跨石太客專小半徑曲線鋼箱梁轉體施工技術

夏生祥

摘 要：太原市北中環澗河立交工程SE匝道，因受地形條件限制，采用小半徑鋼箱梁轉體的方式跨越石太客專鐵路。鋼箱梁在場外加工，在現場臨時支架上拼裝，拼裝完成后轉體施工。轉體橋曲線半徑小，橫向偏心較大，為確保轉體施工安全，需按照偏心設計稱重配重來平衡橋梁橫向扭轉力矩。本文重點對工程概況、鋼箱梁拼裝安全性檢算，轉體施工控制要點、平衡偏心的稱重配重方案等方面進行論述，供類似工程借鑒。

關鍵詞：小半徑;鋼箱梁;T構轉體

中圖分類號：U445.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）13-0100-03

1 工程概況

該工程為太原市北中環澗河互通立交橋工程。SE匝道橋為立交由南向東通行的匝道，道路上跨鐵路四股道，從西往東依次分別為石太鐵路下行線、石太客運專線上行線、石太客運專線下行線和石太鐵路上行線。石太上下行鐵路等級為國鐵Ⅰ級，石太客專鐵路為客運專線，四股道的線間距分別為5.32m、5.08m、5.31m。因上跨既有鐵路石太客專及石太線，為保證既有鐵路的行車安全，采用平面轉體法進行施工，轉體角度為逆時針旋轉97°。

SE匝道轉體橋主墩位于鐵路西側，下部結構主墩采用矩形墩，截面尺寸為4×5m，墩柱下接轉動系統、承臺，鉆孔灌注樁基礎，樁徑1.5m，5根，長度為65m。承臺基坑深約7m，采用鉆孔樁及旋噴樁進行全封閉防護，鉆孔樁樁徑1.2m，樁長15m，樁頂設冠梁;旋噴樁止水帷幕樁徑0.6m，間距0.4m，樁長14m，基坑內設置橫撐。防護樁距鐵路中心最小距離為9.7m。

主橋上部結構箱梁采用單箱雙室截面，轉體部分跨徑組合為42.5+42.496m，預留后拼裝段2.5m。T構鋼箱梁底線形按二次拋物線變化，中間支點處梁高4.5m，邊支點梁高1.8m。箱梁頂板寬10m，采用直腹板;箱梁頂板厚16mm;底板厚度為16mm～60mm;中、邊腹板厚度為12～20mm。邊腹板的高差形成橋面橫坡。

本橋位于半徑R=55m的曲線上，縱橋向坡度為2.4%，橫橋向為坡度為2%。由于橋梁存在橫向扭轉的力矩，為了平衡，轉體的中心與橋梁的結構中心設有1.7m的偏心，確保轉體時結構處于一個自平衡的狀態。此外為平衡扭轉力矩，上轉臺在外側加寬了1m作為配重。

2 施工難點

（1）曲線半徑小，受地形條件限制，SE匝道橋設計曲線半徑為R=55m，且為滿足鐵路限界要求，橋梁孔跨較大，梁部采用鋼箱梁。

（2）跨既有鐵路，需確保運營安全。橋梁跨越的石太客專和石太鐵路運營繁忙，需采取有效的措施盡可能做到對鐵路影響最小，確保施工及運營安全。

（3）鋼箱梁需進行現場拼裝。通過計算，鋼箱梁需在加工廠內分成18個小拼裝段，運輸到施工現場進行二次拼裝焊接成型，再進行分段吊裝。

（4）橋梁偏心較大，由于該橋位于曲線上，橋梁橫向存在扭轉的力矩，在實施轉體前必須對其不平衡扭轉力矩設置配重來平衡。

3 鋼箱梁拼裝安全性檢算

鋼箱梁支架的安全性設計，主要考慮鋼箱梁在拼裝過程中保證支架正常的強度和變形，每組支架鋼立柱下分別有一個獨立混凝土基礎。鋼立柱采用Φ630mm鋼管柱，每組臨時支架設置4根，縱向采用法蘭螺栓進行連接。柱間支撐采用直縫焊管，并用角鋼呈十字交叉狀加固。柱頂橫梁由兩根工字鋼拼接組成。根據安裝時的受力狀態，需進行承載力、剛度、穩定性的檢算。

3.1 建立計算模型

采用MIDAS程序進行空間仿真模擬，支架布置采用梁單元模擬，同時由于上部鋼箱梁曲線半徑小（R=55m）對上部結構也進行了計算，以求解傳遞給下部支架的反力;并驗證結構在未形成體系前不會出現側傾。下部支架計算時采取最不利的工況及最不利支架位置進行計算加載。上部鋼箱梁模型示意圖，見圖1。

3.2 支架承載力計算

上部構造計算鋼管樁反力最大651KN;

下部基礎2.3*2.3m矩形基礎自重為100KN，考慮荷載系數1.2;基礎底部的荷載為：651+100*1.2=771KN;

基礎底面積為2.3*2.3=5.29m2;

地基承載力為771/5.29=146KPa。

3.3 支架穩定性計算，支架受力檢算（圖2）

最小臨界荷載系數8.03大于規范規定的5.0。鋼管樁穩定性滿足規范要求。

4 施工控制要點

4.1 施工順序

場地平整—管線改移、防護—止水帷幕及護樁施工—主墩樁基施工—基坑開挖—下承臺施工—轉體系統安裝—上承臺施工—轉體主墩施工—鋼箱梁拼裝—試轉—轉體施工—承臺固封—后拼段施工。

4.2 施工控制要點

4.2.1 鋼箱梁拼裝

由于施工場地狹窄，拼裝時為保證各段連接質量及箱梁拼裝完畢后線型美觀，采用在加工廠分段加工，運輸到施工現場整拼分吊的方式進行拼裝及吊裝施工。拼裝順序為：A段整體→B段整體→C段整體，吊裝順序為：A-1→A-2→A-3，B-1→B-2，C-1→C-2，轉體后拼段。鋼梁分段平面示意見圖3。

（1）臨時支架制作。鋼箱梁拼裝時，設置臨時支架以確保鋼箱梁吊裝就位后的整體穩定性，并提供拼裝相應的作業平臺。臨時支架高度分別為1、2號支架為13.7m，3、5號支架為14.6m，4、6號支架為14.7m。支架管中心間距橫橋向4.6m，順橋向4m。支架結構形式見圖4。

（2）臨時支架安裝。鋼梁轉體前現場共需6組支架，其中橫橋向兩鋼管柱中心間距4.6m，順橋向中心間距4m，分別設置在A-2/B-1段、B-1/B-2段接口處、B-2段南端、A-3/C-1段、C-1/C-2段接口處、C-2段北端。待整橋轉體就位后，在兩個邊墩附近設置兩組支架（用已拆除的前6組支架）用來安裝兩個后吊段。由于場地限制，先安裝1、2號支架，然后安裝3、4號支架，最后安裝5、6號支架。

支架安裝時采用50T吊車吊裝，最重臨時支架為4、6號支架約15T，吊裝時最不利工況為2、3#支架吊裝就位，距鐵路回流線最近距離為6.9m，距鐵路最近距離為9.9m。吊裝前對地面平整夯實并硬化處理。吊裝支架時，吊車應避開易傾覆方向進行施工，并設置專人進行盯控防護，必須做到“一機一人”防護。保證鐵路行車安全。

（3）鋼箱梁吊裝。鋼箱梁在加工廠制作完成后，運送至施工現場拼裝成吊裝段，按確定的吊裝順序進行吊裝。將鋼箱梁分為7個吊裝段，采用2臺500T吊車進行吊裝。由于臨近既有鐵路，嚴格按照太原鐵路局批復的吊裝方案，并采取足夠的安全措施后進行施工。

4.2.2 轉動體系

轉體系統結構由轉體下盤、球鉸、上轉盤、轉動牽引系統組成。施工順序為：轉體下盤施工→滑道、球鉸安裝→撐腳、砂箱及轉臺施工→上轉盤施工、預埋牽引索。

鋼球鉸是轉體施工的轉動體系，是平轉法施工轉動體系的核心和關鍵結構，制作及安裝精度要求很高，必須精心制作，精心安裝。

4.2.3 轉體前稱重、配重

由于該橋位于曲線上，橋梁橫向存在扭轉的力矩，在實施轉體前必須對其不平衡扭轉力矩設置配重進行平衡，以確保鋼箱梁穩定安全進行轉體。

（1）建模計算不平衡彎矩。墩中心線到轉盤中心的距離為1.7m;上轉盤重4400kN，上轉盤中心線到轉盤中心的距離為0.5m。根據橋梁結構設計圖紙進行了建模計算分析，分別得出了橋轉盤中心位置處的不平衡彎矩值：M不平衡=1200kN·m;（向曲線內側）。橋梁MIDAS模型見圖5。

墩底內力：FN=13300kN，M1=26000kN·m（向曲線內側）

墩底豎向力產生的彎矩：

M2=FN·L=13300×1.7=22600kN·m（向曲線外側）

上轉盤產生的彎矩：M3=4400×0.5=2200kN·m（向曲線外側）

M不平衡=M1-M2-M3=1200kN·m

以上不平衡彎矩采用有限元模型理論計算，由于施工后受結構重量誤差以及轉盤球鉸摩阻力等多因素的影響，最終轉體前的實際不平衡扭矩需通過稱重試驗確定。

（2）配重設置方案。由于本橋位于小半徑曲線上，橋梁存在橫向扭轉力矩，且不平衡彎矩使得T構整體具有向曲線內側轉動的趨勢，為了平衡這一力矩所以在正式轉體前需進行配重。為獲得最大的配重效率，并考慮到安全因素，配重壓力設置在上轉盤配重臺。通過理論計算，需在配重臺4.8m2范圍內設置50kN/m2的均布力，共計24噸。

（3）轉體前的稱重試驗方案。稱重試驗采用“剛體位移突變”的方法進行測試。在轉盤內側頂起T構時，整個T構由于受結構不平衡扭矩作用將發生轉動的趨勢，通過位移測量裝置（百分表）來確定對應的起頂力，即確定出實際結構的不平衡力大小。

全部支架與梁體完全脫架后開始稱重;稱重前需對脫架前后的梁體變形和應力進行測量;根據上轉盤的結構設計尺寸及理論不平衡力的大小，確定稱重千斤頂設置在上轉盤的滑道位置處進行稱重，采用兩臺350t的千斤頂可滿足起頂要求。在起頂千斤頂處設置壓力傳感器，對實際頂升力的大小進行跟蹤測試。本試驗需壓力傳感器兩個（量程200t）。頂升過程嚴格按照分級加載進行，根據理論起頂力的20%開始，按照10%的級差加載直至T構發生轉動為止。

（4）轉體前配重。當主梁完成全部懸臂階段施工，相應部位橋面防撞護欄已施工完成，橋面荷載及雜物全部清理干凈;根據稱重試驗確定最終需要施加的配重量，完成配重塊的施加。由于梁結構的特殊性，因此配重由兩部分組成：第一部分橫向配重經理論計算后設置在墩臺上，另一部分是稱重后用預制好的混凝土配重塊在梁頂進行配重。

4.2.4 轉體施工

（1）轉體施工準備。 轉體前要拆除砂箱，進行清理滑道，在撐腳底與滑道頂的間隙中墊5mm厚四氟乙烯板，并涂抹黃油。轉體設備安裝就位并進行測試和空載試運行，安裝牽引索。全面檢查轉體結構各關鍵受力部位。

（2）試轉。正式轉體前，進行結構轉體試運轉，以確定牽引動力系統及轉體體系、位控體系、防傾保險體系等是否狀態良好。通過試轉主要取得以下數據：一是每分鐘轉速;二是每次點動后產生的水平弧線距離為精確定位提供依據;三是轉體角速度控制。本工程根據轉體橋和鐵路線的位置關系，為確保安全，確定試轉時的橫向轉動距離為8.8m，試轉角度為12°。

（3）正式轉體。轉體主要參數見表1。

轉體前要成立轉體的指揮體系統一指揮，按照太原鐵路局批準的封鎖點做好對營業線的現場防護。轉體中監控人員加強對設備系統進行觀察，保持勻速旋轉，每轉5°向指揮人員匯報一次，接近設計位置時，改為點動操作，確保精確就位。并立即鎖定上下轉盤，進行封盤混凝土澆筑施工，對轉體結構進行固封。

4.2.5 后拼段施工

轉體完成后，進行兩端2.5m的后拼段吊裝。后拼段支架在轉體前進行搭設安裝，T3邊墩處因場地限制采用三角形支架。由于支架距鐵路回流線較近，支架安裝時需將支架處前后20m范圍內回流線進行外包絕緣皮處理并向鐵路部門要封鎖點，在吊裝過程中嚴格“一機一人”的安全防護制度，保證行車安全。

本工程的順利實施表明，采用小半徑鋼箱梁T構轉體的方式可成功跨越既有的鐵路、公路。對鐵路或公路的運輸干擾小，安全可靠，為受各種條件限制的類似城市改造工程，提供經驗和借鑒。

參考文獻

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[2] 鄔曉光，編著.剛架橋[M].北京人民交通出版社，2001.

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