新寧高速公路上跨京滬鐵路(64+64)m轉體T構橋設計

趙大勇

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070)

跨線橋梁常用的施工方法有頂推法、懸臂澆筑、預制拼裝、水平轉體等。水平轉體施工法能較好地克服高山峽谷、水深流急等困難，尤其在修建跨越運輸繁忙的城市道路和鐵路線的立交橋時，其優勢更加明顯。在國內，跨線橋的轉體法施工已有較多應用；寧衛強[1]等結合興郭路上跨蘇嘉杭高速公路工程，對跨徑布置為(55+85+55) m預應力混凝土連續箱梁轉體橋的設計與施工要點進行了介紹；李青山[2]以中寧縣石堿公路上跨包蘭鐵路工程為背景，對(2×55) m平面轉體預應力混凝土T構橋的設計要點進行了說明；王樹旺[3]對宿淮鐵路跨京滬鐵路(2×56) m轉體T型剛構橋轉體的應力、偏心、下轉盤、球鉸和上轉盤的關鍵技術進行研究，初步總結了轉體結構設計的計算項目與方法。以往對轉體橋的研究取得了一定的成果，但是缺少對轉體橋設計及施工要點的系統性總結，特別是對轉體系統的研究較少。

以新寧高速公路上跨京滬鐵路立交橋(64+64) m預應力混凝土轉體T構橋為例，詳細介紹轉體橋上、下部結構設計計算要點，特別是轉體系統的設計，總結了轉體結構設計的計算項目和檢算方法，以期為同類型的橋梁設計工作提供參考。

1 工程概述

新寧高速是山東省“九縱五橫一環七連”高速公路網中“橫四線”的一部分，道路全長59.8 km(全部為新建)，全線設計速度為120 km/h，雙向四車道，路基寬度為27 m。擬建上跨橋在山東省泰安市寧陽縣興隆村與京滬鐵路交叉，交叉處對應的鐵路里程為京滬鐵路下行線K599+644，線路中心線與鐵路中心線交角為64.5°。

擬建上跨橋位于京滬鐵路南驛-歇馬亭站區間，為電氣化區段，共二股線路，線間距12 m，由東向西依次為京滬鐵路下行線、京滬鐵路上行線。上跨處鐵路位于半徑為1 000 m的圓曲線上，路基結構為土質路基。軌面高程：上行線為127.81 m、下行線為127.95 m。鐵路兩側有電氣化立柱，地下有電纜、光纜等設備(見圖1)。

圖1 線路平面示意

2 橋型方案研究

京滬鐵路為國家干線鐵路，運輸較繁忙，擬建上跨橋區段運營列車對數為130對，其中客車67對，貨車60對。為減小上跨橋施工對京滬鐵路既有設備及運營的影響，采用預應力混凝土T構一跨通過，轉體施工。根據跨越京滬鐵路的橋梁跨徑以及施工方法，在工可階段，對兩種橋型方案進行比選：(64+64) m預應力混凝土轉體T構(整幅轉體法施工)、(60+60) m預應力混凝土轉體T構(分幅轉體法施工)，綜合考慮安全適用、經濟合理等要求，最終確定采用(64+64) m預應力混凝土轉體T構、整幅轉體法施工方案。

3 上部結構設計

3.1 結構形式

(1)橋跨布置

主橋為(64+64) m預應力混凝土T構，梁長127.84 m，梁端距分孔線0.08 m，支座中心距梁端0.7 m(見圖2、圖3)。

圖2 主橋立面布置(單位：cm)

圖3 主橋平面布置(單位：cm)

(2)橋面寬度

在引橋標準斷面的基礎上兩側各加寬2.1 m，即橋面寬度為30.7 m(見圖4)，斷面布置為：0.5 m(SS級防撞護欄)+1.5 m(緩沖帶)+0.6 m(SX級防撞護欄)+11.75 m(車行道)+0.5 m(SS防撞護欄)+1.0 m(中分帶)+0.5 m(SS級防撞護欄)+11.75 m(車行道)+0.6 m(SX級防撞護欄)+1.5 m(緩沖帶)+0.5 m(SS防撞護欄)=30.7 m。

圖4 橋面布置(單位：cm)

3.2 梁體構造

主橋上部結構為大懸臂單箱三室等斜率斜腹板箱形截面，道路中心線處中支點梁高6.0 m，邊支點梁高2.8 m，梁底曲線按二次拋物線變化，端部直線段長6.92 m。整幅橋面寬30.7 m，底板寬21.688～20.089 m；兩端懸臂板長度均為4 m，端部厚20 cm，根部厚55 cm；箱梁頂板厚30 cm，中墩頂增至55 cm；底板厚度為30～110 cm，腹板厚60～80～100 cm；中支點處墩梁固結，對應墩身處設置兩道橫隔板，板厚為100 cm，邊支點處端橫梁厚150 cm；梁體頂板傾斜，形成2%的橫坡，底板呈水平(如圖5、圖6所示)。

圖5 邊支點截面(單位：cm)

3.3 梁體分段

主橋采用大節段現澆施工工藝，全梁共分7個梁段，中支點處1#(1′#)節段長24 m，后依次澆筑2#(2′#)節段24 m、3#(3′#)節段24 m。主梁轉體就位后澆筑梁端4#(4′#) 3.92 m。

箱梁為縱、橫、豎三向預應力體系，縱向預應力鋼束為19-φs15.2、15-φs15.2及12-φs15.2鋼絞線，15-19、15-15及12-15型群錨體系。預應力鋼束的布置應盡量靠近腹板；橫向預應力鋼束為4-φs15.2，BM15-4型群錨體系，間距50 cm，單端交錯張拉；豎向預應力鋼束為JL785螺紋鋼筋，梁頂開槽張拉，間距50 cm，腹板兩側為梅花形布置。端橫梁預應力鋼束為12-φs15.2鋼絞線，M15-12錨具，兩端張拉；中橫梁處預應力鋼束為15-φs15.2、3-φs15.2鋼絞線，M15-15、BM15-3和BM15-3P型錨具。其中，15-φs15.2鋼束采用兩端張拉，其他為單端交錯張拉(見圖7)。

圖6 中支點截面(單位：cm)

圖7 主梁施工節段(單位：cm)

3.4 結構分析

(1)計算參數

①恒載：一期恒載按結構自重計入(含預應力)；二期恒載按護欄82.1 kN/m，鋪裝荷載為10 cm(混凝土)+10 cm(瀝青混凝土)。

②汽車荷載：設計荷載為公路—Ⅰ級的1.3倍，腹板內力不均勻系數取1.2，結構豎彎基頻為2.14 Hz，汽車荷載沖擊系數為0.12。

③溫度荷載：結構整體溫差按±30 ℃，梯度溫差按照《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)[4]取值。

④不均勻沉降：支座不均勻沉降取10 mm。

⑤收縮徐變：按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62—2018)[5]計算。

⑥風荷載：成橋階段按100年一遇風速計算，施工階段按20年一遇風速計算。參考《公路橋梁抗風設計規范》(JTG/T 3360—01—2018)[6]中全國各氣象臺站基本風速值表中本地區取值。

⑦制動力：制動力按單向行駛3車道計算。

⑧地震作用：抗震設防烈度為7度，橋梁抗震設防類別為A類，抗震措施按8度設防；基本地震加速度為0.10g。

⑨荷載組合：按照《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)中的有關要求進行組合[4]。

(2) 計算原則

縱向平面計算：按施工步驟劃分施工階段，對結構施工及成橋階段的強度和應力進行分析[7]。主梁按照全預應力混凝土構件進行設計。

箱梁橫向計算：取縱橋向單位長度箱梁并在橫向簡化等效為框架，支點在兩腹板下，按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62—2018)[5]計算橋面板有效分布寬度，換算為單位長度集中力作用于橫向框架上；溫度荷載按規范規定取值。

(3) 結構計算

采用橋博4.0有限元程序對單梁進行施工及成橋階段計算，并用Midas Civil進行復核。根據施工方法，劃分為支架現澆箱梁節段、張拉相應節段預應力鋼束、稱重、配重、轉體施工、澆筑邊跨后澆段、張拉后澆段預應力鋼束、施工橋面附屬設施及鋪裝、收縮徐變等12個施工階段。根據不同施工階段，激活相應單元，施加該階段荷載并張拉預應力鋼束(見圖8)[8]。

圖8 計算幾何模型

對各階段施工荷載、恒載、車道荷載、整體升降溫、溫度梯度、支座不均勻沉降等荷載效應進行組合，結果表明：極限狀態下，結構整體受力性能滿足規范要求；由極限狀態下箱梁正截面抗裂性驗算結果可知，箱梁全截面受壓，滿足全預應力混凝土構件設計的相關要求。

4 下部結構設計

4.1 墩身及基礎

中墩為墩梁固結箱形截面，墩身縱橫向尺寸為11 m×6 m，墩壁厚1 m。主墩采用16根φ1.8 m鉆孔灌注樁基礎，按嵌巖樁設計。承臺分上下兩層，上承臺兼做轉體支座的上轉盤，高3.9 m，下承臺順橋向尺寸為17.25 m，橫橋向尺寸為17.25 m，高3.0 m，上承臺(上轉盤)為三向預應力體系，轉體施工完畢后，用C50微膨脹混凝土封閉轉體支座。交接墩為柱式墩，墩頂設L形帽梁。承臺為‘工’字形，樁基為8根φ1.8 m的鉆孔樁，按嵌巖樁設計。

4.2 轉體結構設計

根據橋位所處地理條件，經對比分析，采用球鉸轉體施工。轉體結構由下轉盤、球鉸、上轉盤、轉體牽引系統等組成[9-14]。128 500 kN的轉體結構重量通過上承臺傳遞給球鉸，再由球鉸傳遞給下轉盤。轉體結構立面、平面布置見圖9、圖10。

圖9 轉體結構立面布置(單位：cm)

圖10 轉體結構平面布置(單位：cm)

(1)轉體下轉盤

下轉盤順橋向尺寸為17.25 m，橫橋向尺寸為17.25 m，高3.0 m，是支承全部重量的基礎。轉體施工完成后，采用C50微膨脹混凝土封鉸，與上轉盤形成整體基礎。下轉盤上埋設有球鉸支座的下球鉸，直徑7.8 m、寬1.3 m的環形鋼板下滑道及沿滑道圓周對稱布置8組千斤頂反力座。千斤頂反力座是安全儲備措施，用于啟動力不足或超轉時的矯正。

(2)球鉸

轉體球鉸由上球鉸、下球鉸、圓柱形聚四氟乙烯滑塊、定位中心轉軸四部分組成。球鉸直徑為4.0 m，中心轉盤球面半徑為7.992 m，上轉盤球缺高0.461 m，下轉盤球缺高0.254 m。中心轉軸直徑為27 cm。轉體球鉸上面板通過球缺和圓柱與上轉盤的轉臺連接；下面板通過定位型鋼骨架固定并嵌入下轉盤頂面；上球面板與下球面板之間鑲嵌1101塊聚四氟乙烯滑塊。

(3)轉體上轉盤

上轉盤平面縱向長12 m，橫向寬12 m，厚2.0 m，采用三向預應力體系；轉臺直徑為8.9 m，高1.0 m，其上纏繞19-φs15.2 mm鋼絞線。轉體完畢后，上下轉盤間的轉臺及球鉸用C50微膨脹混凝土封閉。沿轉臺外側圓周均勻對稱布置8組撐腳，每組撐腳由2個φ800×24 mm、高1.8 m的鋼管組成，管內灌注C55微膨脹混凝土，下設30 mm厚鋼板。

(4)轉體牽引系統

轉體系統由張拉千斤頂、液壓系統、張拉控制系統、鋼絞線、多臺輔助千斤頂等組成，張拉千斤頂通過牽引反力座拉拽纏繞于轉臺上的19-φs15.2 mm鋼絞線，使得轉體結構轉動。

(5)轉體牽引力計算

球鉸轉動摩擦力矩

(1)

式中R——球鉸半徑/m，取2 m；

W——轉體重量/kN，取128 500 kN；

μ——球鉸摩擦系數，μ靜=0.1，μ動=0.06。

計算最小牽引力

(2)

式中N——轉體時支撐腿最大支撐力/kN，取2 000 kN[15]；

D——轉臺直徑/m，取8.9 m；

R1——支撐腿半徑/m，取3.9 m。

計算結果

啟動時：M靜=17 150 kN·m

轉動時：M動=10 280 kN·m

啟動時所需要最大牽引力：T=2 015 kN

轉動時所需要最大牽引力：T=1 210 kN

(6)轉體施工技術參數

在京滬鐵路東側現澆至(60+60) m最大懸臂T構狀態后，用千斤頂對梁體進行稱重，測試轉動體的不平衡力矩、偏心矩、摩阻力矩及靜摩擦系數，確定橋梁轉體的平衡配重。以0.015 rad/min的角速度順時針轉體63.7°就位，轉體重量約128 500 kN，轉體時間為75 min，預留4 m后澆段，待轉體就位后搭設支架現澆。選用兩套QYD3500S-200型連續張拉千斤頂系統進行轉體。轉體施工參數如下。轉體總需時間：75 min；轉體重力：128 500 kN；轉臺直徑：8.9 m；千斤頂動力：3 500 kN；啟動牽引力：2 015 kN；動力儲備系數：3.47；牽引鋼鉸線數：19根；牽引力：4 945 kN；牽引索安全系數：2.46；梁端所過弧線長：71.15 m；梁端線速度：94.9 cm/min；轉體角速度：0.85°/min；轉盤走過弧線長：4.95 m；拉索速度：6.6 cm/min。

5 結束語

上跨鐵路立交橋設計過程中，應結合場地條件選擇合理的橋梁結構類型及施工方法，除滿足受力性能外，還應滿足鐵路建筑限界、線路既有設備安全、路基邊坡穩定等要求。此外，還需考慮跨線橋施工對既有鐵路運營的影響。