淺談大噸位曲線轉體橋梁設計

■林信武

（海峽（福建）交通工程設計有限公司，福州 350004）

0 引言

近幾年我國高速鐵路快速發展，目前鐵路網已基本形成，隨著城市不斷的擴張，城市路網與鐵路網交叉的現象越來越多，為保證鐵路運輸安全，提高鐵路運輸效率，同時又不影響市政道路的正常建設，交叉節點的設計顯得格外重要。根據鐵路總公司的發文，在已建成的高速鐵路（含客運專線，城際鐵路）、新建設計時速200km鐵路及相關聯絡線、動車走行線的無咋軌道區段路基和有可能破壞地基加固效果的有咋軌道區段路基及各種過渡段，禁止框架頂進下穿；確須修建公路上跨鐵路立交橋時，應采用上跨結構轉體施工方案。

橋梁轉體施工是上世紀40年代以后發展起來的一種架橋工藝，因為它施工快速安全、不中斷通車等特點，在我國公鐵交叉中被廣泛采用，目前已建成200多座。根據橋梁結構的轉動方向，它可分為豎向轉體施工法、水平轉體施工法（簡稱豎轉法和平轉法）以及平轉與豎轉相結合的方法，其中以平轉法應用最多，而平轉施工的連續梁橋通常為直線對稱結構。福清市清繁大道跨杭深線立交橋平面位于半徑2500m的圓曲線上，本文對該橋的設計、計算進行了詳細的介紹說明。

1 工程概況

福清市清繁大道是連接沈海高速公路與長福高速公路的重要交通樞紐，而上跨杭深線立交橋是清繁大道的重要節點。本工程橋梁分左右幅上跨杭深線（交叉處鐵路樁號 K911+332，K911+370），交叉角度分別為 61°、60°，其中左線橋長581m，右線橋長552m，跨鐵半徑2500m。跨越處鐵路為杭深線標準路基段，雙線，為國鐵Ⅰ級雙線電氣化鐵路干線，為盡量減小對杭深線影響，經過多種橋梁

方案的比較，最后選用2-85mT構，轉體施工工藝。

2 結構概況

清繁大道跨既有杭深線梁為85+85（m）兩跨T型剛構，橋寬 18.95m，轉體長度為73.5+73.5（m），兩側邊支點現澆段為8.5m，合攏段長2.92m，球鉸噸位約15000t，采用水平轉體施工法。

上部結構為變高連續箱梁，梁體各控制截面梁高分別為：邊跨直線段截面最低點處梁高為3.4m，中支點梁高為8.7m，梁底按1.6次拋物線變化；箱梁頂寬18.95m，根部底寬7.71m。箱梁橫截面為單箱雙室斜腹板截面。頂板厚 28cm，腹板厚分別為 45cm、65cm、80cm、100cm，底板厚由跨中的30cm按1.6次拋物線變化至中支點梁根部的140m，中支點處局部加厚到170cm；全橋共設4道橫隔梁，分別是中支點處2道、端支點處各1道。中支點處設置厚0.8m的橫隔梁，邊支點處設置厚1.5m的端隔梁，隔板設有孔洞，供檢查人員通過。

3 轉體橋設計要點

3.1 上部結構

（1）設計荷載的選取

根據 《高速鐵路設計規范》（TB10621-2014）7.6節規定跨線橋及其相鄰兩跨的汽車設計荷載采用相應標準設計荷載的1.3倍。因此跨鐵橋梁的結構尺寸設計要比常規公路橋梁更加嚴格，本工程采用大型有限元軟件midas civil建模分析，經過檢算比較，本工程中最終支點梁高與跨徑的比值確定為1/9.77，邊支點梁高與跨徑的比值確定為1/25，結構在承載能力極限狀態及正常施工極限狀態下均滿足規范要求。

（2）截面尺寸的設計

圖1 橋梁立面布置圖

圖2 橋梁平面布置圖

根據相關資料，在按規范設置橋梁護欄的情況下，即使是最高的SS防撞等級，車輛也仍有可能越出護欄，因此《高速鐵路設計規范》（TB10621-2014）要求須加強防撞護欄設計。結合本工程實際情況設置兩級防撞系統，第一道防護欄經受沖逸車輛的首次碰撞，消耗其大部分或一部分能量，第二道防護欄經受沖逸車輛的第二次碰撞，消耗其全部能量，阻止車輛和物品墜入橋下高鐵線路的可能性，保證高鐵運營的安全。

根據公路規范條文說明及相關研究成果，車輛在撞擊護欄后，一般情況沿護欄向前滑動或向左（向內）側翻，同時還有越過護欄、向右（向外）可能性。當超載、超速貨運汽車與第一道防撞護欄發生碰撞后，由于劇烈的撞擊，車上的物品有可能往橋外散落，貨車也有向外（向右）側翻可能，考慮散落的物品或側翻的貨車仍留在橋面上，不至于跌下鐵路，因此兩道護欄間應有一定的距離。根據我國車輛外輪廓尺寸，兩道護欄間距至少為1.5m，還需在外側防撞護欄頂上設置高防拋網。

3.2 轉動體系結構設計

轉體結構主要由下幾個部分組成下轉盤、球鉸、上轉盤和轉體牽引系統等組成。

（1）下轉盤

圖3 標準橫斷面圖

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、環形下滑道及千斤頂反力座。

（2）球鉸的制造與安裝

球鉸由上下兩塊剛質球面板組成，上面板為凸面，通過圓錐臺與上部的牽轉盤連接，上轉盤就位于牽轉盤上；下面板為為凹面，嵌固于下轉盤頂面。上、下面板均為40mm厚鋼板壓制而成的球面。球鉸噸位約15000t。

（3）上轉盤

上轉盤與橋墩連接，當混凝土達到設計強度后，進行整個轉體系統支承體系的轉換，使轉臺支承于球鉸上。

3.3 轉體球鉸偏心設計

本橋位于半徑2500m的圓曲線半徑上，轉體跨度大，橋梁寬度大，與鐵路斜交，主梁重心與橋墩中心偏離，因此如何保證轉體時結構的平衡，是球鉸設計的重點，本次設計主要通過球鉸預偏心的方法，保持轉體時結構的平衡。

本工程采用大型有限元軟件midas civil建立全橋模型，計算分析得出正常使用極限包絡狀態下兩肢橋墩中心處墩底合力N=140420kN,橫橋向彎矩M=54100kN·m，球鉸中心相對橋墩中心向曲線內側橫橋向偏心距e=M/N=0.385m。

圖4 全橋計算模型

3.4 轉體牽引力設計

根據《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T F50-2011）中15.5.3轉體的牽引力計算：

式中：T——牽引力（kN）；

G——轉體總重力（kN）；

R——鉸柱半徑（m）；

D——牽引力偶臂（m）；

f——摩擦系數。

根據計算得啟動時所需要的牽引力為T=7863kN；轉動時所需要的牽引力T=5897kN。

3.5 球鉸計算分析

采用fea建立實體模型，并做適當簡化。

按兩種工況建立模型：①轉體時的實際工況，上、下轉盤通過球鉸傳力，上、下轉盤建立豎向受壓剛性連接；②臨時支撐未拆除前的極端工況，球鉸脫空，完全不受力，全部荷載由沙箱等臨時支撐傳遞給下轉盤。

截取部分計算結果如下：

圖5 下轉盤主拉應力

圖6 上轉盤底主拉應力

從應力分析結果來看，上下轉盤正應力、主拉應力、主壓應力均滿足規范要求。

4 總結

清繁大道跨既有杭深線橋，不同于一般的市政橋梁，其橋梁設計需要根據鐵路規范進行專門的特殊設計，還應根據線路及地形實際進行方案比選。本工程通過轉體結構預設偏心，有效解決了大曲線半徑大跨度橋梁轉體施工時的平衡和穩定性問題，降低了施工風險，在設計過程中，總結以下幾點經驗：

（1）在已建成的高速鐵路修建公路上跨鐵路立交橋時，應采用上跨結構轉體施工方案。

（2）跨線橋及其相鄰兩跨的汽車設計荷載采用相應標準設計荷載的1.3倍。

（3）跨線橋橋面應考慮兩道防護，阻止車輛和物品墜入橋下高鐵線路的可能性，保證高鐵運營的安全。

（4）大曲線半徑大跨度橋梁，應通過預設偏心有效平衡結構自重偏心和扭轉。

[1]TB10621-2014，高速鐵路設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2014.

[2]JTG/T F50-2011，公路橋涵施工技術規范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[3]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4]袁娜,周志亮.大跨小曲線半徑轉體橋轉體系統設計要點[J].都市快軌交通,2014（1）:99-103.

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