某跨鐵路轉(zhuǎn)體斜拉橋設(shè)計(jì)研究

華 波 劉 鑰 董高潮 李 洋 李方濤

(1.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司 蘭州 730030； 2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430063)

1 工程概況

跨廬山站立交工程位于江西省九江市發(fā)展大道與鐵路走廊帶相交位置，是九江市新建快速路系統(tǒng)工程的重要節(jié)點(diǎn)工程。橋位距離廬山站以南約1.1 km，在鐵路走廊帶185 m范圍內(nèi)依次穿越14股現(xiàn)狀、規(guī)劃預(yù)留線(xiàn)。

前期針對(duì)主橋共提出了99 m+244 m+110 m雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋、68 m+102 m+225 m單塔雙索面鋼箱梁斜拉橋、115 m+115 m單塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋、218 m等高度鋼系桿拱橋4個(gè)橋型方案。2013年7月中國(guó)鐵路總公司運(yùn)輸局《關(guān)于穿(跨)越高速鐵路營(yíng)業(yè)線(xiàn)和鄰近工程等方案審查有關(guān)問(wèn)題的通知》(運(yùn)工橋隧函[2013]316號(hào))規(guī)定：“當(dāng)確須采用上跨鐵路方案時(shí)，應(yīng)采用上跨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體施工”[1]。為保證施工期間鐵路的運(yùn)營(yíng)安全，盡量減少施工及后期橋梁維修對(duì)鐵路的干擾，經(jīng)專(zhuān)家評(píng)審和鐵路、規(guī)劃等相關(guān)部門(mén)討論后，選用雙塔預(yù)應(yīng)力混凝土梁結(jié)構(gòu)，并采用平面轉(zhuǎn)體施工法進(jìn)行施工[2-3]。主橋采用雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，孔跨布置為99 m+244 m+110 m=543 m，子、母塔轉(zhuǎn)體質(zhì)量分別為3.1萬(wàn)t和3.4萬(wàn)t[4]。橋梁總體布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 橋梁總體布置圖(單位：m)

2 結(jié)構(gòu)體系比選

在混凝土斜拉橋中，根據(jù)塔柱、主梁和橋墩三者固結(jié)方式的不同，可以組成4種不同的結(jié)構(gòu)體系，即漂浮體系、支承體系、塔梁固結(jié)體系和剛構(gòu)體系[5]。

考慮到本橋上跨鐵路走廊帶，跨徑較大，若采用塔、梁固結(jié)體系，本橋豎向荷載較大，則需要設(shè)置大噸位的支座，以支承上部結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)期間產(chǎn)生的巨大支反力，支座噸位難以滿(mǎn)足目前的制造工藝要求，且后期無(wú)法更換，故本橋設(shè)計(jì)不采用適用于小跨徑斜拉橋的塔梁固結(jié)體系。

考慮到橋址處地震基本烈度為VI度，設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度峰值為0.05g，抗震計(jì)算不控制設(shè)計(jì)，而本橋?qū)儆谥械瓤缍刃崩瓨颍\(yùn)營(yíng)工況控制結(jié)構(gòu)計(jì)算，故本橋設(shè)計(jì)不采用適用于超大跨度斜拉橋的漂浮體系。

考慮到本橋下塔墩高度約20 m，此高度區(qū)間正處于支撐體系與剛構(gòu)體系的交界點(diǎn)。若采用支撐體系，則主梁內(nèi)力在塔頂支承處出現(xiàn)一定的負(fù)彎矩峰值，制動(dòng)力、溫度和收縮徐變時(shí)產(chǎn)生較大的水平力，需要能夠承受巨大水平力的特殊支座或其它構(gòu)造措施。對(duì)本橋而言，主梁采用支架澆筑后轉(zhuǎn)體施工，轉(zhuǎn)體期間需臨時(shí)固結(jié)塔、梁、墩，在剛構(gòu)體系無(wú)法實(shí)現(xiàn)的情況下可考慮支撐體系。

剛構(gòu)體系的特點(diǎn)是塔、墩、梁固結(jié)，其優(yōu)點(diǎn)是避免大型支座，轉(zhuǎn)體施工時(shí)減少了主梁與索塔臨時(shí)鎖定構(gòu)造，而且結(jié)構(gòu)的整體剛度很大，使得主梁、塔柱的撓度均較小；但溫度和收縮徐變內(nèi)力較大，且在主梁、塔、墩固結(jié)處負(fù)彎矩較大。由于本橋采用超大噸位轉(zhuǎn)體施工，并存在臨近既有鐵路的深基坑，因此在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)受力要求的前提下，從施工的便利性、后期維護(hù)等因素出發(fā)優(yōu)先選擇剛構(gòu)體系。

2.1 下塔墩結(jié)構(gòu)形式及尺寸確定

采用剛構(gòu)體系的斜拉橋橋墩通常采用雙薄壁和空心墩截面形式。下文就此2種截面進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力性能對(duì)比，下塔墩2種截面結(jié)構(gòu)尺寸布置見(jiàn)圖2。雙薄壁墩和空心墩內(nèi)力比較見(jiàn)表1。

圖2 下塔墩2種截面結(jié)構(gòu)尺寸布置圖(單位：m)

表1 雙薄壁墩和空心墩內(nèi)力比較表

由表1可見(jiàn)，采用空心墩截面的內(nèi)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雙肢薄壁墩截面。經(jīng)分析，剛構(gòu)體系對(duì)溫度和收縮徐變效應(yīng)比較敏感，空心墩的剛度比雙肢薄壁墩大，結(jié)構(gòu)彎矩在溫度和收縮徐變下的彎矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雙肢薄壁墩。而雙肢薄壁柔性墩，抗推剛度較小，在一定程度上能夠隨著溫度的變化而伸縮。有效降低溫度、混凝土徐變等引起的次內(nèi)力，從而減小墩身彎矩。雙薄壁截面形式結(jié)構(gòu)內(nèi)力較小，下部結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)和承臺(tái)具有較好的經(jīng)濟(jì)性，故推薦采用雙薄壁實(shí)心墩。

2.2 雙薄壁墩設(shè)計(jì)參數(shù)分析

本次設(shè)計(jì)研究了在墩寬(16 m)一定的情況下，雙薄壁采用不同厚度S對(duì)下塔墩關(guān)鍵截面內(nèi)力的影響，雙薄壁墩墩身厚度變化對(duì)墩底內(nèi)力的影響見(jiàn)表2。

表2 雙薄壁墩墩身厚度變化對(duì)墩底內(nèi)力的影響

注：表中的比值均為與塔柱壁厚1.0 m的內(nèi)力比值，彎矩值僅考慮關(guān)鍵因素即恒載和溫度對(duì)墩底內(nèi)力的影響。

由表2可知，薄壁敦厚度S變化對(duì)雙肢墩底內(nèi)力影響很大，特別是墩底彎矩隨S的增加而急劇增大，當(dāng)S從1 m增至2 m時(shí)，邊跨側(cè)和中跨側(cè)肢墩的墩底彎矩增大約5倍。在結(jié)構(gòu)作用下，雙肢墩底均產(chǎn)生向中跨方向彎曲的彎矩，故邊跨側(cè)肢墩的墩底軸力隨著S的增大而逐漸減小，比值變化范圍為由1減至0.93，而中跨側(cè)肢墩的墩底軸力隨著S的增大而逐漸增大，比值變化范圍為由1增至1.3。

從表2中可以看出軸力變化在S為1.1～1.2 m間出現(xiàn)拐點(diǎn)，當(dāng)S從1 m增大至1.1 m時(shí)，中跨一側(cè)肢墩的墩底軸力大于邊跨一側(cè)的肢墩；當(dāng)S從1.2 m增大至2.0 m時(shí)，中跨一側(cè)肢墩的墩底軸力小于邊跨一側(cè)的肢墩。故取塔柱壁厚S為1.2 m，此時(shí)邊跨側(cè)與中跨側(cè)的軸力和彎矩值基本相等。

綜上所述，下塔墩選用雙肢薄壁墩截面，壁厚S=1.2 m，結(jié)合塔柱的縱向尺寸9.0 m，雙肢間距為7.8 m。

3 BIM技術(shù)應(yīng)用

跨廬山站立交工程主橋初步設(shè)計(jì)采用BIM正向設(shè)計(jì)，為國(guó)內(nèi)第一座采用BIM正向設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)體斜拉橋。

根據(jù)《中國(guó)市政工程設(shè)計(jì)行業(yè)BIM指南》，本橋初設(shè)BIM模型滿(mǎn)足橋梁工程模型幾何表達(dá)精度等級(jí)G2級(jí)要求；滿(mǎn)足信息深度等級(jí)N2級(jí)要求；滿(mǎn)足模型精細(xì)度交付等級(jí)L2級(jí)。橋梁總體布置BIM圖見(jiàn)圖3。

圖3 橋梁總體布置BIM圖

3.1 主梁結(jié)構(gòu)

主梁采用單箱三室大懸臂預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，采用C55混凝土，中心梁高為3.5 m，頂寬42.0 m，設(shè)1.5%雙向橫坡。底寬16.0 m，邊箱箱室寬12.0 m，中箱箱室寬5.0 m，懸臂4.5 m，端部厚20 cm，根部厚70 cm，中腹板厚度0.5 m。中(邊)跨標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段主梁頂板厚28 cm，底板厚28(32) cm，中腹板厚50 cm，斜腹板厚28(32) cm。主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面布置BIM圖見(jiàn)圖4。

圖4 主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面布置BIM圖

為防止主梁在施工中出現(xiàn)裂縫，主梁斷面在頂、底板中均勻配置施工縱向預(yù)應(yīng)力束，邊跨與中跨合龍?zhí)幣渲庙敗⒌装搴淆堫A(yù)應(yīng)力束，施工預(yù)應(yīng)力鋼束布置BIM圖及邊、中跨合龍預(yù)應(yīng)力鋼束布置BIM圖見(jiàn)圖5～圖7。為減小后期收縮徐變產(chǎn)生的次內(nèi)力，中跨合龍前可以先張拉一批預(yù)應(yīng)力鋼束。

圖5 施工預(yù)應(yīng)力鋼束布置BIM圖

圖6 邊跨合龍預(yù)應(yīng)力鋼束布置BIM圖

圖7 中跨合龍預(yù)應(yīng)力鋼束布置BIM圖

為平衡主跨與邊跨不平衡恒載及活載在此產(chǎn)生的負(fù)反力，在臨近端橫梁的邊跨密索區(qū)邊箱室內(nèi)設(shè)置鐵沙混凝土進(jìn)行壓重，另將2.0 m厚的端橫梁設(shè)計(jì)成梯形實(shí)體段。

3.2 斜拉索及錨固構(gòu)造

斜拉索采用扇形索面布置，斜拉索安裝時(shí)在塔端張拉，主梁端錨固。斜拉索梁上索間距邊跨側(cè)為6.0 m、梁端加密索間距至3.0 m、中跨側(cè)為6.0 m。斜拉索采用7絲Фs15.2熱鍍鋅鋼絞線(xiàn)(fpk=1 860 MPa)。斜拉索采用定型產(chǎn)品，規(guī)格分別為：250A-55，250A-61，250A-73，250A-85，250A-91和250A-109。

3.3 橋塔結(jié)構(gòu)

本涉鐵工程采用不對(duì)稱(chēng)孔跨設(shè)計(jì)，橋塔采用獨(dú)柱形子母塔。子塔高79 m，橋面以下塔墩高度22 m，橋面以上塔高57 m；母塔高83 m，橋面以下塔墩高度20 m，橋面以上塔高63 m。橋塔采用矩形刻槽截面，上塔柱作為索錨區(qū)采用空心箱形截面，尺寸為9 m×3.8 m，塔身縱橋向刻2道1.5 m長(zhǎng)、0.1 m深的槽，采用C60混凝土，下塔墩選用雙肢薄壁墩截面。橋塔及基礎(chǔ)布置BIM圖見(jiàn)圖8。

圖8 橋塔及基礎(chǔ)布置BIM圖

4 穿塔段構(gòu)造處理

梁、塔、墩交接位置處主梁截面縱橋向與主塔截面等長(zhǎng)，為9 m；橫橋向與下塔墩截面等寬，為16 m。交接位置區(qū)域共設(shè)3道橫隔梁，橫隔梁縱向間距4.2 m、厚度為0.6 m，中腹板厚度在與塔墩梁固結(jié)實(shí)體段相交區(qū)域腹板厚度由0.5 m漸變至1.5 m。塔墩梁固結(jié)段構(gòu)造BIM圖見(jiàn)圖9。梁、塔、墩交接位置處往往受力比較復(fù)雜，作者對(duì)穿塔段周?chē)鷺?gòu)造進(jìn)行了實(shí)體分析，為了縮減論文的篇幅，本文僅列舉了穿塔段截面和標(biāo)準(zhǔn)截面在恒載工況下實(shí)體截面的軸向應(yīng)力情況。恒載工況下穿塔段、標(biāo)準(zhǔn)截面軸向應(yīng)力圖見(jiàn)圖10。

圖9 塔墩梁固結(jié)段構(gòu)造BIM圖

圖10 恒載工況軸向應(yīng)力(單位：MPa)

由圖10可見(jiàn)，標(biāo)準(zhǔn)截面和穿塔段截面在恒載作用下，整個(gè)橫截面應(yīng)力分布較為均勻，基本符合平截面假定，傳力較為合理，說(shuō)明塔墩梁固結(jié)段構(gòu)造處理較為合適。

5 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)比選

5.1 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)方案及原理

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)主要由支撐系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和平衡系統(tǒng)三大部分組成。支撐系統(tǒng)由上、下轉(zhuǎn)盤(pán)構(gòu)成，上轉(zhuǎn)盤(pán)支承上部轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，下轉(zhuǎn)盤(pán)和承臺(tái)相連，通過(guò)上轉(zhuǎn)盤(pán)相對(duì)于下轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到轉(zhuǎn)體目的；頂推牽引系統(tǒng)由反力和施力設(shè)備構(gòu)成，提供轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力；平衡系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)本身及保證轉(zhuǎn)體平衡的平衡荷載(配重)組成[6-7]。目前，不同轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的支撐系統(tǒng)和平衡系統(tǒng)大體一致。

本文針對(duì)牽引系統(tǒng)的不同提出2種方案，方案一為傳統(tǒng)的鋼絞線(xiàn)拽拉式轉(zhuǎn)體系統(tǒng)；方案二為齒輪齒條式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)。方案一、二轉(zhuǎn)體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖11、圖12。

圖11 方案一轉(zhuǎn)體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(單位：cm)

圖12 方案二轉(zhuǎn)體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(單位：cm)

如圖11、12所示，方案一在轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)預(yù)埋牽引索，在承臺(tái)上設(shè)置牽引反力座為轉(zhuǎn)體系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)體牽引力和扭矩；方案二通過(guò)設(shè)置支撐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為整個(gè)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)提供抗傾覆力矩及轉(zhuǎn)體牽引力。轉(zhuǎn)體時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，由于齒條固定在滑道上，因此，齒輪旋轉(zhuǎn)的同時(shí)帶動(dòng)減速機(jī)架、臺(tái)車(chē)架、撐腳及上轉(zhuǎn)盤(pán)一起旋轉(zhuǎn)，達(dá)到轉(zhuǎn)體目的。

5.2 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)比選

2種轉(zhuǎn)體系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，比較結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 2種轉(zhuǎn)體系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)比較表

綜上比較，從施工難易、經(jīng)濟(jì)性、施工期間對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的影響等因素考慮，推薦采用價(jià)格低且技術(shù)成熟的鋼絞線(xiàn)拽拉式轉(zhuǎn)體系統(tǒng)。

5.3 轉(zhuǎn)體體系結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)

主橋采用平面轉(zhuǎn)體施工法跨越既有鐵路，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖11)設(shè)置在主塔塔柱底部，由轉(zhuǎn)盤(pán)、球鉸、撐腳、環(huán)形滑道、牽引系統(tǒng)、助推系統(tǒng)和臨時(shí)支撐及鎖定等部分組成[7-8]。

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)采用球面直徑6.0 m、球體半徑10.0 m的鋼球鉸，設(shè)計(jì)豎向承載力為3.4×105kN。下轉(zhuǎn)盤(pán)設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的下球鉸、環(huán)形下滑道及8組千斤頂反力座。上轉(zhuǎn)盤(pán)長(zhǎng)16 m、寬17 m、高2.0 m；轉(zhuǎn)臺(tái)直徑15.6 m，高度1.1 m。主塔基礎(chǔ)采用八邊形承臺(tái)，截面尺寸為24.0 m×29.0 m×5.8 m，外側(cè)設(shè)置6.0 m×6.0 m的倒角。

6 結(jié)語(yǔ)

1) 對(duì)主橋進(jìn)行了體系比選，在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)受力要求的前提下，從施工的便利性、后期維護(hù)等因素出發(fā)選擇采用塔、墩、梁固結(jié)的剛構(gòu)體系；對(duì)下塔墩截面進(jìn)行對(duì)比分析采用結(jié)構(gòu)受力較小、對(duì)下部結(jié)構(gòu)具有較好經(jīng)濟(jì)性的雙薄壁實(shí)心墩；并對(duì)雙薄壁采用不同厚度進(jìn)行參數(shù)分析，選擇了較優(yōu)的厚度。

2) 主橋初步設(shè)計(jì)全程采用BIM正向設(shè)計(jì)，是國(guó)內(nèi)第一座采用BIM正向設(shè)計(jì)的斜拉橋。

3) 對(duì)穿塔段構(gòu)造進(jìn)行了實(shí)體分析，結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn)截面和穿塔段截面應(yīng)力分布較為均勻，傳力較為合理，塔墩梁固結(jié)段構(gòu)造處理較為合適。

4) 針對(duì)鋼絞線(xiàn)拽拉式與齒輪齒條驅(qū)動(dòng)式2種轉(zhuǎn)體系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，從經(jīng)濟(jì)性和對(duì)既有鐵路運(yùn)營(yíng)的影響等因素進(jìn)行比選，采用鋼絞線(xiàn)拽拉式轉(zhuǎn)體系統(tǒng)。