大巴山上的“空中芭蕾”——蓼子大桥转体施工关键技术

蓼子大桥位于重庆市城口县蓼子乡，是一座计算跨径为252m的中承式钢箱拱桥，矢跨比f=1:4.5，拱轴线型为悬链线，拱轴系数m=1.3。拱肋为平行拱，中心间距28m，采用变高度等宽箱形截面，箱顶宽2.4m，截面法向高度范围3～5.5m。全桥设有四道箱形截面的K撑，考虑到拱肋及K撑长期暴露在雨量充沛的潮湿环境，其设计采用免涂耐候钢（Q420qNHD）钢板。城口岸侧下方有国道G347通过，桥梁两岸拱座、桥台处地形陡峻，交通条件较差。

▲ 视频号《在现场》栏目曾在2022年12月份对蓼子大桥通车仪式进行报道

由于单个转体拱肋长度134米、宽度2.4米、高度3至5.5米，与拱脚转盘合重约4600吨，单拱肋复合转体是采用多次平、竖转组合的方式，每幅单拱肋都先上行竖转44度，再平转182度，然后又下行竖转30度。转动体95%重量作用于直径仅2米的转盘之上，犹如芭蕾舞者旋转之时将全身重量集于足尖。单拱肋转体横向刚度小、抗风稳定性弱的特点，使得整个转体过程就是一次在空间严格受限条件下技术难度极高的腾挪旋转，被称为“空中芭蕾”。

蓼子大桥两岸地势复杂，不适用缆索吊斜拉扣挂工艺。在城口岸适合布置斜拉扣挂锚碇的位置为一陡坎，岩体风化、破碎、松散，锚碇处开挖施工难度和支护工作量都极大。如加大锚碇设置距离，则锚碇将处于相邻标段A3标长湾大桥（连续刚构桥）主桥及引桥桥区，相关工程施工受阻，延误工期；开州岸的锚碇合理布置位置为一处滑坡堆积体，且该岸山体斜坡更加陡峻，坡度约70度，左右锚碇位置高差极大，将对缆索吊系统的横向刚度、抗扭、扣索力的平衡控制均提出极大挑战；如加大锚碇距离，则需设置在主桥后方互通区，会影响互通区的主线桥和匝道桥施工。

采用双拱肋整体同步转体也有很多不足，一是转盘体积大，山体开挖量大；二是转盘尾部伸出至悬崖侧较长，需要在悬崖峭壁上搭设转盘浇筑支承系统，存在结构材料用量多、悬空作业多、安全风险高的缺陷。此外，城口岸悬崖下为一县道，转盘施工势必会对交通带来很大影响。

因此，通过综合计算、分析，蓼子大桥最终选定单拱肋分幅复合式转体施工的工艺，即单拱肋首先上行竖转至比设计高程高的位置，然后进行平转，平转到位后，再下行竖转至设计高程进行合龙。

如图1所示，靠山侧的拱肋绕山内侧进行平转，靠陡崖侧的拱肋绕山外侧进行平转，可以有效解决整体转体时转盘过大、开挖方量大、边坡防护量大等问题。另一方面，为进一步节省拱肋卧拼的支架用量，在城口岸左幅采用提升塔架对拱肋先进行竖向提升，之后接力进行后续设定模式的斜拉竖转施工，关于各拱肋所涉及的转体动作明细见表1。由表可知，蓼子大桥转体施工中最大竖转提升角度达47°，最大竖转下放角度达28°，平转最大角度达182°。如包含前序的竖提动作，转体次数多达13次，其所采用的三维空间复合式转体模式可适应任意复杂陡峻斜坡的不利地形地势。

图1 单拱肋分幅复合式转体施工示意图

转体体系由竖转体系和平转体系两部分组成，如图2所示。竖转体系包括竖转铰、扣塔、索鞍、转向撑架、转向滑块、扣索、用于改善扣塔受力的平衡索、用于脱架阶段帮助上转盘实现受力平衡的后锚索和后锚梁、用于提高后锚梁稳定性的岩锚索等。平转体系包括球铰、撑脚、环道和牵引索反力座等。

图2 转体体系设置

转体实施的主要环节包括：张拉后锚索，建立后锚系统，分级同步张拉扣索和平衡索，进行拱肋脱架，随即完成拱肋长度配切工作。之后拱肋开始上行竖转，竖转一定角度后，由于扣索索力会随拱肋高度的增加而有所减小，为保证扣塔的受力状态合理，需分级释放部分平衡索。待上行竖转结束后，解除后锚系统，同时临时固封竖转铰。前述程序完成后启动平转，牵拉平转牵引索，待转盘转至指定位置后，在上转盘尾部张拉后锚索，重新建立后锚系统，并解除竖转铰临时固结，准备开始下行竖转。下行竖转一定角度后，由于扣索的索力会随着拱肋高度的降低而明显增大，同样为保证扣塔的受力状态合理，需重新张拉之前上行竖转阶段中释放掉的部分平衡索。下行竖转至指定高程后，等待对岸拱肋进行合龙。需要指出的是，蓼子大桥合龙时不设合龙段，直接瞬时合龙。

结合工程进展及现场地形条件，开州岸拱肋借助已有引桥结构实现拱肋的反向异位拼装。引桥为计算跨径40m的简支转连续T形梁桥，拱肋在其上方反向卧拼。为改善T形纵梁的受力，提出一种可实现荷载优化分布的控制措施：在卧拼支架立柱下方设置一定厚度的混凝土条基，并在条基上方设置型钢杆件，可以将原来支架立柱底部传递至单片T梁的集中荷载有效地扩散到2～3片T梁中，从而减小每一片T梁的受荷，保证引桥结构不发生任何损伤，所有的构件均在弹性状态工作，如图3所示。

图3 借助引桥的拱肋反向异位拼装

由于不具备如开州岸有利地势或结构支承条件，基于优质、高效、安全、经济多种目标需求，在城口岸拱肋建造中，设计一种竖向提升和斜拉竖转协作体系，将竖向提升和斜拉竖转两种竖转工艺结合起来，充分发挥各自优势，既在最小高度完成拱肋的拼装施工，最大程度节省了材料、机具的投入，又可以接力实现后续一系列的转体施工。前后两种体系的转换核心是如图4所示的提升塔架能够按照预先设定的模式发挥功能，该塔架设置有可拆卸的低位支承横梁、高位支承横梁和顶部承重横梁。首先拱肋借助多组卧拼支架和提升塔架的低位支承横梁完成拱肋的低姿位卧拼，然后借助设置在塔架顶部承重横梁下方的千斤顶实现拱肋的竖向提升，待拱肋到达指定高度后，架设安装高位支承横梁，再将拱肋搁置在高位支承横梁上方，随即拆除塔架的顶部承重横梁及千斤顶等附属组件，安装扣索，开始进行上行竖转施工。

（a）竖向提升前 -拱肋搁置在低位支承横梁

（b）竖向提升后 -拱肋搁置在高位支承横梁

图4 不同姿位支承的拱肋

桥址山区阵风效应突出，单拱肋分幅转体施工时，施工过程中转动体系的抗风性能是最需要关注的问题之一。针对单拱肋的转体过程，分别进行了静风荷载作用下的结构响应和稳定性计算、脉动风作用下结构的抖振响应计算、基于精细化有限元模型的竖转轴局部受力状态分析。计算结果表明：在4、6、8级风作用下，转动体结构响应均处于弹性阶段，且稳定性有充分保障。为了进一步提高体系的抗风性能，项目团队还研发了一种能够快速临时固结竖转铰的构造，可以在短时间内迅速安装和拆除，助力实现快速转体，减小突遇山区阵风的概率。另一方面，项目团队连续三年观测整理桥址区的风速、风向数据，为转体窗口期的选择提供重要依据。同时建立了如图5所示意的蓼子大桥转体施工监测系统，围绕关键构件以及结构特征点，可以从力、位移、应变等多个指标参量着手对结构体系力学状态进行实时评估。经多方面评估后，转体施工选择在不高于6级风（风速-13.8m/s）的天气情况下进行。

图5 蓼子大桥施工监测系统

此次蓼子大桥合龙不设合龙段，每侧拱肋按照监控计算长度进行配切，如图6所示，合龙断面设置成斜面，直接进行瞬时合龙。合龙方式简单、快捷，安全风险低。

图6 无合龙段合龙

除传统的测量手段外，项目团队依托Cyclone 、Geomagic Control、CATIA、Matlab等系列软件，量测地形坐标，融合结构物几何信息，构建时空链网，对拱肋转体的全过程进行动态仿真模拟。基于3D数字化信息模型，推演关键信息数据，指导转体施工精准实施，图7为某一施工时段的城口岸地形三维扫描成像结果。

图7 城口岸三维扫描成像

基于时空链网的高精度BIM模型的探索应用，使得城口岸右幅以及开州岸左幅绕山内侧平转的拱肋在翻山时，其悬臂端距离山体最凸的岩体顶面能够成功控制在目标范围1米之内，平转90°的前后过程，拱肋顺山顶的树木顶端擦着树梢掠过，仿佛给大山梳了一次头，见图8。

图8 大山梳头

为配套转体施工，独立研发了一种可负载行走式拱上吊机。与传统空载行走、悬臂端起吊的拱上吊机不同，该负载行走式拱上吊机的起吊位置可以是拱肋投影下任何位置而非必须在悬臂端，桥道系钢梁拼装平台无须覆盖全桥的投影区域。该吊机对拼装场地要求更低且更加灵活，能够有效减少对拱肋下方空间的占用。该吊机能够按照预期正常发挥功能的关键问题有三：一是吊机在拱肋目标弧形区域范围内行走时不发生顺桥向的倾斜或倾覆，二是吊机在两侧拱肋的移动要有较高的同步性，三是拱肋中间部分的横梁组件能够自动适应吊机在拱肋不同位置处的坡度变化，可保证其始终处于正截面受弯的受力状态。因此该吊机在设计时有针对性地设置有行走子系统、起吊子系统、承重子系统、牵引子系统和同步控制子系统，总体组成见图9，具体组件及其功能见表2。

图9 拱上吊机总体组成

全桥K撑共有四道，最大重量60吨，在架设安装时最大提升高度160 m，沿拱肋方向最大负载行走距离约70 m。桥道系纵横梁共划分为19组，其中标准节段18组，最大节段重量90吨，合龙段1组，重量32t，在架设安装时最大起吊高度110 m，沿拱肋方向最大负载行走距离约100 m。采用自主研发的拱上吊机，借助1000余平方米的“谷底微梁场”拼装场地，在不足一个月的时间内顺利完成了蓼子大桥全桥4道K撑以及19组桥道系钢梁的架设安装工作。需要特别说明的是，该拱上吊机同样适用于非缆索吊安装拱肋的拱桥横撑及钢梁架设。

（a）吊装K撑

（b）吊装桥道系钢梁

图10 吊装K撑及钢梁

蓼子大桥拱肋地面拼装自2022年4月份开始，8月底进行了拱肋转体，11月中上旬完成K撑及桥道系钢格梁的架设，12月底可实现竣工通车，8个多月即可完成250米拱桥上部全部结构施工。相较于传统的缆索吊斜拉扣挂工艺，此施工时间仅能完成塔架的拼装、试吊和拆除工作。蓼子大桥的施工速度在同等类型、同等规模桥梁施工中名列前茅。单拱肋分幅复合式转体及可负载行走式拱上吊机这两项原创性技术，可为同等类型桥梁施工提供借鉴。