荷载直接加在球铰盖上。震动棒应从下盖上预留的两个φ80mm 的灌注孔中插入，防止震动棒直接碰撞球壁；在震动过程中，辅以钢钎插捣，确保密实。

球铰表面应检查光洁度指标，若有损伤处，应打磨光滑。然后在球铰表面涂抹一层润滑剂（聚四氟乙烯粉与黄油的混合物，比例1:2）。厚度为1cm左右，其后吊装上球铰盖，周边对称点焊上钢筒，并完成上球铰盖的精确定位。球铰上、下盖的定位精度直接影响到全桥转体合拢的精度及转体过程中的安全，所以在施工过程中，必须精心组织，精心施工。

球铰上、下盖的结构尺寸精度及埋设定位精度要求如下：

结构尺寸精度：椭园度≯1mm

弧面中心偏离≯1mm

弧面不平度≯0.3mm

定位精度：高程≤±2mm

         中心偏离≤1.5mm

⑶上盘园台混凝土的灌注：

上盘园台混凝土的灌注包括六个内保险腿及转动园盘，混凝土等级为50号。其中关键是六个内保险腿的灌注，内保险腿结构尺寸小、钢筋密集，其底部有一弧形钢板，距基础面仅1.6cm。因为内保险腿是一种防倾支撑安全措施，因此其强度及位置的精度要求较高，所以内保险腿在立模时要注意牢固、密贴，防止漏浆，灌注时加强震捣，确保密实。在转动园盘灌注时，应注意园盘内预埋钢绞线的位置及锚固长度，并应将钢绞线与园盘内钢筋绑扎牢固；伸出园盘外的钢绞线应注意涂油防护，并加以遮盖防止锈蚀。

⑷试转：

待上盘园台混凝土强度达到设计强度的70%时，即可进行球铰盖的试转。试转的目的在于检查上、下球铰盖的吻合情况，并能及早地发现和处理转体过程中的一些问题，使正式转体工作能顺利安全地进行。

试转具体操作如下：首先在球铰盖上设置标记，依照正式转体的过程中，用人力推动旋转，观测转动过程中球铰盖是否平稳、灵活，有无向一侧倾斜的现象：转体到位时，测量拱跨间距及偏角能否达到精度要求。

试转完毕后，将球铰盖转（桥梁人论坛-免费桥梁资源下载）回预定位置，并将球铰盖与下盘临时固接，以免灌注上盘混凝土时球铰盖倾斜或转动。为避免转体前润滑剂受到水份和空气的侵蚀，需将它临时密封。

⑸灌注拱座及墩柱混凝土：

试转完毕后，即可灌注拱座及墩柱混凝土。拱座和墩柱在平转过程中，起平衡作用，是在悬臂状态下灌注混凝土，所以必须做好底部支撑，并需留足安全储备，以满足灌注墩柱混凝土的需要。拱座需分层灌注，第一层灌注后，安装预埋拱肋。拱肋要求精确安装，可靠固定。墩柱最大高度为32m，平转过程中，起平衡和承受拱肋拉力的双重作用，其结构尺寸的精度及垂直度，均应严格按规范执行；并需测定混凝土之容重以供转体计算之用。待混凝土强度达到80%后，张拉三向预应力，即12一7φ5钢铰线，采用OVM锚固体系。

⑹拼装转体半拱：

根据两桥具体的地形地势不同，平转的角度不同，拱肋的支撑方法也不同，分别设置拱架或拱胎。

拱肋及立柱安装，必须严格按照设计中的要求及经监理审批通过的工艺执行。特别是工地拱肋环向焊缝、立柱与拱肋角焊缝的焊接质量，要从严把关，挑选技术熟练合格的焊工，严格按试验通过的焊接参数及工艺进行。焊接后严格进行外观检查和超声波及x光检查。

为了加强立柱的刚度及稳定性，需用φ10mm的钢筋拉杆、纵横向将立柱从顶部拉至拱肋上，拉杆上装有调节松紧程度用的花兰螺栓，便于调整立柱的受力，这也是拱肋合拢后调整立柱垂直度的重要结构措施。

拱肋的支撑必须牢固可靠，并需考虑脱模时拆除方便，尤其是靠近拱脚附近处，拉杆张拉后压力增加，最好采用砂箱支撑。

⑺转体水平拉杆的安装及张拉：

转体水平拉杆的作用在于转体前张拉脱模，同时将拱肋悬臂弯矩通过拉杆传递到墩柱上。拉杆一端锚固在拱肋的端部，经拱上立柱至拱座上盘墩柱锚固。锚具为JLM一25。拉杆采用 25精轧螺纹钢筋（成分为40MnSi2V），每个半拱转体结构上配置16根，单根长度为86M，采用JLL一25连接器连接。

拱座及墩柱三向预应力钢铰线张拉完毕后，即可进行水平拉杆的张拉。水平拉杆在经过时效处理后的抗拉强度不低于750Mpa，1000h松弛率不大于2%。张拉采用YC一60型千斤顶，每根拉杆的张拉力为22.5T，张拉时应对称分批张拉，禁止单根一次张拉到位；张拉时（桥梁人论坛-免费桥梁资源下载）应进行监测、监控，并根据监测情况及时调整张拉顺序及吨位，水平拉杆的张拉，关系到拱肋合拢前的变形及拱肋自身的受力状况。过大会危及到拱肋及墩柱的安全；过小则不能达到起拱脱架及平衡拱肋悬臂力矩的要求。因此，张拉前，应对千斤顶、油压表进行校正；张拉采用“双控”（应力及变形），对于变形超过理论值±6%者，应暂停张拉，查明原因，直至合格，以确保张拉质量。

⑻主拱脱架：

主拱脱架前，需安装自动连续同步顶推系统；并在六个内圈固定保险腿之间再增设六个临时保险腿。保险腿和环道之间各放一块薄不锈钢板及一块聚四氟乙烯板，保持1一2mm空隙。根据结构各部分重量，可以计算出注水前整个半拱结构对球铰中心点的重量矩，从而计算出结构在球铰中心点平衡时需要的注水量。但这种计算出的数值，只能作为参考，要准确地知道结构的重心是否通过球铰中心点，需借助于液压千斤顶及水平仪进行测定，具体方法是：在下盘基础面上与球铰中心对称的四个角上设置4台液压千斤顶，在主拱脱架之前，预先将千斤顶施加相等的压力，用水平仪测量上盘四角的高程。脱架后，由于前后重量不平衡，致使半边内保险腿落地支撑，此时调整液压千斤顶的压力，用水平仪观测，将上盘调平，根据千斤顶压力的大小，即可计算出半拱结构对中主点的重量矩。从而计算出平衡时需要的注水量。这时可以向墩柱空箱内注水，直至四台液压千斤顶压力相等，保持上盘水平，此时重心恰好通过球铰中心，形成一个仅以球铰受力的平衡半拱转动体系。

脱架操作方法：

待水平拉杆张拉完毕；内保险腿与环道之间按照要求设置完毕；四角对称设置的千斤顶受一定的力后，即可进行脱架工作。先将前半部的铁楔拆除；后将后半部砂箱卸载，使拱肋完全脱空。由于前后重量不平衡，先用千斤顶将半拱体调至平衡，根据千斤顶受力的大小，计算出平衡时需要的注水。这时可向墩柱空箱内注水，使四个千斤顶受力相等。若注水量不够时，可采用向上盘后部压铁块或片石使其平衡。四个千斤顶均匀卸载，使全（桥梁人论坛-免费桥梁资源下载）部重量由球铰一点受力。为使转体安全稳定，可加大后部的压重，使后部两个内保险腿落地受力，以加强稳定。但需控制一个内保险腿受力不宜大于50T，以免由于受力过大转体困难。

脱架后静置一天，细心观察测量有无异常现象。检测拱体受力状况是否正常。

在上述准备工作完毕，经检查无误，待监理工程师及设计代表签认后，方可进行转体施工。

㈠施工特点：

转体牵引采用ZLD100型1000KN级自动连续同步顶推系统。详见图6一图12。

自动连续顶推系统的主要特点在于它工作的连续性和同步性。它能不停顿地并且匀速地将半拱体旋转几十米的线性距离；可以两台顶同步工作。从而克服了转体过程中由于反复起动、停止而对工程造成的不良影响和不安全因素，同时能大大地加快施工速度，缩短转体过程中拱体在悬臂状态时间。

㈡工作原理：

自动连续顶推系统由三部分组成：即千斤顶、泵站及主控台。

自动连续顶推的工作分为手动和自动。手动主要用于各千斤顶位置的调整，并可在小距离顶推中使用或启动时前后顶同时使用。

自动为该系统的主要功能，理论上该过程无需人工干预，自动完成整个顶推过程。

其控制原理是：用行程开关作为自动连续顶推系统的动作传感元件，将千斤顶活塞的位置信号传递给主控台；主控台将得到的信号进行逻辑组合后，再将控制信号传递给相应的液压站，液压站通过电磁阀去控制相应千斤顶的动作。该过程形成一个闭环系统，能够自动调节千斤顶的各种动作，实现自动连续顶推。实质上是两个千斤顶连续不断地交替进行顶推。

㈢操作方法：

主控制台布置见图11。

⑴液压站的调试：见图12。

A、   按图将液压站与千斤顶连接好。

B、   按图将液压站的控制柜与主控台连接好。详见图10。

C、   接通液压站电源。

D、  按油泵起动按钮BQA1起动油泵。

E、   将各液压站的溢流阀调至32 Mpa。

F、   按1DJ、1DH、2DJ、2DH，前置顶、后置顶均应受行程开关的控制。

⑵主控台的调试：

A、   接通主控台电源，此时急停灯H3亮，说明主控台通电处于急停状态

B、   按下电源按钮LA11、H3熄灭，信号灯L5亮，说明各控制电路已接通电源。

C、   按下开启按钮LA1、则L1亮，此时可进行手动操作。按LA5，则L3亮，所有前置顶进；按L7，则L4亮，所有后置顶进；按LA9则所有前置顶回，按LA10则所有后置顶回。

D、  按下自动按钮LA3则控制系统处于待发状态，再按下LA6或LA8，则整个系统处于自动运行状态。

E、   主控台的时间继电器，JS5可调为10一30S，其余可调为3一5S。

F、   按下LA4自动运行停止，但仍可手动；按下急停按钮LA2则系统安全停止。

⑶穿索：

将千斤顶安装就位后，开动泵站，打开截流阀，油路接通前退锚顶并将前工具夹片顶开，用上述方法同时将后工具夹片顶开，关上截流阀，泵站即可卸荷。

退出前后工具夹片等夹紧机构，把带有穿索套的6根φ15mm钢绞逐一从前置顶尾部穿心孔内穿入，此时应注意将前后工具锚板各孔中心找正，再顺次穿过牵引装置上的前、后工具锚板，对中板上穿出。

打开截流阀卸荷，顶锚板在弹簧作用下回位，把夹片压紧。检查顶锚板上各钢绞线与锚板孔是否对正，同时保证钢绞线没有交叉和扭转，最后用手动拉紧器预紧各钢绞线，使各钢绞线松紧程度基本一致。

⑷顶推过程：

试调：穿索及各项准备工作结束后，顶推开始：

A、   按急停开关LA2，系统处于停止状态，此时急停灯H3亮。

B、   按电源开关LA11，电源接通，此时信号灯L5亮，同时液压站上的准备灯HD亮，警铃响30秒钟，通知各部位作好准备。

C、   液压站按下BQA1起动油泵，此时油泵指示灯BD亮，待油泵工作正常后，按信号按钮XQA通知主控台，此时液压站上信号灯XD亮，同时主控台上相应的信号灯也亮。

D、  主控台待所有液压站的信号灯亮后，得知所用液压站准备完毕，按开启按钮LA1，此时可进行手动调节，按LA9和LA10让所有前置顶和后置顶均回程到底。

E、   按下自动按钮LA3，则系统处于自动准备状态，自动指示灯L2亮，再按下前置起动按钮LA6或后置起动按钮LA8，则系统自动运行。

F、   L3、H1、L4、H2分别指示前置顶进程、前置顶回程，后置顶进程，后置顶回程，通过主控台可以监视系统的整个顶推过程。

G、  如果千斤顶在起动时因静摩擦系数大而推力不够时，可以在起动前置顶的同时按下后点进按钮LA7，或在起动后置顶的同时按下前点按钮LA3，这样前、后顶同时起动，起动力加倍，待运（桥梁人论坛-免费桥梁资源下载）行后松开点按钮，恢复自动进行状态。

H、   如果液压站或主控台发现异常现象，可按下急停按钮，此时整个系统立即停止，待问题解决后，再重新启动。

⑷注意事项：

A、   前、后置千斤顶的进油咀、回油咀与液压站电磁阀油咀必须对应好，不能装错。

B、   前、后置顶的行程开关位置要调整好，既不能让活塞卡环碰坏行程开关，又不能因距离太远而使行程开关不动作。

C、   千斤顶的安装应和钢绞线方向保持一致。两千斤顶要确保成水平纯力偶。

D、  油管和千斤顶油咀连接时，接口部位应清洗，擦洗干净。严格防止砂粒、灰尘进入千斤顶。

E、   卸下油管后，千斤顶和液压站的油咀应加防尘螺帽，以防污泥混入。

F、   千斤顶须采用和优质矿物油，并经常过滤，定期更换。一般采用液压油，也可采用机械油，一般冬季10#机油，夏季20#或30#机油。

G、  控制系统在运行前一定要经过空载联试，确无问题后方可投入使用。

H、   本系统中主控台和液压站控制柜应共用一相电，并要求有可靠的接零装置。

I、     转体过程中，要跟踪监测、监控。

J、    严格控制转体速度，一般转盘线速度控制为5cm/分钟。

当一岸拱肋转体就位后，立即支垫台尾，固定上盘。待另一岸拱肋转体就位固定上盘后，进行测量、调整、临时拼装合拢。对全拱的中线、拱轴线进行复测调整，符合精度要求后才能进行拱顶焊接合拢。合拢时的温度要求为10一18℃。

合拢施工注意事项：

㈠施工测量：

由于本桥钢管拱系转体施工法，转体合拢时，仅中间两组焊缝，因此要求施工测量符合以下精度：

桥轴线相对中误差≤1/20000；

桥轴线测角中误差≤±5.0秒；

拱脚间净跨距对中误差≤1/40000；

拱脚间轴线测角中误差≤±1.5秒。

㈡工程合拢的质量标准：

拱轴线座标实测值与理论值（包括预留拱度）在竖向及水平向的允许误差为：

拱顶：±10mm

1/4拱：±10mm

拱脚：±2mm。

㈢合拢后对全拱的中线、拱轴线复测调整符合精度要求后，经监理工程师和设计代表签认后，在温度10一18℃进行合拢焊接。

㈦施工安全技术措施：

㈠转体全过程中，进行跟踪监测、监控、掌握拱体受力情况，控制转体速度。

㈡防止拱体倾斜，设置双层保险支腿，保险腿与转盘之间，设置足够的钢板及聚四氟乙烯板，以减小磨擦系数。

㈢转体全过程中，用两台经纬仪跟踪测量拱体倾斜情况，若发生倾斜，及时利用备用的四台100T千斤顶进行调整。

㈣在上盘四角设置四根水平连通管，随时观察水平变化情况，发现问题及时调整。

㈤用水平仪观测拱顶振动幅度，若振动幅度超过1mm时，降低转动速度。

㈥转体时在墩柱内增加注水量（必要时在上盘压废钢铁）使转动体系的重心略向后移，并且始终压在外圈保险腿上。

㈦采用自动连续顶推系统，确保（桥梁人论坛-免费桥梁资源下载）连续性和同步性，从而克服顶推中由于反复起动，停止而对工程造成的危险性。同时也保证使牵引力形成水平转动的纯力偶，避免产生水平合力和竖转力偶。

㈧转体前清除拱体上杂物；拼装用的脚手，应捆绑牢固。

㈨千斤顶、油泵及控制系统，在运行前一定要经过试验，确认无问题后方可投入使用。

㈩牵引用的钢绞线，须经过拉伸检验，达到技术要求后才能使用。