北盘江大桥转体施工中的预应力控制系统

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简介： 由中铁二院设计、水柏铁路公司承建、中铁大桥局三公司施工的水柏铁路北盘江大桥，于2001年12月顺利转体合拢，开创了转体施工的新纪元，是世界建桥史的又一里程碑。此桥桥面与谷地相对高差达300米，河床呈“U”型深谷，其谷宽约200米，轨底至谷底280米，是国内最高的铁路桥。大桥桥长468米，主跨为236米上承式钢管砼单线铁路拱桥，为铁路建桥史上首次采用，居世界首位。该桥结构复杂，技术含量高、施工难度大，单转体结构预应力控制一项就很值得一提。
关键字：盘江大桥 转体预应力 控制系统

转体预应力控制系统包括扣索、背索、上转盘纵向预应力筋。转体前通过交替张拉扣索、背索、上盘纵向预应力筋，使转体系统自身平衡，通过拽拉牵引系统实现两半拱同时转动，在江中心合拢。单铰转动总重量达一万二千吨，为世界同类桥梁之最。

　　一、转体结构组成及施工方案

　　1、 转体结构组成

　　转体系统包括：半跨钢管拱；交界墩索塔；扣索背索系统；上盘及平衡重；转台、撑脚和基础；拽拉牵引系统。

　　转体结构各部分构造：

　　半跨钢管拱拱脚以临时铰铸钢支座支承于转体上盘两翼，拱上端以扣索拉锚于交界墩顶部，交界墩顶部又以背索拉锚于转体上盘后端，交界墩底部与上盘固结；转体上盘座于转台上，以1.2万钢聚四氟乙烯盆式球铰支座支承于基础上，并以六组均布的撑脚辅助支撑于下盘顶面环道上，确保水平转动时三点支承和转体稳定；水平转动牵引索锚固端则预埋于转台侧面圆周上，张拉端以千斤顶传到预埋于下盘砼基础顶面的钢支撑上。合拢段长度2.6米，满足转体空间的需要。

　　2、转体施工方案

　　北盘江大桥钢管拱采用南北两个转体，分别水平转动到位，竖向微调转动至设计位置，这种转体合拢的方法，是桥梁安装架设的新方法。它具有结构合理、受力明确、工艺简便、施工设备少、节约施工用料、安全可靠、合拢速度快等优点。

　　两半拱在两岸预拼成型，然后分别分束对称安装上盘纵向预应力钢绞线束、背索和扣索。使用YCW400、YDC240Q、YCW250穿心式千斤顶，按设计张拉程序通过分级、交替、对称张拉上盘纵向预应力钢绞线束、背索、扣索。拆除钢管支架上的支承座并形成拱架脱空状态，在交界墩后侧的上盘顶面布置平衡重，拆除上转盘盘尾硬支撑。此时转动体系自身平衡，它以1.2万吨钢球铰和内保险腿支承于下盘基础上，其余各点均脱空成转体状态。

　　南北转体以4台QDCL200-200级连续、自动、同步、液压牵引张拉千斤顶拽拉，通过牵引缠绕并预埋于转台圆周上的12Φ15.24钢绞线束，形成转动体系的水平转动纯力偶，同步匀速连续地将南北岸半跨钢管拱按逆时针方向分别水平转动180°和135°。

　　两半跨拱肋转体到位后，需要精确测量拱肋线形和位置，若偏差超出规范要求，需要以相应的千斤顶进行横向倾斜、轴线横向偏位和竖向偏差微调。拱肋线型调整满足设计要求后即将上盘竖向、横向、纵向锁定固结，实施跨中合拢。                 

　　二、钢管拱脱拱拉索张拉

　　钢管拱桁架在支架上拼装焊接成型，经测量线型和检验焊缝并满足设计要求后，安装前扣点上下锚梁及鞍座，进行扣索、背索的穿束和张拉。

　　张拉的千斤顶、油泵、油管路及油表应认真检修，按规定必须进行千斤顶、油泵、油表配套精密标定。

　　1、 纵向预应力筋、背索、扣索张拉

　　1.1、纵向预应力筋

　　上盘纵向预应力筋由1860Mpa级48束19Φ15.24和16束4Φ15.24钢绞线组成，其锚下控制应力σ_k=0.75σy＝1395Mpa。19Φ15.24钢绞线束张拉力3700KN，总张拉力达177600KN。

　　4Φ15.24钢绞线束前端为P锚，后端为张拉端，用STM15-4锚具。19Φ15.24钢绞线束两端均用STM15-19锚具；19Φ15.24钢绞线束前端为自锚固端，工作长度30cm，以套筒将夹片打塞，套筒为2kg，打塞冲程20cm，每束19副夹片后端应平齐，防止夹片松动滑丝。所有纵向预应力筋束均在上盘尾部采用单端张拉，以YCW150和YCW400千斤顶按20％100％的张拉力对称张拉并顶塞锚固，顶塞压力30 Mpa。

　　1.2、背索

　　背索采用1860Mpa级42束19Φ15.24钢绞线束，背索每束长度为66.5m。下端为锚固端，用STM15-19锚具锚固于上盘尾部底面；上端为张拉端，用STM15-19锚具锚固于交界墩墩帽顶面两侧。张拉控制应力σ=860Mpa，应力系数K_σ=860/1860=0.46，每束拉力2285.7KN，总拉力96000KN，向下压力95632KN，向后水平力8402KN。

　　背索采用单束19Φ15.24整体制束、穿束和张拉。制束时钢绞线应梳理整齐，用扎丝捆扎；穿束前，其上端应用锚环夹片临时固定，用吊机吊住钢绞线束自上端向下端穿束。

　　背索上下两端均采用STM15-19锚具和普通夹片；下端为锚固端，工作长度30cm，以套筒将夹片打塞，套筒为2kg，打塞冲程20cm，每束19副夹片，后端应平齐，并用限位板锚固于啦叭锚垫板上，防止夹片松动滑丝。上端为张拉端，工作长度70cm，整束编制和穿索；以YCW400千斤顶整束张拉并顶塞锚固；上下游两束背索应同时交替张拉，按30％60％100％三级交替进行，以确保交界墩不扭转。张拉伸长量（30％100％）327 mm，顶塞压力30 Mpa。

　　1.3、扣索

　　扣索采用1860Mpa级8束12Φ15.24钢绞线束，扣索前后锚板端距离 122 m，垂度增加 0.112 m；扣索下料长度123.5 m。钢管拱前端为锚固端，墩帽后端为张拉端。扣索张拉控制应力σ=707Mpa，应力系数K_σ=707/1860=0.38，每束拉力1187.5KN，总拉力9501KN，张拉伸长量为458 mm。

　　扣索布置：前端用P锚锚于拱肋下弦E₃节点处的扣点锚梁底，经过拱肋上弦A₄ 节点转向支承结构，到交界墩墩帽，再以STM15-12锚具锚固于交界墩墩帽上。钢绞线在前上锚梁的鞍座槽面应垫以聚四氟乙烯板滑块，以减少其在转向鞍座内的摩擦力，确保传力均匀。

　　扣索前端的P锚，应按规定挤压成型，成型P锚应逐根检查，确保锚固质量；后端为张拉端，采用STM锚具，以YDC240Q、YCW250千斤顶张拉，并采用工具夹片锚固。

　　扣索钢绞线应逐根安装，逐根调整其初张力和挠度，确保各束12根钢绞线受力均匀。穿束时应先穿前端转向梁、下锚梁和挤压P锚，再穿入后端交界墩，钢绞线应对号逐根安装，确保平行不得打绞。

　　单束张拉程序为：初始张拉力为本次张拉力的30％，采用逐根单线穿索，YDC240Q单台千斤顶张拉，应力控制为20Mpa，后换成YCW250千斤顶张拉到本次张拉力。

　　扣索张拉时，在上前扣点A4前后应用木锤搞击钢绞线，确保索鞍前后传力均匀。

　　扣索在墩帽处布置情形如图：

　　扣索安装、张拉及调整次序为：

　　（M1、M1^，）（M3、M3^，）（M2、M2^，）（M4、M4^，）。

　　扣索只能张拉，不能放松。

　　2、纵向预应力筋、背索、扣索张拉施工步骤：

　　各类索横向应对称同时张拉，并以分级、交替到达对称异步的目的，确保交界墩不扭转。

　　纵向预应力筋和背索应整束穿束，整束张拉，采用张拉力和伸长量双控。

　　扣索安装：钢绞线前端经拱肋上弦A₄节点处转向鞍座逐根拉到下弦E₃节点处下锚梁底，挤压P锚；后端以5t牵引器拽拉引入交界墩孔道并引出锚环。钢绞线应对号逐根安装，确保平行不得打绞。

　　（1）、上盘砼施工完毕达到强度后，即张拉上盘第一批（首批共16束）纵向预应力筋（N1a、N1c、N1e、N1g、N1i、N1k）并压浆封锚；拆模后上盘支承体系转换成：纵向简支，横向双悬臂状态。

　　（2）、交界墩砼施工完毕，张拉上盘第二批（后批）纵向预应力筋（N1d、N1h、N3共20束）。

　　（3）、于上盘盘尾顶面配置平衡重，对称安装和分级交替同时张拉第一批背索N_1d（共2束）达到设计吨位。

　　（4）、安装M1、M1^，扣索，用YDC240Q千斤顶将扣索逐根调至其垂度 f=2.1m，此时单根索力为7.35KN，以工具夹片将扣索逐根锚于交界墩墩帽上。再利用YCW150或YCW250千斤顶整束张拉，M1、M1^，号扣索至本次张拉吨位（294KN），观测交界墩墩顶位移，待一切正常后，顶塞锚固，顶塞力20 Mpa。

　　（5）、对称安装和分级交替同时张拉第二批背索N_2d（共2束）至设计吨位。

　　（6）、安装M3、M3^，号扣索，用YDC240Q千斤顶将扣索逐根调至其垂度 f=2.1m，此时单根索力为7.35KN，用工具夹片将扣索逐根锚于交界墩墩帽上。再利用YCW150或YCW250千斤顶整束张拉，M3、M3^，号扣索至本次张拉吨位（294KN），观测交界墩墩顶位移和交界墩墩身应力测控，待一切正常后，顶塞锚固，顶塞力20 Mpa。测试上盘砼应力。

　　（7）、用YCW400千斤顶张拉上盘第三批纵向预应力筋（N_1f共2束）至设计吨位。

　　（8）、对称安装和分级交替同时张拉第三批背索N_1c 、N_1e（共4束）至设计吨位，并测控交界墩墩身应力。

　　（9）、安装M2、M2^，扣索，用YDC240Q千斤顶将扣索逐根调至其垂度 f=1.27m，此时单根索力为11.88KN，用工具夹片将扣索逐根锚于交界墩墩帽上。再利用YCW250或YCW150千斤顶整束张拉M2、M2^，号扣索至本次张拉吨位（475KN），观测交界墩墩顶位移和交界墩墩身应力测控，待一切正常后，顶塞锚固，顶塞力20 Mpa。测试上盘砼应力。

　　（10）、用YCW400千斤顶张拉上盘第四批纵向预应力筋（N_2d共2束）至设计吨位。

　　（11）、对称安装和分级交替同时张拉第四批背索N_1b 、N_1f 、N_3d（共6束）至设计吨位，并测控交界墩墩身应力。

　　（12）、安装M4、M4^，扣索，用YDC240Q千斤顶将扣索逐根调至其垂度 f=1.02m，此时单根索力为14.69KN，用工具夹片将扣索逐根锚于交界墩墩帽上。再利用YCW250或YCW150千斤顶整束张拉M4、M4^，号扣索至本次张拉吨位（587.5KN），观测交界墩墩顶位移和交界墩墩身应力测控，待一切正常后，顶塞锚固，顶塞力20 Mpa。测试上盘砼应力。

　　（13）、用YCW400千斤顶张拉上盘第五批纵向预应力筋（N_1b、N_1j共4束）至设计吨位。

　　（14）、对称安装和分级交替同时张拉第五批背索N_1a 、N_1j 、N_2e（共6束）至设计吨位，并测控交界墩墩身应力。

　　（15）、用YCW250或YCW150千斤顶按：
M1、M^，M3、M3^，M2、M2^，M4、M4^，次序整束、对称将扣索索力张拉调至603KN；观测交界墩墩顶位移和交界墩墩身应力测控，符合设计要求后，将扣索锚固端顶塞锚固。测试上盘砼应力。

　　（16）、用YCW400千斤顶张拉上盘第六批纵向预应力筋（N_2b、N_2f、N_2i共6束）至设计吨位。

　　（17）、对称安装和分级交替同时张拉第六批背索N_2c 、N_2f 、N_2b 、N_3e（共8束）至设计吨位，并测控交界墩墩身应力。

　　(18)、用YCW250或YCW150千斤顶按步骤（15）所述的扣索张拉调整的次序整束、对称将扣索索力张拉调至839KN；观测交界墩墩顶位移和交界墩墩身应力，符合设计要求后，将扣索打顶锚固。测试上盘砼应力。

　　（19）、用YCW400千斤顶张拉上盘第七批纵向预应力筋（N_2a、N_2g共8束）至设计吨位。

　　（20）、对称安装和分级交替同时张拉第七批背索N_3c 、N_2a 、N_2j 、N_3b 、N_3f（共10束）至设计吨位，并测控交界墩墩身应力。

　　（21）、用YCW250或YCW150千斤顶按步骤（15）所述的扣索张拉调整的次序整束、对称将扣索索力张拉调至1104KN；观测交界墩墩顶位移和交界墩墩身应力测控，并符合设计要求后，将扣索顶锚固。测试上盘砼应力。

　　（22）、用YCW400千斤顶张拉上盘第八批纵向预应力筋（N_2e、N_2h 、N_2j共6束）至设计吨位。

　　（23）、对称安装和分级交替同时张拉第八批背索N_3a 、N_3j （共10束）至设计吨位，并测控交界墩墩身应力。

　　（24）、用YCW250或YCW150千斤顶按步骤（15）所述的扣索张拉调整的次序整束、对称将扣索索力张拉调至1188KN；观测交界墩墩顶位移和交界墩墩身应力测控，并符合设计要求后，将扣索顶塞锚固，顶塞力30Mpa。此时，拱肋重量全部传递给上盘，转体系统处于自身平衡状态。

　　3、钢管拱脱拱、转体

　　完成上盘纵向预应力筋、背索、扣索张拉以后，即可进行钢管拱的脱拱、转体工作。按照设计院提供的钢管拱前扣点高程，扣索只能张拉，不能放松，张拉后扣点高程不能变。因此支架脱拱必须根据张拉步骤和钢管拱变形特征，逐步拆除钢管拱下弦支承座板，拆除步骤按图进行。拱肋张拉脱拱后，应静置24小时；对交界墩、上转盘及拱肋应力进行检测；另外于支架上设保险垛观测其变化。通过张拉牵引设在上转盘的4束12Φ15.24钢绞线，实现转体系统的转动。转体到位后，通过用5000KN千斤顶起顶上转盘或张拉扣索，按横向倾斜拱端轴线偏差纵向倾斜的调整次序，将拱肋合拢端的横向倾斜的两外管高程之差，轴线偏差及竖向高程调整到符合设计要求后，即可安装合拢段临时连接结构。在10℃~20℃时，将拱肋临时锁定；同时将上下盘抄垫和临时连接固定，并将上盘盘尾侧面与基坑壁间以YCW400千斤顶顶紧及立模灌注此范围C15片石砼。钢管拱合拢后，封填上下盘间C28砼，按上盘纵向预应力筋、背索、扣索的张拉相反次序交替拆除背索、扣索和上盘纵向后批预应力及释放交界墩墩帽横向预应力。

　　至此，转体预应力控制系统胜利完成使命。由于它的存在，转体结构才能够实现自身平衡，顺利转体合拢。