連鎮鐵路主跨128 m連續彎梁轉體施工概念設計

賈奮宗

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070)

轉體施工法[1-2]的出現，創造了一種新的建橋思路：橋梁可以在偏離設計軸線的位置進行預制，通過旋轉使橋梁就位。對于設計橋梁軸線處施工條件受限的情況，轉體施工法相較于現澆法、懸澆法、頂推法等具有極大的優越性。目前，國外采用轉體法鋼球鉸的最大轉體重量為1.95×104t(比利時的本·艾因橋)，國內采用鋼球鉸的最大轉體重量為2.48×104t(山東菏澤丹陽路立交橋，2016年11月施工)，國內采用平板鉸的最大轉體重量為1.4×104t(綏芬河市新華街立交)，混凝土鉸的最大轉體重量為6.32×103t。目前已建成的轉體橋梁大都應用于直橋和大半徑彎梁橋，由于小半徑連續彎梁存在較大的橫向不平衡彎矩，對設計和施工提出了更高要求。

1 工程概況

連鎮鐵路淮安至鎮江段位于江蘇省境內，北起淮安，南至鎮江，本工點(68+128+68) m轉體連續梁位于連鎮鐵路淮揚聯絡線左線特大橋，此處為單線，平面位于半徑R=700 m的圓曲線及緩和曲線處，分別以23°及22°夾角上跨既有寧啟鐵路及增建寧啟復線(此處采用128 m主跨跨越)，同時邊跨跨越規劃金灣路(現狀為S237省道)[3]。

考慮到本橋跨越運輸繁忙的既有鐵路干線—寧啟鐵路(包括增建復線)，為盡量減小對既有鐵路的影響，確保運營安全，采用平面轉體法施工。轉體梁共2個T構，每個T構長126 m，轉體重量分別為7 380 t和7 700 t，轉動角度均為19.5°。新建橋梁與既有鐵路位置關系平面布置見圖1。

圖1 新建橋梁與既有鐵路位置關系(單位：m)

2 結構設計

2.1 上部結構

本工程轉體連續梁上部結構設計及計算分析與傳統懸澆梁基本相同。主橋上部結構采用(68+128+68) m變高度單線預應力混凝土連續梁[4-5]，全長265.5 m(含兩側梁端至邊支座中心各0.75 m)。設計活載為ZK荷載，線路為單線聯絡線，客運專線，設計行車速度160 km/h，采用曲梁曲做。全橋共分71個梁段，中支點處梁段長度12 m；一般梁段分成3.0 m、3.5 m和4.0 m，合龍段長2.0 m，邊跨現澆段長3.75 m。全橋立面布置見圖2[6]。限界滿足相關規范要求[7-8]。

圖2 全橋立面布置(單位：cm)

主梁采用雙向預應力混凝土結構，單箱單室變高度箱形截面。梁體各控制截面梁高為：端支座處及邊跨直線段和跨中處為4.5 m，中支點處8.6 m，梁底下緣按圓曲線變化，圓曲線半徑R=462.736 m;箱梁頂寬8.5 m，箱梁底寬6.5 m。箱梁兩側腹板與頂、底板相交處均采用圓弧倒角過渡。其中頂板厚42 cm；底板厚度46 cm至150 cm，按圓曲線變化至中支點梁根部；腹板厚度分為45～70～90 cm，按折線變化；全橋共設5道橫隔梁，分別設于端支點、跨中及中支點。邊支點處設置厚1.5 m的端隔梁，跨中橫梁厚0.8 m，中支點處設2.4 m厚的橫隔梁。主梁截面見圖3[9]。

圖3 主梁截面(單位：cm)

通過建立有限元模型，主梁運營階段控制截面應力如表1，均滿足規范限值。

表1 運營階段控制截面應力

本工程上部結構設計與傳統懸澆連續梁區別在于：

(1)中跨合龍段的設計較為特殊。在轉體T構末端預埋與箱梁外輪廓相同的鋼盒[10]，利用預埋鋼盒澆筑中跨合龍段，使得合龍段施工在封閉的開口箱中進行，對既有線行車干擾小，可不中斷行車。最終預埋鋼盒與混凝土梁形成結合梁共同參與受力。鋼盒節段連接示意見圖4。

圖4 鋼盒節段連接示意(單位：cm)

(2)轉體梁段臨近鐵路既有線路[11]。為避免施工對既有線路安全造成影響，施工時應對掛籃做全封閉防護，并在施工梁段靠既有線路側設置防拋網。

2.2 下部結構

本橋轉體橋墩采用圓端形截面實心墩柱[12]。沿橋縱向墩柱寬4.5 m，沿橋橫向墩柱寬8.5 m，墩高分別為14.0 m、17.5 m。主墩基礎為鉆孔灌注樁基礎(12根，直徑均為2.0 m)，梅花形布置；承臺厚7.0 m，分上下兩層。上承臺兼做球鉸的上轉盤，高2.5 m，采用三向預應力體系，轉體完畢后用混凝土封閉球鉸和其他未施工的混凝土。下承臺高4.5 m。

轉臺由上承臺、上轉盤、球鉸、定位軸、撐腳、滑道、千斤頂反力座、止推塊、下承臺以及基礎等組成[13]。

橋梁轉體施工工藝的關鍵在于“轉得動、轉得穩、轉得準”。因此，以下幾個方面的設計至關重要。

①鋼球鉸平面半徑的確定；②撐腳反力的假定計算；③牽引力計算；④牽引索計算；⑤曲線梁轉體結構平衡問題。

(1)球鉸設計

當轉動體重量為4 000～6 500 t時可采用混凝土球鉸，當轉動體重量為6 500～10 000 t時宜采用鋼制球鉸[14-15]；本橋72號墩轉體重量7 380 t，73號墩轉體重量7 700 t，故采用鋼球鉸。球面鋼板的大小主要受其下轉盤混凝土承載力限制，其直徑可由下式確定：

D1≥2×(N1/(π·k·[σc]))1/2

式中D1——球鉸平面直徑；

N1——球鉸軸心處的豎向反力，安全計可采N1=G；

G——包括上轉盤在內的轉體重量；

[σc]——球鉸下混凝土中心受壓容許應力；

k——球鉸接觸面積折減系數，k=0.650.7；

其中G=7 700 t，上下承臺均采用C50混凝土，取[σc]=13.4 MPa，代入得：D1≥3.234 m。故設計球鉸平面直徑取4.0 m。

(2)撐腳反力計算

上盤撐腳即為轉體時支撐轉體結構平穩的保險腿。每個上盤下設有8對撐腳，每對撐腳有兩個A=0.8 m的圓柱形構成，在撐腳下方設有1.1 m寬的滑道，滑道半徑為4.5 m。轉體時保險撐腳在滑道內滑動，以保持轉體結構平穩。

考慮梁體不平衡重量及風荷載，在轉體結構最大懸臂狀態由上述2種荷載產生的不平衡彎矩為2 966 t時，假設有1對撐腳落在滑道上，撐腳支撐反力為R=713.5 t，則此時球鉸分擔的豎向力為6 986.85 t，撐腳面積A為1.005 m2，撐腳應力為σ=R/A=7.099 MPa，撐腳采用C50混凝土時，滿足要求。

(3)牽引力計算

①中心承重平衡轉體工況

根據力矩平衡條件，可得轉體所需牽引力T=M/D，其中

靜摩擦力矩:M0=2μ0Gr/3=1 026.7 t·m

動摩擦力矩:M1=2μ1Gr/3=616 t·m

式中G——轉體總重力，取7 700 t；

r——球鉸水平投影半徑，取2 m；

μ0——靜摩擦系數，取0.1；

μ1——動摩擦系數，取0.06；

D——牽索索鞍轉盤直徑，取12 m；

啟動牽引力為:T0=M0/D=85.56 t

轉動牽引力為:T1=M1/D=51.3 t

②偏載最不利轉體工況

靜摩擦力矩：

M0=μ0·F·Rc+2μ0·(G-F)·r/3=

1 252.6 t·m

動摩擦力矩：

M1=μ1·F·Rc+2μ1·(G-F)·r/3=

751.6 t·m

式中Rc——撐腳半徑，取4.5 m；

F——撐腳反力，取713.5 t；

其余參數取值同上。

啟動牽引力為:T0=M0/D=104.38 t

轉動牽引力為:T1=M1/D=62.63 t

從以上計算可知，即使出現偏心轉體現象，2臺ZLD200(張拉噸位200 t)千斤頂仍可滿足要求。

(4)牽引索計算

選用17-φ15.2鋼絞線作為牽引索，其標準強度：fytp=1 860 MPa，n=17，單根截面面積A=140 m2；鋼絞線錨下控制應力fk=0.75fytp=0.75×1 860=1 395 MPa。單束鋼絞線容許應力：[T]=n·A·fk=332.01 t，[T]>T0，滿足要求。

(5)曲線梁轉體結構平衡問題

轉體前應進行轉動體稱重試驗。上下盤之間安裝砂箱、千斤頂、位移計。拆除砂箱后，通過位移計觀察撐腳是否落地，即是否需設平衡重。對于直線梁可直接通過上述方法設計平衡配重。配重=N頂×e/(懸臂長度-配重距梁端的距離)。N頂由千斤頂得到，如圖5。

圖5 平衡配重示意

對于曲線梁，除微量的偏心可通過配重解決外，還需采用設置橫向預偏心的方法解決曲線橋梁面外不平衡彎矩。通過建立Midas有限元模型，求得在施工階段最大懸臂狀態下，橫橋向橋墩中心線相對球鉸中心線向曲線外側的偏移量D，72號橋墩偏移量D為0.2 m，73號橋墩偏移量D為0.5 m。設計球鉸中心與承臺中心重合(如圖6)。

圖6 主橋墩身及基礎構造(單位：cm)

(6)轉體下部結構設計步驟總結

①根據包括上轉盤在內的轉體重量G及C50混凝土參數計算球鉸平面直徑D1。

②綜合考慮，確定上轉盤直徑、滑道直徑。當平衡體轉動時假定仍可發生少量偏心，則應求得撐腳分擔的轉體重量及球鉸分擔的豎向力。

③進行牽引力計算，確定絞線牽引力千斤頂、助推千斤頂及反力架位置。

④據此，設計下承臺、樁基及整個轉臺構造。

⑤進行平衡設計。

⑥進行轉臺各項強度計算。

3 施工難點及應對措施

在連續彎梁梁體最大懸臂狀態下進行轉體施工，此時也是梁體在施工時承受彎、剪、扭最大的受力狀態。如何順利實現轉體結構“轉得動、轉得穩、轉得準”，是轉體施工[16-17]中的難點。

(1)轉動體系

轉動體系的核心是轉動球鉸，其制造精度控制如下：

①面光潔度不小于▽3；

②球面各處的曲率應相等，其曲率半徑之差±2 mm；

③邊緣各點的高程差不得大于1 mm；

④橢圓度不大于1.5 mm；

⑤鑲嵌的四氟板塊頂面應位于同一球面上，其誤差不大于0.2 mm；

⑥球鉸上下面形心軸、球鉸轉動中心軸應重合，其誤差不得大于1 mm；與上下球鉸焊接的鋼管中心軸應與轉動軸重合，其誤差不得大于1 mm，鋼管應鉛垂，傾斜度不得大于1‰。

球鉸的安裝要點如下：

①保持球鉸面不變形，保證球鉸面光潔度及橢圓度；

②球鉸范圍內混凝土振搗務必密實；

③防止混凝土漿或其它雜物進入球鉸摩擦面。

球鉸的安裝精度質量控制如下：

①球鉸安裝頂口務必水平，其頂面任兩點誤差不大于1 mm；

②球鉸轉動中心務必位于設計位置，其順橋向誤差±1 mm；橫橋向誤差±1 mm。

(2)轉體速度

①轉體角速度≤0.02 rad/min；

②主梁端部水平線速度≤1.0 m/min。

(3)防傾保險措施

①8組鋼管混凝土撐腳均布于上轉盤直徑為9.0 m的圓周上，撐腳下對應有不銹鋼滑道，滑道上鋪設4 mm厚的四氟板，轉體時保險撐腳可在滑道內滑動，以確保轉體結構的平穩。

②轉體前應對轉體結構體系進行稱重，根據稱重的結果在橋上施加配重，使轉體結構重心與球鉸中心位于同一豎直線上。

(4)試轉過程中的應急措施

①配重調整：

如果在轉體過程中出現梁段重量不平衡的現象，可根據監控量測結果，經理論推算后，根據配載方案調整轉體重量，使結構重心與轉軸中心重合。

②首次不能正常起動情況下的應急措施：

根據檢算，正常情況下千斤頂完全可以滿足轉體正常起動。若由于其他因素影響而導致首次千斤頂加載時不能正常起動，應檢查撐腳與滑道接觸處是否被雜物卡住，滑道在此處是否形成上坡。此時可利用千斤頂前、后頂同時起動，手動增加牽引力，使轉動體轉動。

(5)采取措施避免環境因素干擾

①在轉體過程中，上部結構覆蓋面范圍內不得有影響轉體正常進行的障礙物。

②提前獲取轉體當天的氣象信息，避免可能出現的大風對轉體工作的危害，并采用有效方案措施，當風速大于4級時，應停止轉體施工。

③進行必要的施工監測，確保轉體結構的安全。

4 結束語

(1)轉體施工法利用橋梁結構本身形成轉動體系，對于直接在設計橋梁軸線處施工條件受限的情況，可避免在運輸繁忙的既有鐵路干線上搭設支架，不干擾交通，有效地縮短了工期，帶來了良好的社會效益和經濟效益。

(2)橋梁轉體施工工藝的關鍵在于“轉得動、轉得穩、轉得準”。因此，轉臺工藝概念設計極其重要。

(3)小半徑連續彎梁可通過在橋墩橫橋向設置預偏心的方式解決曲線梁面外不平衡的問題。

(4)結合轉體施工時梁體彎、剪、扭最大受力狀態的力學分析，采取有效的施工控制應對措施，可為轉體施工的順利實施提供強有力的保障。

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