武咸城際鐵路連續梁跨武廣高速鐵路轉體施工技術

袁定安

(中鐵十一局集團有限公司,武漢 430074)

1 工程概況

武咸城際鐵路起于湖北省武漢市,止于湖北省咸寧市,在DK59+576處采用48 m+80 m+48 m連續梁跨越武廣高速鐵路,與武廣高速鐵路夾角為155°。連續梁跨越處武廣高鐵里程為K1 300+348,正線2股道,線間距5 m。該處最高行車速度350 km/h,每天有80對列車通行。此連續梁跨越350 km/h繁忙高鐵,安全風險極高。

為避免上部結構施工對高速鐵路行車安全的影響,該連續梁采用平衡水平轉體施工,并在主跨梁下范圍安裝鋼結構防護棚架,對武廣高鐵進行安全防護。轉體梁共2個T構,每個T構長78 m、重45 000 kN,轉動角度均為25°。總平面布置見圖1。

2 施工思路

圖1 跨武廣高鐵轉體連續梁施工平面布置(單位：cm)

圖2 防護工程平面布置(單位：cm)

武廣高鐵是目前世界上在運營時速最高的高速鐵路,任何一個微小物件進入線路內都可能造成嚴重安全問題,連續梁跨越其上方施工,安全隱患多,為保證安全,確定的施工思路是：(1)連續梁采用轉體法施工,即在武廣高鐵外施工完大部分梁體,然后轉體到位,最后合龍；(2)對武廣高鐵做棚架防護,對施工區域做隔離網；(3)僅合龍段在武廣高鐵線路上方施工,盡可能減少在武廣高鐵上方的施工時間。

圖3 防護工程斷面(單位：cm)

3 施工方案

3.1 安全防護

3.1.1 防護組成

防護工程由防護棚架、隔離柵欄、防拋網、掛籃封閉網等組成,平面布置如圖2所示,斷面如圖3所示。

3.1.2 防護棚架

防護棚架由多排桁架組成,各排之間以工字鋼斜撐連接,在桁架以上鋪設支承工字鋼和竹膠板,最后在竹膠合板上鋪鐵皮防水板,形成防護系統,見圖4。

3.1.3 隔離柵欄

(1)在地面既有線兩側安裝2.2 m高鋼柵欄一道,防止人員進入既有線內。

(2)在墩身與線路間安裝型鋼框架防護網,防止墩身施工時人員、物件侵入既有線內。

(3)在掛籃外側及底部焊接型鋼框架,框架上安裝2層密目鋼板網,防止物件落入既有線內。

(4)在掛籃前移后的梁面上安裝鋼欄桿,欄桿內側掛2層密目鋼板網,防止人員、物件落入既有線內。

3.2 轉動體系設計

3.2.1 轉動體系組成(圖5)

轉體結構由下轉盤(定磨盤)、上轉盤(動磨盤)、球面鋼板、轉軸(磨心)、轉體牽引系統組成,見圖5。

圖5 轉體結構組成

圖4 完成的防護棚架

下轉盤即承臺的下半部分,轉體完成后,與上轉盤共同形成承臺,下轉盤上安裝環形滑道、轉體拽拉千斤頂反力墩、與上轉盤接合面安裝阻力很小的球面鋼板作為滑動面。

球面鋼板共2塊,分別安裝于上、下轉盤接合部位,是轉體施工的關鍵。

上轉盤即承臺上半部分,支承墩身及梁本,為轉體拽拉力提供著力點。

3.2.2 滑動面結構選擇

目前常用的滑動面有3種結構形式(圖6)：一是混凝土凸球面,主要用于較小重量的公路橋梁；二是平面鋼板,主要用于重量較輕的橋梁；三是鋼質凹球面,用于重量較大的橋梁。 3種結構各有優缺點,鋼質凹球面具有承載力大、自動找中心的特點,對中心承重轉體保證性強,安全性好,近年來得到廣泛推廣,但因其制造困難,價格高而受到限制。 3種形式滑動面各有優缺點,具體見表1。

圖6 常用滑動面形式

表1 3種滑動面比較

球面鋼板分為2塊,下面一塊安裝于下轉盤上,上面一塊安裝于上轉盤上,中心為轉軸,為盡量減小阻力,要求加工精度不低于Ra63、承載力滿足要求、便于轉體控制。

本連續梁22號、23號2個墩轉體結構凈重均為39 670 kN,T構縱向為平衡體、橫向對承臺中心偏心3cm。將轉軸布置在結構重心處,考慮風載、施工因素造成結構不平衡,按10%考慮安全儲備以設置平衡配重,則轉體滑動面設計豎向承載能力取45 000 kN。球面鋼板的大小主要受其下轉盤混凝土承載力限制,因此其直徑可由下式確定

式中D——下球面直徑；

k——球面與下轉盤接觸面積折減系數,取0.66；

G——豎向承載能力,kN；

[σ]——球面板下混凝土軸心抗壓強度。

上下承臺采用C50混凝土,其軸心抗壓強度σ=23.5 MPa,則球面鋼板直徑為

因工期緊,施工時采購了洛陽中船重工725研究所設計、生產的直徑為3m的球面鋼板。上下球面鋼板均為30mm厚鋼板經沖壓、精銑加工制成,背部設置肋條,防止在加工、運輸、安裝中變形,并方便定位、加強與周圍混凝土的連接。上球面板球缺高0.22m,下球面板球缺高0.24m,定位中心轉軸(磨心)高800mm、直徑240mm、軸套內徑250mm。

3.2.3 撐腳設計

本轉體結構按中心承重、平衡轉體設計。梁段施工過程中的不平衡力矩由撐腳、砂箱及支架共同承擔,脫架后至轉體完成前,上部重力均由轉盤承擔,撐腳僅起安全保障作用,防止出現傾覆。

考慮梁體不平衡重量及風荷載,在最大雙伸臂階段,由上述2種荷載產生的總不平衡彎矩為17 013kN·m,偏心時按一個撐腳落于環形滑道上,該撐腳支撐反力

R=5 235 kN

撐腳采用2根φ630 mm鋼管內灌混凝土焊接成1個撐腳,截面積0.62 m2,C50混凝土,撐腳應力

σ=R/S=8.44 MPa<26 MPa,撐腳滿足要求。

3.2.4 轉體結構動摩擦力矩及牽引力計算

3.2.4.1 力矩計算

(1)中心承重平衡轉體工況

圖7 摩擦力矩計算簡圖

轉動摩擦力矩可由簡化為平面圓盤模型計算得出(圖7)。設圓半徑R=D/2內任意一微元處半徑為r,微元面積dA=rdrdθ,該微元重力dG=dAG/πR2,該微元受到的摩擦力df方向與圓半徑垂直且與圓盤轉動方向相反,則可通過對圓盤積分求出球鉸對圓心的摩擦力矩

式中M——轉動體對圓心摩擦力矩,kN·m；

G——轉體總重力,kN；

R——球鉸水平投影半徑,m；

μ——摩擦系數。

則可計算靜摩擦力矩

M1=2μ1GR/3=4 500kN·m

動摩擦力矩

M2=2μ2GR/3=2 700 kN· m

式中G——轉體總重力,取45 000 kN；

D——球鉸外徑,D=3.0 m；

R——球鉸水平投影半徑,R=D/2=1.5m；

μ1——靜摩擦系數,參考同類工程,取0.1；

μ2——動摩擦系數,參考同類工程,取0.06。

(2)偏心轉體工況

偏心工況下,撐腳承受荷載F=5 235 kN,球鉸承受荷載為39 765 kN。

則靜摩擦力矩

M1=μ1(2(G-F)R/3+Fr)=5 678kN·m

動摩擦力矩：

M2=μ2(2(G-F)R/3+Fr)=3 407 kN·m

3.2.4.2 轉體牽引力計算

(1)中心承重平衡轉體工況

根據力矩平衡TD=M,可得轉體所需牽引力T=M/D：

由2臺2 000 kN連續千斤頂提供牽引力,則

啟動時的啟動牽引力為

2T1=2×(M1/D1)=2×562.5kN<2×2 000kN

轉動時的轉動牽引力為

2T2=2×(M2/D1)=2×337.5 kN<2×2 000 kN

式中M1——轉體結構對轉軸的靜摩擦力產生的力矩,kN·m；

M2——轉體結構對轉軸的動摩擦力產生的力矩,kN·m；

D1——牽引力偶臂(轉盤半徑),D1=8.0m。

(2)偏心轉體工況

啟動牽引力為

2T1=2×(M1/D1)=2×710kN<2×2 000kN

轉動時的牽引力為

2T2=2×(M2/D1)=2×425.9 kN<2×2 000 kN

式中M1——轉體結構球面板及撐腳對轉軸的靜摩擦力矩,kN·m;

M2——轉體結構球面板及撐腳對轉軸的動摩擦力矩,kN·m;

D1——牽引力偶臂(轉盤半徑),D1=8.0 m。

從以上計算可知,即使出現偏心轉體現象,連續千斤頂仍可滿足要求。為防止出現摩擦力過大,連續千斤頂拉不動的的意外現象,備用2臺1 000 kN千斤頂在撐腿處,當連續千斤頂拉不動時協助頂推。

3.2.4.3 牽引索布置

選用7-φ15.2鋼絞線作為牽引索,其標準強度：fytp=1 860 MPa,n=7；單根截面面積：A=140 mm2；鋼絞線錨下控制應力fk=0.75fytp=0.75×1 860=1 395 MPa。

則單束鋼絞線容許應力

[T]=nAfk=1 367.1kN>744.3kN

安全系數

3.2.4.4 慣性制動距離

轉動單元達到設計位置之前,連續千斤頂停止牽引,轉動單元在慣性力作用下繼續轉動,此時動摩擦力將阻止整個轉動單元繼續轉動并迫使其停止轉動,為保證準確定位,需確定慣性制動距離,防止轉過。

正常轉動時,連續千斤頂油缸行程0.12m/min,轉動單元的角速度為

ω=V1/r1=5×10-4rad/s

其動能為

W1=Jω2/2=ml2ω2/6=285.2 J

在摩擦力矩作用下,設止動所需要的轉角為α,摩擦力矩提供W1=αM1

則α=W1/M1=0.000 106 rad

此時梁端中心線與梁體就位中線的距離

L=αr2=0.004 12 m

式中W1——梁體的轉動動能；

m——轉動體的質量；

M1——動摩擦力矩；

α——止動角度。

慣性距很小,可忽略不計。

4 轉體施工

4.1 轉體施工工藝流程

轉體施工工藝流程如下：樁基施工→下承臺澆第一次混凝土→下球面板及環道安裝→下承臺第二次澆筑混凝土→上球面板及撐腳安裝→上承臺澆筑混凝土→墩身及梁施工→解除轉動體系約束→安裝轉體牽引系統→梁轉體→固定轉動體及補澆混凝土→梁體合龍。

4.2 轉體主要結構施工

4.2.1 球面板制作與安裝

球面板在工廠生產,由上、下球面板，板間四氟乙烯塊，轉軸，鋼骨架組成。

技術要求如下。

(1)球面板的豎向承載力為45 000 kN。

(2)下球面板上鑲嵌有填充聚四氟乙烯復合夾層滑板,并涂抹1∶120黃油四氟粉潤滑。

(3)上、下球面板表面粗糙度不大于Ra63。加工后的球面各處的曲率半徑應相等,使用樣板和塞尺檢查,球面與樣板的誤差應在0.85 mm以內。上、下球面板的水平截面應為圓形,橢圓度不大于1.5 mm。球面板邊緣各點高程應相等。

(4)下球面板上鑲嵌的聚四氟乙烯滑片頂面應在同一球面上,且其球心與下球面板凹球面的球心應重合。使用樣板和塞尺檢查,滑片頂面與樣板的誤差應在0.85 mm以內。

(5)與上、下球面板焊接的定位軸套中心應與轉動中心重合,且鋼管中心與球面截面圓平面保持垂直,其傾斜度不大于3%。

4.2.2 球面板的安裝

4.2.2.1 安裝精度要求

順橋向±1 mm,橫橋向±1 mm,球面板相對高差≯1 mm。

4.2.2.2 球面板骨架安裝

用吊車將骨架吊入下轉盤內,并粗調,然后采用千斤頂精確調整。骨架調整合格后與下轉盤預留鋼筋焊接牢固,固定好球面板定位骨架后,綁扎鋼筋、立模。

4.2.2.3 安裝下球面板

利用骨架及調整螺栓懸吊下球面板,調整位置與高程。下球面板精確定位后,再對下球面板的中心、高程、平整度進行復查,合格后對其進行固定；豎向利用調整螺栓與橫梁之間擰緊固定,橫向利用承臺上預埋型鋼固定,然后澆筑下轉盤第二次混凝土。混凝土澆筑過程中不得擾動骨架及球面板。

4.2.2.4 安裝上球面板

在中心軸套中放入黃油四氟粉,將轉軸放到套管中,調整好垂直度與周邊間隙。在下球面板上按照順序由內到外安裝聚四氟乙烯滑塊,用黃油四氟粉填滿聚四氟乙烯滑塊之間的間隙,使黃油面比四氟滑塊面略高。將上球面板吊裝到位,對準中心軸輕輕套在中心轉軸上。用倒鏈微調上球面板位置,使之水平并與下球面板外圈間隙垂直。球面板安裝完畢后在上下球面板之間用膠帶嚴密包裹,確保雜質不進入到摩擦面內。

4.2.3 滑道和撐腳安裝

滑道和撐腳在工廠制作,滑道鋼板厚度20 mm、寬度900 mm,滑道內外半徑分別為2 800、3 700 mm。加工時按12等分加工,現場安裝拼裝成整體。撐腳采用φ630 mm×8 mm型Q235A鋼材,底部走行鋼板采用20 mm厚鋼板制作。

滑道分節段拼裝,利用調整螺栓調整固定。滑道調整好后,其表面相對高差不大于1 mm。撐腳按設計位置擺放到滑道上,調整走行鋼板與滑道間距離為3 cm并保證平行,然后用鋼楔將撐腳與滑道塞死。

4.2.4 牽引索安裝

上轉盤綁扎鋼筋時按設計位置安裝P型錨具及牽引鋼索。

4.3 轉體

4.3.1 主要設備

主要設備儀器見表2。

表2 轉體施工主要設備、儀器

4.3.2 主要設備布置

轉體施工設備布置見圖8。

圖8 轉體施工設備布置示意

試轉體前安裝好鋼絞線、連續千斤頂,在反力孔內插入鋼棒,安裝2套準備助推的反力梁,拆除砂箱、退出鋼楔子解除約束,安裝好1 000 kN螺旋千斤頂及限位型鋼。安裝助推裝置前,應將環形滑道清理干凈,檢查滑道與撐腳間隙,撐腳走道板涂抹比例為1∶120的黃油四氟粉。

4.3.3 脫架并形成轉動體系

脫架即拆除支撐和固定上轉盤的支架、鋼楔塊,使轉體重由球鉸承擔。當上部構造箱梁混凝土懸臂澆筑完畢,強度和齡期都達到要求,而且縱向預應力已經張拉完成,即具備了轉動體系脫架的條件。脫架后,轉動體系各撐腳應與滑道間有空隙,如撐腳壓住滑道,則需配重平衡轉動體系,保證中心承重利于轉體。轉動體系形成且平衡后及時在撐腳下打入鋼楔塊對轉動體系作臨時固定。

4.3.4 轉體

4.3.4.1 試轉體

試轉體的目的：一是檢驗轉體方案的實用性、可靠性；二是檢驗整個指揮系統的協調性；三是檢驗操作人員是否明確自己的崗位職責和協同反應能力；四是通過演練取得經驗并找到差距,以便進一步改進預定的轉體方案；五是為了測試連續千斤頂加載后的工作性能,并確定合理轉速的油泵控制參數和停止牽引后轉動體在慣性作用下可能產生的轉動距離。各項試驗結果符合要求后進行正式轉體。

(1)提前1個月將施工方案、計劃報相關鐵路管理部門批準,做好防護。

(2)拆除上、下轉盤間支撐沙箱,解除多余約束,全面檢查轉體結構各關鍵受力部位是否有裂縫及異常情況。通過監測標出T構的重心,若出現重心偏移,應采用配重,以滿足平衡轉動條件。處理完畢后轉體結構靜置監測,監測時間應>2 h。

(3)在下承臺頂布置轉體牽引系統的設備、工具、錨具，連接好控制臺、泵站、千斤頂間的信號線,連接控制臺、泵站電源,接好泵站與千斤頂間的油路并將設備調試完畢。

(4)人工理順鋼絞線,將鋼絞線順著牽引方向繞過轉盤后穿入2 000 kN連續千斤頂,先用手持穿心式千斤頂在1～5 kN拉力下逐根對鋼絞線預緊,再用連續千斤頂在2 MPa油壓下對鋼絞線整體預緊。

(5)打開主控臺及泵站電源,啟動泵站,用主控臺控制2臺千斤頂同時施力轉體。

(6)記錄試轉時間和速度,根據實測結果與計算結果比對調整轉速。

(7)試轉體完成后,及時對轉動體系進行臨時固定,對現場設施覆蓋保護,切斷電源,專人看護。

4.3.4.2 正式轉體

(1)“天窗”到來之前工作人員各就各位。 “天窗”開通后方能正式轉體。轉體過程中與鐵路有關部門保持密切聯系。

(2)根據試轉體的成果指導轉體,轉到預定位置停止牽引。當轉動體系快到預定位置時,將2臺1 000 kN螺旋千斤頂、型鋼、鋼板對稱地安放到反力孔上。當連續千斤頂牽引不動時啟動本助推千斤頂。此助推裝置也可為轉動單元微調。轉動單元就位后,在撐腳下打入鋼楔子將轉盤固定,防止轉動體發生位移。

4.4 限位措施

在反力孔內插入鋼棒,架設限位梁,防止轉動體系過轉。限位梁與撐腳接觸位置大于設計角度1°(圖9),保證有一定的調節余地,限位梁對稱布置。

圖9 轉體限位裝置

4.5 轉動單元的精調

精調的目的是為了保證轉體后橋體符合設計要求。在下承臺頂面與縱橫橋向較低位置分別安放2臺4 000 kN千斤頂,對橋體的縱橫向高程進行調整。在梁頂高程、縱軸線符合設計要求后,在鋼撐腳下均揳入4個小鋼楔子,完成T構精調。精調過程中應控制頂升力不超過設計限值,并在千斤頂頂面和上承臺底面之間設置2I28型鋼δ=50 mm的鋼板以擴散局部應力。

4.6 鎖定與上下轉盤固定

精調結束后,立即在鋼撐腳下焊鋼楔子,在反力支座之間安放型鋼反力架,對轉動單元進行鎖定。然后清洗滑道上的潤滑劑、清理底盤上表面臟物,焊接上下承臺間的預埋鋼筋、鋼件、綁扎鋼筋,立模澆筑上下轉盤間缺口混凝土,使上下轉盤構成整體承臺。

為保證缺口處混凝土密實,在補塊混凝土施工時預埋壓漿管,混凝土澆筑后24 h壓漿填充。壓漿管從下向上埋置,并沿滑動球面板環形安裝以保證壓漿均勻、密實。

5 轉體施工安全措施

(1)設撐腳

上轉盤設6組撐腳,撐腳內灌注C50微膨脹混凝土。撐腳中心距轉盤中心6.5 m。撐腳與下滑道的間隙為30 mm。保證結構傾斜時及時支撐轉體結構。

(2)加平衡重

由于梁體混凝土施工存在誤差,橋面附屬工程及模板安裝有誤差,導致T構存在偏心,通過稱重測出偏心矩大小和方向,采用在較輕一側增加配重平衡,消除偏心,保證T構在平衡狀態下轉體。

(3)設平衡千斤頂

轉體時,在下轉盤環道外對稱布置4個4 000 kN千斤頂,當轉動體系出現偏心時及時將低的一側頂升糾偏至平衡狀態。

6 結語

本橋連續梁采用轉體法施工,由原位現澆需數百次要點施工減少到十幾次要點施工,大大降低了安全風險,縮短了工期,取得了良好的社會效益和經濟效益。

[1] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.武咸城際鐵路跨武廣客專特大橋連續梁變更設計[Z].武漢：中鐵第四勘察設計院集團有限公司,2010.

[2] 中鐵十一局武咸城際鐵路項目部.跨武廣客專連續梁轉體施工方案[Z].武漢:中鐵十一局武咸城際鐵路項目部,2010.

[3] 張聯燕,程懋方,譚邦明.橋梁轉體施工[M].北京:人民交通出版社,2003.

[4] 方填三,肖碩剛,程懋芳.簡易鋼筋混凝土球鉸在轉體橋上的應用[J].橋梁,2011(4)：60-64.

[5] 浙江大學建筑工程學院.簡明建筑結構設計手冊[M].2版.北京:中國建筑工業出版社,1994.

[6] 余常俊,劉建明,張翔,等.客運專線上跨既有繁忙干線鐵路連續梁水平轉體施工關鍵技術[J].鐵道標準設計,2009(12)：46-51.

[7] 中華人民共和國鐵道部.高速鐵路橋涵工程施工質量驗收標準[S].北京:中國鐵道出版社,2011.

[8] 中華人民共和國鐵道部.高速鐵路橋涵工程施工技術指南[S].北京:中國鐵道出版社,2011.

[9] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2007]47號 新建時速300～350公里客運專線鐵路設計暫行規定[S].北京:中國鐵道出版社,2007.

[10] 中華人民共和國鐵道部.鐵建設[2004]157號 京滬高速鐵路設計暫行規定[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[11] 交通部第一公路工程總公司.橋涵[M].北京:人民交通出版社,2000.

[12] 中華人民共和國交通部.JTJ041—2000公路橋涵施工技術規范[S].北京:人民交通出版社,2000.