跨茂湛鐵路T形剛構橋轉體設計與分析

張 通 趙 磊

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院，河南鄭州 450001；2.中交第四公路工程局有限公司，北京 100025)

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跨茂湛鐵路T形剛構橋轉體設計與分析

張 通1趙 磊2

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司鄭州設計院，河南鄭州 450001；2.中交第四公路工程局有限公司，北京 100025)

云湛高速公路上跨茂湛鐵路主橋采用雙幅同步轉體施工(2-75) m掛籃懸臂澆筑預應力混凝土T形剛構。對該橋主體結構、平行轉動體系結構的設計進行計算分析，為同類橋梁的設計提供參考。

鐵路客運專線 轉體施工 T形剛構 設計

1 工程概況

汕(頭)湛(江)高速公路云浮至湛江段跨越茂湛鐵路，跨越處位于吳川市塘綴鎮附近，公路里程為K252+620.78，鐵路里程為K51+116.59，公路與鐵路中線交角為83.6°，平曲線半徑R=7 000 m，跨線橋梁上部結構采用(2-75) m掛籃懸臂澆筑預應力混凝土T形剛構。主橋平面布置見圖1。標準橫斷面為雙向六車道，左右兩幅，標準段單幅橋寬18.7 m，中央分隔帶0.8 m，全寬38.2 m。依據《高速鐵路設計規范》(TB10621—2014)7.7.2.第8條“上跨高速鐵路的公路橋應設置防落物網和防護墻，當防災專業在公路橋上設置墜落物監測報警裝置時，應在公路橋上預留相應條件”[2]。為滿足此規定，故跨鐵路部分單幅橋加寬至19.7 m，中央分隔帶0.8 m，全寬40.2 m，橋面布置見圖2。加寬段范圍35.5 m。主橋下部結構采用矩形空心橋墩，鉆孔樁基礎[1]。

圖1 主橋平面布置(單位：cm)

圖2 主橋橋面布置(單位：cm)

茂湛鐵路為雙線客貨共線鐵路，設計速度目標值為200 km/h，預留250 km/h平面及限界條件。目前鐵路的電氣化設備尚未安裝，鐵路運營臨時采用內燃牽引。交叉處茂湛鐵路為塘綴河特大橋，該鐵路橋為31-32 m預應力混凝土簡支T梁橋，圓端形實體橋墩，鉆孔樁基礎。

2 主要技術標準及設計參數

(1)設計荷載：公路Ⅰ級荷載的1.3倍；

(2)道路等級：高速公路，雙向六車道，設計行車速度120 km/h；

(3)跨鐵路凈空標準：≥8.2 m；

(4)材料自重:混凝土自重取26 kN/m3，普通鋼筋、預應力鋼束等鋼材自重78 kN/m3；

(5)地震動峰值加速度系數0.10 g，按地震烈度Ⅶ度設防；

(6)橋墩不均勻沉降：主墩按15 mm計算，過渡墩按5 mm計算；

(7)全橋梯度溫度：按照規范要求，取11 cm厚瀝青鋪裝；

(8)全橋整體升溫25 ℃，整體降溫25 ℃。

3 主橋設計要點

3.1 上部結構

上部結構采用單箱雙室直腹板箱形截面，中支點中心梁高6.5 m，端部中心梁高2.6 m，梁底線形按二次拋物線變化，端部等高段長11.92 m。標準段箱梁頂板寬18.7 m，底板寬度11.5 m，箱梁兩側懸臂板長分別為3.5 m、3.7 m?？玷F路處橋面局部加寬段箱梁頂板寬19.7 m，底板寬度11.5 m，內側懸臂板長3.5 m，外側懸臂板長4.7 m。

3.2 下部結構

主橋橋墩采用矩形空心墩，墩頂縱橫向尺寸為6.0 m×11.5 m；墩底縱橫向尺寸為6.0 m×7.5 m；橫橋向過渡半徑為856.3 m，過渡高度為5.5 m，以下采用直坡。空心墩壁厚1.5 m。墩頂、墩底各有2 m實心段。左幅(62號)主橋墩高11 m，右幅(60號)橋墩高10 m。

4 結構分析計算

根據公路橋涵相關設計規范要求，結構重要性系數取1.1。箱梁混凝土強度為C55，按部分預應力混凝土A類構件設計。波紋管管道摩阻系數：μ=0.15，k=0.001 5。

4.1 計算模型

利用有限元計算軟件“橋梁博士”v3.5.0，模型采用平面桿系單元，對橋梁結構在各個施工階段進行分析，將箱梁結構縱橋向劃分為61個單元，63個節點，計算模型見圖3。

計算得到結構在施工階段(短暫狀況下)截面應力、承載能力極限狀態下截面內力和抗力，正常使用極限狀態下截面應力和撓度。

圖3 結構計算模型

4.2 箱梁計算結果

結構在使用階段(包括承載能力極限狀態和正常使用極限狀態)的計算結果見表1、表2。

表1 承載能力極限狀態驗算

表2 正常使用極限狀態驗算

5 轉體結構受力分析及計算

轉體結構由上轉盤、球鉸、下轉盤、轉體牽引系統等組成。

上轉盤是轉體時的重要結構，在整個轉體過程中是一個多向、立體的受力狀態，受力較復雜，設計采用三向預應力結構。上轉盤長10 m，寬10 m，高2 m。轉臺直徑9 m，高0.8 m。轉臺是球鉸、撐腳與上轉盤相連接的部分，又是轉體牽引索直接施加的部位。

下轉盤為支撐轉體結構全部重量的基礎，轉體完成后，與上轉盤共同形成基礎。下轉盤采用C40混凝土。下轉盤上設有轉體系統的下球鉸、直徑8 m的環形下滑道及8組千斤頂反力座，見圖4、圖5。

圖4 轉體結構立面(單位：cm)

圖5 轉體結構平面(單位：cm)

上轉盤球鉸直徑5.1 m，下轉盤球鉸直徑3.4 m，厚度均為40 mm。球鉸是平動法施工的轉動系統，而轉動球鉸是轉體施工的核心，是轉體施工的關鍵結構，制作及安裝精度要求很高，必須精心制作，精心安裝。

5.1 球鉸計算

因本橋在鐵路范圍內截面外側加寬1 m，致使結構在轉體前產生縱、橫向不平衡彎矩，需增加配重，使T構兩側平衡，然后再進行轉體施工。本橋設計時，轉動體系的中心與結構中心完全重合，轉動體系處于完全平衡狀態。因風荷載具有不確定性，假設結構轉體過程中由于風荷載作用產生傾斜時，結構的豎向荷載由球鉸與撐腳共同承擔。由此可知，球鉸設計時，不考慮水平向的風荷載，球鉸設計直徑按105 000 kN豎向承載力設計。

球鉸的設計直徑為

式中D——球鉸平面直徑；

N——球鉸的設計豎向承載力；

K——球鉸接觸面積折減系數，取0.65；

[fck]——球鉸下混凝土抗壓強度標準值。

經計算，D=2.77 m，設計取3.4 m。

根據計算結果知，球鉸選用105 000 kN轉體球鉸，球鉸平面直徑3.4 m，設計最大靜摩阻系數為0.1，最大動摩阻系數為0.06。

5.2 撐腳的承載力計算[5]

撐腳承載力計算時，考慮以下兩種最不利因素：

(1)梁部考慮3%的施工誤差，導致結構產生自重不平衡彎矩。計算時從梁部0號塊中心位置起到轉體一側最大懸臂處自重按設計理論重量增加3%，另一側自重減少3%，通過調整兩側的容重r值實現。

(2)考慮主體箱梁在風荷載作用下產生的縱向不平衡彎矩，按照取最不利情況計算，一側懸臂端部按風壓強度50%加載，另外一側懸臂端部按風壓強度100%加載。

(3)橋墩在風荷載作用下產生的縱向不平衡彎矩。

綜合上述三種不利因素，轉體結構縱向承受最大不平衡彎矩為21 593.82 kN·m。撐腳承受壓力為21 593.82/5=4 318.76 kN。

撐腳按照鋼管混凝土結構設計，鋼管直徑800 mm，鋼管壁厚24 mm，鋼管截面積Aa=0.124 2 m2，鋼管抗拉強度設計值fa=300 MPa，鋼管內填充C50混凝土，截面積Ac=1.004 8 m2，混凝土抗壓強度設計值fc=23.1 MPa。

撐腳(鋼管混凝土柱)的軸向受壓承載力設計值Nu=φ1φeN0，撐腳上端與上轉盤連接處按固結考慮，撐腳下端按自由考慮，撐腳長度為0.99m，故Le=μkL=2×1×0.99=1.98m。Le/D=1.98/0.99=2.0<4，φ1=1.0；按軸心受壓考慮，φe=1.0。

Nu=8.09×104kN>4 318.76kN，撐腳豎向承載力滿足要求。

5.3 上轉盤計算[5]

轉體結構上轉盤的受力較復雜，設計采用三向預應力體系，縱橋向、橫橋向上下緣均配置標準強度1 860MPa高強度低松弛17-φs15.2鋼絞線，錨下控制應力1 339.2MPa(<0.75fpk)；豎向預應力筋為φ32mm精軋螺紋鋼筋，錨下控制應力675MPa(<0.9fpk)。

上轉盤設計計算時，簡化為球鉸中心支撐、撐腳支撐的簡支外伸梁結構，按平面桿系結構計算，在不平衡彎矩作用下，上轉盤上緣最大應力為9.65MPa(壓應力)，上轉盤下緣最小應力為3.1MPa(壓應力)，上轉盤上下緣應力滿足規范要求。

5.4 四氟乙烯滑片計算

轉體結構下球鉸內球面鑲嵌584個四氟乙烯滑片，豎向力值為105 000kN，單個滑片的直徑為6cm，設計時考慮滑片承壓偏載系數為1.4，計算得到單個滑片的應力為89.1MPa，小于四氟乙烯滑片的允許應力值100MPa。

5.5 牽引力計算[6]

(1)平衡狀態下牽引力計算

轉體系統在平衡狀態下，球鉸承受轉體系統全部重量，牽引力按以下公式計算

T=2/3×(R·W·μ)/D

式中 R——球鉸平面半徑，R=1.7m；

W——轉體總重量，W=105 000kN；

D——轉臺直徑，D=9m；

μ——球鉸摩擦系數，μ靜=0.1。

計算得到：轉體系統在完全平衡狀態下，轉動時克服靜摩阻力啟動力為1 322kN。

(2)不平衡狀態下牽引力計算

轉體結構施工過程中，因混凝土超方、施工機具堆放、人群荷載、風荷載等因素，造成結構在轉動過程中，往往處于不平衡狀態。此時，牽引力等于球鉸摩擦力、撐腳摩擦力之和。

撐腳摩阻力Tc=(Rc·Wc·μc)/D，其中，Rc=5m，Wc=4 318.76kN，μc=0.1。

計算得到啟動牽引力為1 507.77kN(球鉸摩阻力為1 267.84kN、撐腳摩阻力為239.93kN)。牽引鋼束采用19-φs15.2鋼絞線，能夠提供的牽引力為4 807kN，牽引系統滿足要求。

6 結束語

隨著我國交通建設的快速發展，新建橋梁上跨既有鐵路的機會越來越多，采用轉體施工方法減少了鐵路“要點”次數，減輕了對既有鐵路的行車干擾，降低了結構施工的安全風險，縮短了施工工期。采用此類方法施工，具有一定的經濟和社會效益。

[1] 中鐵工程設計咨詢集團有限公司.茂湛鐵路跨線橋茂湛鐵路跨線橋(主橋部分)施工圖設計[R].北京：中鐵工程設計咨詢集團有限公司，2015

[2] 國家鐵路局.TB10621—2014高速鐵路設計規范[S].北京：中國鐵路出版社，2014

[3] 中華人民共和國交通運輸部.JTGD60—2004公路橋涵設計通用規范[S].北京：人民交通出版社，2004．

[4] 中華人民共和國交通運輸部.JTGD62—2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].北京：人民交通出社，2004

[5] 趙玲.南河川渭河特大橋轉體結構設計及計算分析[J].現代交通技術，2014(4)：33-36

[6] 延力強.小曲線半徑T形剛構轉體設計[J].鐵道勘察，2014(1)：78-81

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Design and Analysis of Swiveling Construction of T Type Rigid Frame Bridge Straddling the Maoming-Zhanjiang Railway

ZHANG Tong1ZHAO Lei2

2016-08-15

張 通(1982—)，男，2010年畢業于蘭州交通大學橋梁與隧道工程專業，工學碩士，工程師。

1672-7479(2016)06-0106-04

U448.23+1； U445.465

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