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【技术科普】万吨斜拉桥的“转体”秘密
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| 万吨斜拉桥的“转体”秘密 |
斜拉桥转体示意图 中铁三局供图
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。
■本报记者 成舸 通讯员 邓旺强
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。
这样两个庞然大物，究竟是如何成功完成转体的呢？
桥“身”过万吨，如何拉得动
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。
可是，上转盘的转动，又是如何带动巨大桥身的呢？
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”。
桥“臂”不对称，如何转得稳
“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。
桥体旋转21度，还需停得准
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，轴线要控制在15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、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。”
《中国科学报》 (2013-08-09 第11版 真相)
注：人民网、光明网、凤凰网、中国广播网、中国日报网、星岛环球网等转载。
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