6up万吨斜拉桥的“转体”秘密

  就像一个站立在地上的巨人,斜拉桥舒展着她长达196米的“双臂”,托着万吨身躯,缓缓转动身姿。

  7月20日、30日凌晨,我国东西大动脉沪昆高铁湖南段接连上演了两场“空中转体秀”:两座已建好的万吨斜拉索桥,先后经33分钟和36分钟,逆时针平稳旋转21度,从京广高铁上方十余米处安全越过,与沪昆线两端梁体精准合龙。

  这是我国横、纵两条最长高铁线的“交会”之舞。为不影响京广线的正常运行,分别对接沪昆湖南段西北上行线和南西线的两座大桥,都“先建后转”,即先与京广线平行建造后,再转体对接。

  “如果直接在京广高铁正上方建桥,哪怕有一个小石子掉下去,都会对时速300公里驶过的京广高铁列车构成威胁。”承建方中铁三局项目总工程师曹永双向《中国科学报》记者解释说。

  19日晚,记者来到对接西北上行线斜拉桥转体施工的现场,这座高75米、跨径长196米、重达1.45万吨的大桥,正在接受转体前的大“检查”。

  据了解,斜拉桥的转体动力系统主要由两台连续液压千斤顶,两束牵引索及上、下转盘组成。转体时,两台千斤顶连续循环张拉,拖动牵引索,带动圆形上转盘沿中心轴转动,使斜拉桥实现转身。

  记者在现场看到,斜拉桥桥墩被建造在转盘之上,两台千斤顶分置于桥墩两侧。每台千斤顶到上转盘的距离相等,中心线与上转盘外圆相切。两束牵引索则预先嵌入上转盘,各自延逆时针方向,从上转盘外圆缠绕而过后,分别穿入两台千斤顶。

  转体时,两台千斤顶同时发力,方向相反,大小相等,成一对力偶,作用于上转盘,使其逆时针旋转。曹永双解释说,方向相反的牵引力作用点在上转盘直径上,这样相对转盘中心形成水平方向的力偶矩,对桥体无倾覆力矩产生,因而桥体只水平旋转,不平移。

  秘密在于一个被称作“转体球铰”的大型传动件。据介绍,球铰的面板是10厘米厚钢板冲压再经过精加工而成,分上下两部分,下球铰成凹形“球缺”状,上球铰为凸形“球冠”,中心设定位轴套管。球铰被预先安装在上、下转盘的连接处,是大桥转体的核心部件。

  “转体球铰的工作原理类似于石磨盘,其底座不动,上部绕着磨心旋转。”球铰研制方、中船重工725研究所项目人员向《中国科学报》记者解释。

  下球铰安装在下转盘上,被固定于大桥承台的中心位置,相当于石磨的底座;上球铰固结在上转盘上,相当于磨身;上、下球铰相“咬合”。插在两者中心上的球铰中心轴,则相当于石磨的磨心轴。

  转体时,千斤顶拉动牵引索,带动上转盘,上球铰则沿球铰中心轴在下球铰上转动。

  “球铰转动时的摩擦系数仅为0.04,在现实生活中相当于无摩擦状态,转动1.45万吨的斜拉桥,每台千斤顶理论上只需要967千牛的拉力。”前述项目人员表示,这是因为上下球铰间装有966个聚四氟乙烯滑片,这种高分子材料的摩擦系数极低,而且还能承载巨大重量,再加上下球铰和中心轴上都涂有聚四氟乙烯粉和黄油等润滑介质,能够最大限度减少摩擦,做到“四两拨千斤”。

  “大桥要安全平稳完成转体,必须保证桥体平衡,否则很容易发生左右倾斜。”曹永双表示。他介绍,受地形等条件限制,该斜拉桥是非对称结构,大跨侧长112米,小跨侧长84米,一头重一头轻,就像一杆不平衡的“秤”。

  记者了解到,随着我国交通设施的立体化发展,公路、铁路桥的转体施工在国内并不少见,仅沪昆高铁各施工段就有十余例。

  “光是大桥转体施工其实不算难,难就难在为不对称的桥体找回平衡,”曹永双说,“像这种非对称性的斜拉转体桥,在国内还是首例。”

  不难理解,当桥体重心落在转动支承系统的中心时,就能达到平衡,为此,相对桥塔而言大桥两边的力矩必须均等。要找回平衡,就必须为两边梁体“称重配重”。大桥两端的理论配重差为588吨。

  就在转体前一天,施工人员将运来的588吨混凝土块,添加在斜拉桥84米小跨这一侧53米范围,使其与大跨平衡力矩均等。

  588吨,只是理论上的测算结果,实际上是否达到均等还得精确称重。然而,已经建好的大桥该如何称重?

  据介绍,施工人员利用位移器和千斤顶,可以捕捉到大桥两侧被抬升瞬间各自的临界力值。“如果两边被抬升时的临界力值相等,说明大桥达到了平衡状态。否则,仍需继续称重配重。”曹永双说。

  斜拉桥转体,精度控制是另一难点。“拉得不准,斜拉桥转身不精确,就会影响日后的施工和行车安全。”曹永双告诉记者,按照验收标准,转体就位后,梁体合龙口的偏差要控制在5毫米以内,轴线毫米以内,高程的偏差,则要控制在5毫米以内。

  据了解,为保证转体安全精确,在转体过程中,参与项目的中南大学团队对应力、标高、轴线位置、6up,转体速度等相关参数进行实时监控,一旦发现异常,则须立即调整。

  20日凌晨0时30分,在工作人员的密切“监视”下,斜拉桥开始“转身”。

  就像一个站立在地上的巨人,斜拉桥舒展着她长达196米的“双臂”,托着万吨身躯,缓缓转动身姿。尽管肉眼不能明显看出桥体转动,但她已经以大约每分钟0.8度的速度,逆时针匀速旋转着。

  没过多久,斜拉桥大跨侧的梁体,在夜幕中缓缓跨过京广高铁,在其上空架起了一道长虹,沪昆高铁和京广高铁实现“空中交会”,在呈21度角“交叉”时稳稳停住,斜拉桥和沪昆线两端已建好的主线梁体成功合龙。

  “高空转体过程中,技术控制须到位”,曹永双告诉记者,“桥梁持续转体加上点动精确调整到位的时间,大桥转体最终用了33分钟。”