(72+128+72)m預應力混凝土連續梁平面轉動體系結構設計研究

王偉男

(石家莊鐵道大學土木工程學院，河北 石家莊 050043)

1 工程概況

京雄城際鐵路固安特大橋在DK54+894.5～DK55+168.5處(26～29#墩)采用(72+128+72) m連續梁跨越廊涿高速公路，公路與京雄鐵路交叉角度為45°，立交凈空要求為50 m×5.5 m(凈寬×凈高)。京雄鐵路設計標準為正線雙線，線間距為5 m,設計速度為350 km/h,設計活載為ZK活載,最大坡度6‰。為減少施工過程對公路通行、安全的影響，對該段 “樁基礎+圓端形實體橋墩+變截面單箱單室連續箱梁”結構按A0-A1-A3-A2的順序分節段在廊涿高速公路兩側支架現澆完成后，采用針對該橋研發的“下滑道連續牽引不平衡轉體法”工藝[1]，雙向并行逆時針轉體40°完成梁體合龍，總體布置如圖1所示。該工程特點和面臨的主要問題如下：

(1)為節約工期，采用邊跨合龍后再進行平面轉體，就位后安裝主墩支座，澆筑中跨合龍段，完成全橋連續梁結構。

(2)主跨跨越廊涿高速公路，臨近北京，車流量大，交通管制難度大，施工過程安全風險高。

(3)本段地層為第四系全新統人工堆積層(Q4ml)、第四系全新統沖積層(Q4al)和上更新統沖積層(Q3al)，以黏土、粉質黏土、粉土、粉砂、細砂為主，承載能力差。

圖1 總體布置

轉體總重為82 000 kN，必須選擇合適的轉體方案以保證施工質量、安全和進度。

2 轉體方案

轉體梁段長度長、重量大、平衡重量，其梁段支撐集中荷載達7 000 kN，不適用平衡配重轉體方案[2]。既有的不平衡轉體方案多采用上環道墩頂轉體方式，利用預埋在上環道上的一系列千斤頂反力座，分多次將轉體梁沿環道頂推就位。但當轉體走行距離較長時，上環道施工工序復雜、工期長、成本高，且轉體過程中操作繁瑣，轉體時間過長,有必要研發新的轉體方式以適應項目實際，提出了新的平面轉體系統——下滑道連續牽引不平衡轉體體系[3]。

下滑道連續牽引轉體系統設置在臨時支點處，連續牽引轉體系統由臨時支撐、導向系統、下滑道和連續牽引系統組成。在距梁端支承中心線3.828 m處設置2根外徑1.6 m的鋼管柱作為臨時支撐，其內部灌注混凝土，頂端采用?32 mm精軋螺紋鋼與梁體固結，臨時支撐柱底焊接走行板、安設四氟乙烯板，支撐于下滑道頂面；滑道由CFG樁基、扇形滑道、牽引反力座及導向裝置組成；牽引動力由200 t連續牽引千斤頂、液壓泵站、主控臺及高壓油管組成。CFG樁基及扇形滑道布置如圖2所示，轉體系統各結構布置如圖3所示。

圖2 滑道平面布置(單位：mm)

圖3 牽引體系三維效果圖

轉體的基本原理是利用設置的鋼管混凝土臨時支撐和橋墩墩頂的球鉸構成的支撐體系待轉體梁段，通過牽引系統牽引臨時支撐帶動梁體在導向系統的引導下，沿滑道繞墩頂球鉸轉動，從而使梁體轉動到位。采用下滑道連續牽引不平衡轉體法有以下優點：

(1)實現了連續牽引，避免了上環道頂推轉體時反復啟動停止對結構造成傷害的風險；節省了轉體作業時間，減少了轉體施工中橋下高速公路交通管控難度。

(2)實現了滑道施工和應用的地面作業，簡化了施工工藝，改善了作業環境，在降低作業風險的同時，節省了工程造價。

(3)取消了上滑道梁結構的施工，降低了建設成本，壓縮了建設工期。

為使轉體梁沿滑道平穩移動，牽引點應設置在臨時支撐上下兩端摩擦力的合力處，以保證轉體過程中臨時支撐的穩定及走板與滑道接觸應力均勻分布。

3 結構設計

3.1 球鉸

本橋轉動體系采用鑄鋼球鉸，分上下兩片；球體半徑分別為6 007 mm和7 008 mm，球面直徑為2 800 mm。設計豎向承載力為82 000 kN。轉體球鉸由上球鉸、PTFE滑塊、下球鉸、銷軸等部件組成。上球鉸為頂平下凸的球冠狀體，頂面?3 040 mm；上球鉸與梁底用螺栓連接，隨轉動體一起旋轉。下球鉸為底平上凹的球體，下球鉸的上凹面沿環形刻有890個?60 mm、深10 mm的嵌槽，用以嵌放PTFE滑塊；銷軸為?450 mm的鑄鋼柱。

利用ANSYS Workbench軟件建模，對球鉸應力分布進行有限元分析。模型由27 301個節點和5 484個單元組成，單元采用SOLID186，接觸采用CONTA174。由有限元模型分析得到球鉸最大應力出現在上球鉸底面最外側邊緣，為14.99 MPa，滿足Q345鋼材料要求。

3.2 臨時支撐

沿滑道方向布設2根?1.6 m、壁厚2 cm、間距5.4 m的鋼管混凝土臨時支撐，采用?32 mm精軋螺紋鋼與預應力混凝土梁段底部剛性連接，在鋼管頂部梁內布設?16 mm鋼筋網片對混凝土局部進行加強。鋼管混凝土柱間采用I40C工字鋼進行橫向連接，在立柱下部設置兩排[20b槽鋼作為牽引鋼絞線錨頭的錨固點，錨點中心離滑道頂面1.5 m，如圖4所示。

圖4 臨時支撐與CGF樁(單位：mm)

用Midas Civil軟件建立梁單元模型，結構由18個節點、28個梁單元組成。對臨時支撐進行有限元分析，模擬其變形和應力，結果如圖5、圖6所示。

圖5 臨時結構變形 圖6 臨時支撐應力

由圖5可以得到臨時支撐在牽引時最大變形為2.12 mm。由圖6得出臨時支撐與梁接觸截面最大壓應力為9.7 MPa，聯結系工字鋼受到的最大拉應力為33.3 MPa，所以要在接觸處埋置鋼筋以保證結構安全。

3.3 環形滑道及地基

在26#、29#邊墩側施工滑道梁CFG樁基礎，CFG樁呈扇形布設3排，樁徑0.5 m，樁長17 m，間距1.5 m。基礎完成后，預留10 cm樁頭嵌入滑道梁內。基礎上設置滑道梁，滑道梁為鋼筋混凝土。滑道梁內設置滑道支架，用以確保滑道鋼板平整。正式轉體時需清理滑道，在滑道板與臨時支撐走板間放置厚1 cm聚四氟乙烯，并在PTFE板與滑道板間涂抹黃油以減少阻力。

3.3.1 滑道承載力計算

CFG樁沿滑道平均間距為1.5 m，在滑道橫向間距也是1.5 m，2根臨時支撐中心間距5.4 m。將CFG樁和粉土共同作用考慮為平均比例系數m= 30 000 kPa/m2的彈性地基，利用Midas Civil 2019建立板單元模型，對滑道和地基承重狀態進行分析。模型由196個節點、152個單元構成。計算可知滑道上最大壓應力為0.3 MPa，C30混凝土的抗壓強度滿足要求。

3.3.2 彈性地基承載力計算

由計算可知最大位移為1.1 mm，由彈性地基梁理論可得到地基承受的最大應力σ=C·Δ=45 000 kPa/m×1.1×10-3m=49.5 kPa<72.4 kPa，滿足要求。其中，C為豎向地基系數；Δ為土豎向壓縮量。

3.4 導向系統

為確保轉體過程中牽引線的位置，沿滑道內側設置8根?400 mm鋼管混凝土立柱并利用工字鋼撐增強其抗傾覆性，通過在每根鋼管混凝土立柱間焊接?10 mm鋼板來增強整體性，每根立柱后斜撐I40c工字鋼與預埋的I20b工字鋼相連，如圖7所示。

圖7 導向立柱截面示意(單位：mm)

利用Midas Civil軟件建立模型，對其強度進行分析，結果如圖8所示。?400 mm鋼管處拉應力最大，為7.25 MPa；I40c處壓應力最大，為13.1 MPa，Q345鋼材滿足要求。

圖8 導向立柱最大應力(單位：MPa)

3.5 牽引系統

在該預應力混凝土連續梁轉體過程中，需克服主墩墩頂球鉸及臨時支撐滑道摩阻力，所以牽引力由此兩部分組成。

3.5.1 球鉸摩阻力計算

轉體時球鉸承受重力為W=76 507 kN，球鉸啟動時靜摩擦系數μ1=0.1，轉動時動摩擦系數μ2=0.06，因此，F靜=W×μ1=76 507 kN×0.1=7 651 kN，F動=W×μ2=76 507 kN×0.06=4 590 kN。

3.5.2 臨時支撐與滑道摩阻力計算

轉體時，臨時支撐處反力為F′= 5 270 kN，臨時支撐自重為W′= 1 456 kN，所以克服臨時支撐與滑道摩阻力需要的牽引力T2=(F′+W′)×μ，有T2,靜=(F′+W′)×μ靜=(5 270 kN+1 456 kN)×0.1=673 kN，T2,動=(F′+W′)×μ動=(5 270 kN+1 456 kN)×0.06=447 kN

平轉牽引力T=T1+T2。所以計算啟動時所需最大牽引力766.6 kN,計算轉動時所需牽引力503.1 kN。

轉體牽引設備應按最大牽引力的兩倍配置，所以選用兩組液壓、同步、自動連續千斤頂，每套提供牽引力2 000 kN。

3.5.3 牽引點的計算

4 結束語

針對該橋研發的下滑道連續牽引墩頂轉體系統為預應力混凝土連續梁平面轉體首次采用，該設計解決了以下問題：

(1)通過精確計算得到的牽引點位置，有效降低了臨時支撐與梁體固結處的應力水平，保證了牽引轉體過程的穩定與安全。

(2)本橋使用的球鉸尺寸較常規小，但由于采用實體鑄鋼數控機床整體加工而成，提高了加工精度，更重要的是消除了承載力風險。

(3)通過設置導向立柱，分擔徑向壓力，實現了連續牽引，保證了結構的安全性，確保了臨時支撐平穩移動。

2019年5月25日凌晨，項目順利完成轉體施工，僅用約7 h完成了上環道法需幾天完成的工作量，平均走行速度0.15 m/min。大大簡化了施工過程，具有建設成本低、施工工藝簡單、轉體過程控制簡單、就位精度高、安全風險小等優點，為連續梁的平面轉體提供了一種新的解決方案。