小半徑曲線轉(zhuǎn)體橋調(diào)偏心研究

田山坡

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津市 300251）

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了很多立交橋梁上跨鐵路的情況，城市立交橋匝道經(jīng)常位于小半徑上，由于目前缺乏相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和資料，設(shè)計(jì)時往往盡量調(diào)整線形避免這種情況。然而這種做法不僅會降低平面的線形指標(biāo)、影響行車舒適性、增加造價，而且易造成安全事故，影響橋梁的美觀。

當(dāng)前轉(zhuǎn)體剛構(gòu)橋?yàn)榭缭郊扔蟹泵﹁F路干線尤其是高速鐵路的首選方案，而地震高烈度區(qū)小半徑曲線轉(zhuǎn)體橋梁的設(shè)計(jì)在國內(nèi)還是空白。目前急需開展對跨鐵路小半徑曲線轉(zhuǎn)體橋的受力特點(diǎn)、轉(zhuǎn)動體系和結(jié)構(gòu)構(gòu)造等方面的研究。現(xiàn)以太原市北中環(huán)線工程跨石太客專及石太線立交橋項(xiàng)目為例，針對小半徑轉(zhuǎn)體橋的調(diào)偏心技術(shù)展開研究[1-2]。

1 工程概況

跨石太客專及石太線立交橋工程是太原市北中環(huán)澗河立交橋的一部分。S E匝道沿規(guī)劃道路線位走向，自西向東需依次跨越石太下行、石太客專上行、石太客專下行、石太下行等鐵路線。跨鐵路處為減小對既有鐵路運(yùn)營的干擾，該工程采用方案為轉(zhuǎn)體施工T形剛構(gòu)，轉(zhuǎn)體墩設(shè)在鐵路西側(cè)，順鐵路施工剛構(gòu)橋，梁部采用鋼箱梁，墩梁固結(jié)，完成預(yù)制后向鐵路部門要點(diǎn)90 min，一次轉(zhuǎn)體就位，再現(xiàn)場拼接邊跨2.5 m后拼段。

上部結(jié)構(gòu)為（45+44.996）m變高度鋼結(jié)構(gòu)箱梁轉(zhuǎn)體T構(gòu)，梁全長89.996 m，箱梁采用單箱雙室截面，T構(gòu)中間支點(diǎn)處梁高4.5 m，邊支點(diǎn)梁高1.8m，梁底線形按二次拋物線變化。轉(zhuǎn)體部分跨徑組合為（42.5+42.5）m，預(yù)留后拼段 2.5（2.496）m；橋梁為整幅設(shè)橋，橋面寬10.0m。橋梁的布設(shè)以整個施工過程結(jié)構(gòu)與接觸網(wǎng)帶電部分的平面距離不小于5m、高度不小于0.7 m，并且不侵入現(xiàn)狀鐵路允許限界為基本原則，同時考慮預(yù)留足夠的安全距離。下部結(jié)構(gòu)主墩采用矩形墩，截面尺寸為4 m×5 m，墩柱下接轉(zhuǎn)動系統(tǒng)、承臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑1.5 m，5根，長65 m。轉(zhuǎn)體橋平面和立面布置圖如圖1和圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)體橋平面布置圖

圖2 轉(zhuǎn)體橋立面布置圖（單位：cm）

2 轉(zhuǎn)體施工流程

主橋采用轉(zhuǎn)體法施工，外側(cè)防撞護(hù)欄與防護(hù)屏施工完成后整幅轉(zhuǎn)體，跨線處一次轉(zhuǎn)體就位，其他部分為支架拼裝施工。其主要流程如下：

（1）進(jìn)場后，整平場地，開挖基坑，施工中墩樁基，施工下轉(zhuǎn)盤。

（2）施工中墩上轉(zhuǎn)盤及墩身，順鐵路兩側(cè)搭設(shè)支架并預(yù)壓支架。

（3）支架上拼裝鋼箱梁，澆筑橋面外側(cè)防撞護(hù)欄，安裝防護(hù)屏。

（4）拆除支架，使T構(gòu)處于懸臂狀態(tài)。

（5）對轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行縱橫稱重，實(shí)測其重心位置，必要時進(jìn)行配重。

（6）對轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行試轉(zhuǎn)，試轉(zhuǎn)約7°，確定轉(zhuǎn)體的各項(xiàng)參數(shù)。

（7）進(jìn)行正式轉(zhuǎn)體，速度0.018～0.02 r/min，一次轉(zhuǎn)體就位，轉(zhuǎn)體90°轉(zhuǎn)體作業(yè)時間約90 min。

（8）根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)調(diào)整梁體姿態(tài)，鎖定上下轉(zhuǎn)盤，對轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行固封。

（9）施工后拼段、橋面系，成橋。

另外在施工期間應(yīng)對鐵路設(shè)施實(shí)施必要的安全監(jiān)控工作，轉(zhuǎn)體時對風(fēng)速的要求是不大于8m/s（相當(dāng)于5級），轉(zhuǎn)體分為預(yù)轉(zhuǎn)體和正式轉(zhuǎn)體兩次進(jìn)行。

3 調(diào)偏心設(shè)計(jì)

3.1 調(diào)偏心方案對比

調(diào)偏心方式根據(jù)配重方式的不同可分為平衡配重調(diào)偏心和不平衡配重調(diào)偏心兩種。

3.1.1 平衡配重調(diào)偏心

為保證轉(zhuǎn)體系統(tǒng)縱橫向均達(dá)到平衡狀態(tài)，應(yīng)絕對保證其縱橫向重量相一致，但在實(shí)際的轉(zhuǎn)體施工中，上部結(jié)構(gòu)保持絕對平衡會使轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的重量全部落在球鉸上，這會引起梁端在轉(zhuǎn)動過程中發(fā)生幅度較大的抖動，將不利于轉(zhuǎn)體的平穩(wěn)性要求[3]。若采取該配重方案，應(yīng)減小撐腳與滑道的間隙，提高施工安裝精度，使梁體稍有晃動時即能通過撐腳支撐在滑道上[4]。

3.1.2 不平衡配重調(diào)偏心

在轉(zhuǎn)體過程中上部結(jié)構(gòu)重心與球鉸轉(zhuǎn)動中心不重合，球鉸與滑道之間存在接觸，球鉸與撐腳共同支撐轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，增加了轉(zhuǎn)體系統(tǒng)在轉(zhuǎn)動過程中的穩(wěn)定性。由于撐腳與球鉸均有受力，增加了轉(zhuǎn)體啟動時所需的牽引力。另外須注意，配重后的偏心距滿足5 cm≤e≤15 cm的要求[4]。

該工程為小半徑曲線轉(zhuǎn)體橋，其鋼箱梁橫向不平衡彎矩很大，對調(diào)偏心控制嚴(yán)格，否則極易引起橋體傾覆。故采用平衡配重調(diào)偏心轉(zhuǎn)體施工方案，即對轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動中心與橋墩中心預(yù)設(shè)定1.70 m的偏心距，并在轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的上轉(zhuǎn)盤施加永久配重和臨時配重，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)上部結(jié)構(gòu)重心與轉(zhuǎn)動中心重合。

3.2 調(diào)偏心計(jì)算

該工程采用MIDAS/Civil進(jìn)行施工階段計(jì)算。該階段荷載分為鋼箱梁、墩柱、上轉(zhuǎn)盤、防撞護(hù)欄及防護(hù)屏自重荷載。因橋面鋪裝為轉(zhuǎn)體施工結(jié)束后進(jìn)行，故轉(zhuǎn)體階段不予考慮。防撞護(hù)欄及防護(hù)屏荷載按單側(cè)每延米12.8 kN考慮；括號內(nèi)數(shù)據(jù)為不考慮上轉(zhuǎn)盤荷載的情況。具體計(jì)算見表1。

表1 轉(zhuǎn)體施工階段荷載及偏心計(jì)算

3.2.1 預(yù)設(shè)偏心

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的預(yù)偏心不宜過大。對轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動中心與橋梁的結(jié)構(gòu)中心預(yù)設(shè)定1.70 m的偏心，預(yù)設(shè)偏心彎矩為12 935 kN·m×1.7 m=21 990 kN。預(yù)設(shè)偏心如圖3所示。

圖3 預(yù)設(shè)偏心示意圖（單位：cm）

3.2.2 永久配重（配重臺）

轉(zhuǎn)體預(yù)設(shè)1.70 m偏心后，橋梁整體偏心較大，因此在橋梁曲線外側(cè)上轉(zhuǎn)盤設(shè)置混凝土永久配重臺，配重混凝土總重為10.45m2×2m×2 500 kg/m3=5 225 kg，配重混凝土偏心彎矩為522.5 kN×4.4m=2 300 kN·m。永久配重如圖4所示。

圖4 永久配重示意圖（單位：cm）

3.2.3 臨時配重

為了確保橋梁轉(zhuǎn)體的順利進(jìn)行，轉(zhuǎn)體前應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動體稱重試驗(yàn)，測試轉(zhuǎn)動體部分的不平衡力矩對轉(zhuǎn)體橋轉(zhuǎn)動體系依然存在的偏心。由于橋梁位于曲線上，尤其應(yīng)注意橫向的稱重，以滿足橋梁轉(zhuǎn)體配重的要求。最后根據(jù)稱重試驗(yàn)結(jié)果增加臨時配重量。

3.2.3.1 平衡稱重的原理

當(dāng)上部機(jī)構(gòu)脫架完成后，整個梁體的平衡表現(xiàn)可能為兩種形式之一：其一，轉(zhuǎn)動體球鉸摩阻力矩MZ大于轉(zhuǎn)動體不平衡力矩MG，梁體不發(fā)生繞球鉸的剛體轉(zhuǎn)動，體系的平衡由球鉸摩阻力矩和轉(zhuǎn)動體不平衡力矩所保持；其二，轉(zhuǎn)動體球鉸摩阻力矩MZ小于轉(zhuǎn)動體不平衡力矩MG，梁體發(fā)生繞球鉸的剛體轉(zhuǎn)動，直到撐腳參與工作，體系的平衡由球鉸摩阻力矩、轉(zhuǎn)動體不平衡力矩和撐腳對球心的力矩所保持[5-6]。

（1）轉(zhuǎn)動體球鉸摩阻力矩MZ大于轉(zhuǎn)動體不平衡力矩MG。

設(shè)轉(zhuǎn)動體重心偏向A側(cè)，在B側(cè)承臺施加頂力P1。當(dāng)頂力P1逐漸增加到使球鉸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動的瞬間，有

設(shè)轉(zhuǎn)動體重心偏向A側(cè)，在A側(cè)承臺施加頂力P2。當(dāng)頂力P2逐漸增加到使球鉸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動的瞬間，有

解方程（1）和（2），得到不平衡力矩：

（2）轉(zhuǎn)動體球鉸摩阻力矩MZ小于轉(zhuǎn)動體不平衡力矩MG。

設(shè)轉(zhuǎn)動體重心偏向A側(cè)，此種情況下，只能在A側(cè)承臺實(shí)施頂力P2。

當(dāng)頂力P2（由撐腳離地的瞬間算起）逐漸增加到使球鉸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動的瞬間，有

當(dāng)頂升到位（球鉸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動）后，使千斤頂回落，設(shè)P′2為千斤頂逐漸回落過程中球鉸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動時的力，則

解方程（4）和（5），得到不平衡力矩：

3.2.3.2 臨時配重方案

稱重前大里程側(cè)防護(hù)屏已完成施工，小里程側(cè)防護(hù)屏?xí)何窗惭b，結(jié)合實(shí)際情況理論計(jì)算不平衡彎矩為2 100 kN·m。稱重前根據(jù)原定施工配重設(shè)置方案在梁體曲線外側(cè)的配重臺施加了37.5 t混凝土，對球鉸中心線力矩為1 800 kN·m，達(dá)到了理論計(jì)算不平衡彎矩的86%。理論剩余不平衡彎矩為300 kN·m，偏心距為1.7 cm。

根據(jù)最終實(shí)際稱重試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際不平衡彎矩與理論計(jì)算基本相符，差異很小，最終確定不再增加額外配重量。

4 結(jié)語

小半徑曲線轉(zhuǎn)體橋橫向偏心較大，施工精度要求高，轉(zhuǎn)體施工難度大。通過轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動中心與橋梁的結(jié)構(gòu)中心設(shè)定1.70 m的偏心距，同時結(jié)合上轉(zhuǎn)盤永久配重、臨時配重技術(shù)，采用平衡配重調(diào)偏心方法實(shí)現(xiàn)了對轉(zhuǎn)體系統(tǒng)偏心的調(diào)整，為小半徑曲線轉(zhuǎn)體橋調(diào)偏心設(shè)計(jì)及施工提供技術(shù)借鑒。目前，該工程已順利施工結(jié)束，其工藝達(dá)到預(yù)期，說明此方案效果比較理想。

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