海青鐵路跨膠濟客運專線(40+64+40)m連續梁轉體施工設計

王 東

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院，濟南 250022)

國內采用轉體法施工［1-2］的橋梁很多，公路上跨鐵路、高速鐵路上跨普通鐵路、鐵路上跨公路等，且橋式有連續梁、斜拉橋、T形剛構橋、拱橋等，如哈大客運專線采用(48+80+48)m連續梁上跨既有京哈鐵路［3］、北京市五環路采用(45+65+95+40)m獨塔斜拉橋跨石景山南站［4］、京化高速公路采用兩幅(67+67)m T形剛構橋上跨京包鐵路［5］、滬杭高速鐵路采用主跨160 m自錨上承式混凝土拱橋上跨滬杭高速鐵路［6］等，其共同特點是轉體跨度大、質量大、轉盤及球鉸大，對于小跨度、小直徑轉盤及球鉸的轉體橋梁，少有工程實例。

因此，結合海青鐵路跨膠濟客運專線(40+64+40)m連續梁轉體施工設計，對小直徑轉盤及球鉸、且上跨客運專線高速鐵路轉體橋梁轉體法施工方案進行研究，希望對同類橋型設計有所裨益。

1 工程概述

新建海青鐵路為單線，國鐵I級鐵路，線路全長約90.699 km。線路在DK80+805.90處跨越膠濟客運專線鐵路，跨越處采用(40+64+40)m連續梁，全橋長4051.44 m。膠濟客運專線為雙線電氣化高速鐵路，跨越處路肩寬12.8 m，路基高約2 m，線路與橋梁軸線夾角62°。膠濟客運專線列車時速高、發車密度大，對施工安全及施工工期要求高，為最大限度地減少施工對鐵路安全、運營的影響，跨線部分連續梁采用在111號墩墩底水平轉體法施工。該橋為全線貫通的控制性工程。

2 總體布置

2.1 上部結構

梁部采用單線(40+64+40)m連續梁，單箱單室、斜腹板變截面箱梁，中支點梁高5.0 m，跨中及端部梁高為3.0 m，箱梁頂寬7.5 m，箱寬4.0 m。施工方案采用在111號墩處平行于膠濟客運專線在支架上分段現澆62.0 m轉體梁段;待現澆梁段脫架完成后，在鐵路部門提供的天窗時間段，實施轉體施工，將梁體逆時針旋轉62°。轉體到位后，與采用原位現澆施工的112號墩頂對應梁段進行合龍段施工。

膠濟客運專線車流密度大，施工天窗點少，設計考慮跨中合龍段施工時需避開鐵路限界，因此，主跨不對稱膠濟客運專線布置，轉體梁段跨中側梁端距臨近膠濟客運專線中心線最小垂距為4.92 m。轉體梁段在111號墩頂對稱支架現澆62.0 m，主跨的跨中合龍段為2 m，邊跨預留2 m合龍段，剩余7.6 m原位支架現澆，梁體平面布置見圖1。同時，為減少橋面防拋網、電纜槽、避車臺、接觸網基座等施工對客運專線的影響，連續梁全聯范圍內在橋面兩側設置3 m高混凝土半封閉擋墻，將擋墻、避車臺、接觸網基座等與梁體一起澆筑完成后一同轉體，即可防止轉體中橋面落物，也可避免橋面二次施工對客運專線運營安全產生影響，梁體橫向布置見圖2。

2.2 下部結構

圖1 梁體轉體布置平面示意(單位:cm)

圖2 梁體橫向布置(單位:cm)

橋墩采用圓端形實體墩，基礎采用鉆孔樁。由于轉體需要，轉體橋墩承臺采用上、下兩層承臺方式，上承臺平面尺寸8 m×8 m，厚度為3.4 m(封鉸部分尺寸為8.9 m ×8.9 m，厚度 1.4 m);下承臺平面尺寸 12.5 m ×12.5 m，厚度為 2.8 m。樁基采用 16 根 φ1.25 m鉆孔灌注樁。為減小承臺施工對客運專線路基邊坡的影響，承臺及樁基排列順客運專線方向布置，為了保證鐵路路基的穩定性，設計采用1排間距1.5 m、φ1.2 m挖孔樁進行基坑防護，基礎平面布置見圖3，鐵路位置關系立面見圖4。

圖3 111號墩基礎平面示意(單位:cm)

3 轉體系統設計

平轉法轉動體系主要由承重系統、助推及牽引系統和平衡系統三大部分構成［7］。承重系統由上承臺、下承臺和轉動球鉸(采用3 000 t級的轉體成品球鉸)構成，上承臺支撐轉動結構，下承臺與樁基礎相連，通過上承臺相對于下承臺轉動，達到轉體目的;助推及牽引系統由牽引設備、牽引反力支座、助推反力支座構成;平衡系統由結構本身、上承臺6對φ600 mm的鋼管混凝土圓形撐腳、大噸位千斤頂及梁頂配重設施構成，轉動體系立面布置見圖5。

圖4 鐵路位置關系立面(單位:cm)

圖5 轉動體系布置立面(單位:cm)

3.1 球鉸

球鉸主要有上球鉸、下球鉸、銷軸及套筒、下球鉸型鋼骨架組成，均為鋼質結構。下球鉸成凹形，凹面向上;上球鉸成凸形，凸面向下;下球鉸頂面設置多個圓形凹槽，槽內鑲嵌四氟滑片，上球鉸緊壓在滑片上。這種凸凹形球鉸在相同傾覆力作用下其傾覆力臂更小、安全性及穩定性高、運行可靠，而且上、下球鉸之間的潤滑介質不會溢出。

轉體結構總重G=25 320 kN，考慮施工中風荷載及施工誤差等因素，導致轉體結構失去平衡需進行平衡配重，故應有足夠的安全儲備，球鉸設計豎向承載能力采用G'=30 000 kN。按照下式計算球鉸直徑D'(m)［3］

計算求得球鉸直徑D'≥1.48 m，考慮綜合結構及滑道的空間布置要求，選用D=2.3 m。

取偏壓效應增大系數K=1.4，球鉸混凝土的計算壓應力為［4］

σ =KG/(πD2/4)=8.5 MPa，小于 C40 混凝土的容許壓應力 0.5fck=16.2 MPa。

上、下球鉸間布置243塊直徑為6 cm的聚四氟乙烯片，該聚四氟乙烯片設計抗壓強度為100 MPa。

聚四氟乙烯片平均應力為G/243(πd2/4)=37 MPa ＜100 MPa［7］，安全系數2.7，滿足轉體要求。

球鉸進行廠制加工，上、下球鉸球面板均用δ=30 mm厚鋼板壓制而成，球面板背部設置8處加肋，防止在加工、運輸過程中變形，并方便球鉸定位、加強與混凝土的連接。銷軸直徑270 mm、高830 mm。在出廠前、進場后及安裝完后做試轉，在運輸、安裝至正式轉體前保持轉動面的清潔。

3.2 撐腳及滑道

(1)撐腳

為了增強轉體過程中結構的穩定性，防止結構發生較大傾斜，在上承臺底面沿距轉動半徑r=3.25 m的圓周均勻設置了6對φ600 mm圓形C40鋼管混凝土撐腳，當轉體發生傾斜時，撐腳先支撐于下承臺的滑道上，防止轉體進一步傾斜。為減小撐腳底面與滑道的摩擦，撐腳底面的走板應由工廠加工定做，以保證鋼板表面的平整度，鋼板表面的磨光度不得低于6.3級。撐腳在下盤混凝土灌注完成上球鉸安裝就位時安裝，并在滑道范圍內撐腳之間設置砂箱作為現澆墩、梁的支撐，轉體前卸掉砂箱。

撐腳主要起結構傾斜時支撐作用，根據梁體落架時產生的不平衡彎矩對其進行局部承壓檢算。檢算均滿足相關規范要求。

(2)滑道

為了減小撐腳與下承臺的接觸摩擦，撐腳支撐面置于同一水平面內，從而使轉體發生輕微傾斜時，仍能平穩運行。在下承臺頂面設置外徑 r'=3.75 m，寬0.95 m的環形滑道，滑道由5 mm厚的不銹鋼板及20 mm厚的鋼板貼面組成，滑道鋼板固定在環形滑道骨架上，并設有調位螺母，以調整其平整度。環道鋼板背面焊接加工后，頂面由工廠刨平，粗糙度6.3級。環道角鋼頂面相對高程高差小于5 mm，環道鋼板由螺母調整校平，頂面局部平面度0.5 mm。

3.3 牽引制動

助推及牽引系統由牽引設備(2臺ZLD100型連續千斤頂及2臺普通 YCW100型助推千斤頂構成)、牽引索、牽引反力支座、助推反力支座構成。牽引索采用2束7-Φs15.24 mm低松弛預應力鋼絞線平行布置，其標準強度fpk=1 860 MPa。澆筑上承臺前應按設計位置將牽引索分別預埋，預埋端采用H型錨，本橋牽引索埋入轉盤3.47 m，并圓順地纏繞在轉盤上，施工時應特別注意牽引索牽引方向。

(1)牽引力T

順梁體方向設有2對撐腳，考慮施工誤差產生的不平衡彎矩及不平衡配重，設計考慮按球鉸及1對撐腳組成的2點支撐系統進行結構轉體。

設計靜摩擦系數 μ0為 0.1，動摩擦系數 μ1為0.06，撐腳分擔的重力為P1，球鉸分擔的重力為P2，球鉸直徑為D，撐腳摩阻力臂為Rm=3.25 m，牽引力臂為R=8 m，牽引力為T，則轉體啟動時:

球鉸牽引力T1=2μ0P2(D/2)/3R，參考《公路橋涵施工技術規范》(JTJ041-2000)式16.4.3;

撐腳牽引力 T2= μ0P1Rm/R［4］;

牽引力T=T1+T2。

計算啟動牽引力為323 kN，實測啟動牽引力為297 kN;計算轉動牽引力為194 kN，實測轉動牽引力為184 kN。

(2)助推力T'

考慮球鉸動摩擦力矩與靜摩擦力矩差值及撐腳啟動牽引力與轉動牽引力差值由撐腳處2臺YCW100型千斤頂承擔［3］:

球鉸動摩擦力矩M1=2μ1P2(D/2)/3;

球鉸靜摩擦力矩M2=2μ0P2(D/2)/3;

故 T'=(M2-M1)/(2Rm)+(T2-μ1T2/μ0);

計算得T'=165 kN。

(3)牽引索

每束牽引索采用1束7-φs15.24 mm低松弛預應力鋼絞線，其標準強度fpk=1 860 MPa，錨下控制應力為σcon=1 395 MPa，1根鋼絞線截面面積A=140 mm2，故單束鋼絞線容許拉力為T'=7Aσcon=1 367.1 kN＞T=323 kN，安全系數 K=T'/T=4.23 ＞2，滿足要求。

(4)千斤頂

一個牽引反力支座處選用2臺ZLD100型連續千斤頂作為牽引千斤頂，每臺提供外力F=1 000 kN，其動力系數為［3］:η1=T/2F=0.162 ＜0.85，滿足要求。

一個助推反力支座選用1臺YCW100型助推千斤頂作為助推反力千斤頂，每臺提供外力F=1 000 kN，其動力系數為［3］:η2=T'/F=0.165 ＜0.85，滿足要求。

4 傾覆穩定及稱重

(1)傾覆穩定

梁體預制完成落架后，稱重實驗前，對轉體結構傾覆穩定性計算［8］，影響穩定的主要因素是風力，按百年一遇的基本風速所產生的風壓考慮［9］。結構的傾覆穩定性安全系數取決于結構自重構成的抗傾覆力矩與風力構成的傾覆力矩二者比值［10］，根據《鐵路橋涵鋼筋混凝土及預應力混凝土結構設計規范》(TB 10002.3—2005)第 4.1.1 條，系數取不小于 1.3。計算縱橋向穩定安全系數為7.25，橫橋向穩定安全系數為4.52，均滿足要求。

(2)稱重

稱重試驗主要測試轉動體的不平衡力矩、摩阻力矩、偏心距，一方面根據測試情況進行配重，使轉動體處于球鉸和撐腳兩點支承的穩定狀態，并使配重后的偏心距處于合理范圍［11］，保證轉體的平穩;另一方面根據摩阻力矩計算球鉸靜摩擦系數，為校核轉體牽引力、助推力等提供依據。

試驗測得不平衡力矩Mg=6 711.7 kN·m，摩阻力矩 Mz=2 345.2 kN·m，偏心距 e=26.8 cm(偏向主跨側)，體系呈現摩阻力矩小于不平衡力矩的情況。配重方案遵循球鉸與撐腳共同支撐的原則，配重采用80 kN，位置在邊跨側距梁端3 m處［12］，配重完成后，轉體系統偏心為17.9 cm(偏向主跨側)，全部轉體結構重力主要由中心球鉸支承。

5 試轉體及正式轉體

5.1 試轉體

啟動泵站，2臺張拉千斤頂同時施力試轉體，以克服靜摩阻力使橋梁轉動，試轉角度3°以內。同時，做好轉速及梁端高程的測量工作，為精確定位提供操作依據。試轉過程中，應做好兩項重要數據的測試工作。

(1)每分鐘轉速，即每分鐘轉動主橋的角度及懸臂端所轉動的水平弧線距離，應將轉體速度控制在設計要求范圍內;嚴格控制轉動速度過快。

(2)控制采取點動方式操作，測量組應測量每點動一次懸臂端所轉動水平弧線距離的數據，以供轉體初步到位后，進行精確定位提供操作依據。

應檢查結構是否平衡穩定，關鍵受力部分是否出現裂紋等異常情況，如有異常，須停止試轉，查明原因整改后方可繼續試轉體。

5.2 正式轉體

根據鐵路部門批準的線路封鎖作業時間進行轉體施工，對梁體軸線偏位、梁端高程變化進行反復測量，對牽引索、泵站、主控臺等實時觀察。轉體過程應勻速轉動，實測轉動速度為0.018 23 rad/min，距設計位置3°時進行 10、5、3、2、1 s點動操作，并確認點動后梁端弧長，距設計位置0.5°時制動，測量軸線，根據差值，精確點動控制定位，防止超轉。轉體就位后利用設置的限位措施對結構進行體位調整。橫橋向傾斜限位與微調:在滑道外側上、下承臺間對稱布置4臺千斤頂，一側頂起，另一側預留限位，調整完畢后，用型鋼將上、下承臺抄死，撐腳與滑道間抄死。水平偏轉限位和微調:利用設置在下承臺上的助推反力支座作為支點，助推上承臺，調整轉體軸線偏位，調整就位后設置限位梁，將撐腳與助推反力支座間抄死。

轉體固定后，焊接預留鋼筋，進行封盤施工。后拆除墩梁固結措施，進行梁體跨中、邊跨合龍段施工。

6 結語

該橋于2012年10月23日凌晨僅用56 min一次順利轉體就位。該橋為濟南鐵路局范圍第一座轉體施工的鐵路橋梁，且上跨膠濟客運專線，線路封鎖時間僅為110 min，最大程度地減少了對膠濟客運專線運營的影響，具有良好的經濟效益和社會效益，對類似小跨度跨線橋梁施工具有較高的參考價值。

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