跨越既有鐵路門式墩鋼蓋梁轉體施工技術*

戶東陽，盧三平，曾 敏，蘇 波

(中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司，云南 昆明 650200)

0 引言

近年來，我國鐵路交通發展尤為突出，新建鐵路與既有繁忙鐵路干線立體交叉情況越來越多。隨著運營單位對既有線路運營安全要求的日益提高，如何減少新建跨線橋梁結構物對既有鐵路的運營干擾成為鐵路橋梁設計的研究重點，也是施工方案能否獲得運營部門批準的關鍵。

新建鐵路以橋梁結構形式跨越既有鐵路線時，若斜跨角度較小，為避免橋墩侵占既有鐵路線，一般采用門式墩支承橋梁上部結構[1-4]。當前，門式墩鋼蓋梁施工通常設計為直接吊裝法和梁體平推法[5-6]，這兩種方法分別適用于鋼蓋梁自重較小、跨度較小情況。若鋼蓋梁自重較大，吊裝法受限于吊重而無法安裝。平推法需搭建臨時墩和滑道，若鋼蓋梁跨度較大，且受既有線路限制，無法搭建臨時墩，故平推法不適用于跨越鐵路的大跨度鋼蓋梁施工。因此，轉體法[7-9]成為解決此類問題的關鍵技術。

1 應用實例

1.1 工程概況

羅榮莊左聯絡線單線特大橋為無砟軌道，設計速度目標值為80km/h。新建鐵路采用橋梁結構形式跨越既有長昆高速鐵路，夾角20°，在與既有鐵路交叉處采用門式墩鋼蓋梁支承上部結構簡支梁方案，交叉處的門式墩分別為7號墩和8號墩。由于篇幅限制，本文僅以8號墩為例。

1.2 結構構造

門式墩鋼蓋梁跨度為32m，混凝土墩柱高度分別為10.2，7.7m。混凝土墩身采用C40混凝土。門式墩鋼蓋梁兩端與混凝土墩柱采用插入式連接，將預制的鋼柱插入混凝土柱中5m，屬鋼-混凝土柱組合結構。鋼蓋梁為鋼箱結構，材質為Q345qD鋼材，寬3 000mm，蓋梁高2 800mm。頂、底板厚20mm，腹板厚20mm，頂、底板設置4道200mm×20mm縱向加勁肋，每個腹板設置2道200mm×20mm縱向加勁肋。帽梁箱內設置一定橫隔板，其間距≤2 500mm，支座處橫隔板厚16mm，其他厚12mm，橫隔板開孔并鑲邊處理。鋼柱截面為箱形，橫截面外輪廓尺寸為2 600mm×3 000mm(橫橋向×順橋向)，順橋向板設置4道120mm×12mm縱向加勁肋，橫橋向板設置3道120mm×12mm縱向加勁肋。

1.3 施工方法比選

羅榮莊左聯絡線單線特大橋門式墩鋼蓋梁自重大、跨度大，吊裝法和平推法都不適用，因此，此類門式墩只能采用轉體施工法進行安裝。為保證既有鐵路運營安全，需先施工門式墩的墩柱和球鉸，再安裝鋼蓋梁并采用轉體施工方法跨越既有高速鐵路。

傳統的轉體施工方法采用轉體球鉸、滑道、撐腳等裝置實現鋼蓋梁轉體施工[8-9]。轉體球鉸是轉體裝置的核心，由上球鉸、下球鉸、定位銷軸及安裝骨架等組成。上、下球鉸分別為凹凸相配的球面結構，在兩球面之間設有承壓四氟滑板，可實現上、下球鉸相對轉動。在安裝轉體球鉸時，上球鉸與上承臺澆筑在一起，下球鉸與下承臺澆筑在一起。滑道、撐腳在安裝時分別與下承臺、上承臺澆筑在一起，它們在轉體裝置中起支承及防傾覆作用。因此，在傳統轉體裝置安裝過程中，下承臺需兩次澆筑：第1次澆筑到下球鉸安裝骨架及滑道骨架以下位置，下球鉸骨架及滑道骨架定位完成；第2次在安裝下球鉸及滑道后再澆筑下承臺[8]。此外，下球鉸及滑道安裝完畢后，需安裝上球鉸及撐腳等構件，整個安裝過程繁瑣，耗時較長，施工工藝復雜。

由于羅榮莊左聯絡線單線特大橋門式墩結構臨近既有鐵路線，且承臺和橋墩結構尺寸限制，所以需優化轉體裝置結構設計及安裝方法，以保證轉體施工過程安全、便利。

2 改進的轉體裝置

為滿足羅榮莊左聯絡線單線特大橋門式墩鋼蓋梁轉體施工需求，本文提出一種改進的轉體裝置及其安裝方法。改進后的球鉸裝置安裝與安裝普通球型支座一致，簡化了傳統轉體裝置的安裝方式，其安裝位置如圖1所示。

圖1 改進轉體裝置的安裝位置

如圖2所示，該轉體裝置將轉體球鉸、撐腳、滑道集成一個整體：①上球鉸包括頂板和設于頂板下方的凸球面結構，頂板與若干撐腳栓接，這些撐腳環繞設置在凸球面結構周圍；②下球鉸包括底板和設于底板上的凹球面結構，底板設有環形滑道，該滑道環繞于凹球面；③凸球面結構的球面設有不銹鋼層，凹球面結構的球面設有復層結構非金屬滑板(填充聚四氟乙烯復合夾層滑板)，凸球面結構設于凹球面結構上組成轉動摩擦副；④如圖2b所示，下球鉸上焊接有滑道不銹鋼，將聚四氟乙烯復合夾層放置在滑道不銹鋼上，最終在下球鉸上形成滑道，實現撐腳在滑道上的滑動；⑤如圖2c所示，上球鉸開有與上轉盤連接的錨栓孔，錨固系統(地腳螺栓、套筒、螺桿)通過上球鉸螺栓孔與上轉盤連接；⑥如圖2d所示，下球鉸開有與下承臺連接的錨栓孔，錨固系統(地腳螺栓、套筒、螺桿)通過下球鉸螺栓孔與下承臺連接。

圖2 改進轉體裝置的結構構造

常規轉體裝置安裝需3～4周，改進后的轉體裝置只需1d即可完成，這大大縮短了工期。此外，改進轉體裝置的施工一次安裝到位，無須二次澆筑，因此安裝精度準確、質量可靠，能實現跨鐵路線門式墩的轉體施工操作。

3 鋼蓋梁的轉體施工方法

憑借改進的轉體裝置，羅榮莊左聯絡線單線特大橋門式墩鋼蓋梁轉體施工方法流程可分為以下重要步驟：①S1 先施工固定墩下的基礎，然后在轉體墩基礎上預留的鑿口內澆筑混凝土并安裝轉體裝置，安裝完畢后再澆筑上盤混凝土。②S2 使轉體墩的墩身縱向中心線平行于既有路線，定位墩身澆筑模板，澆筑轉體橋墩和固定墩的墩身混凝土，并在2根混凝土柱中分別預埋用于與兩側鋼柱栓接的連接鋼板及高強螺栓。③S3 向轉體墩內吊裝預制的鋼柱，待鋼柱與轉體墩預埋的連接鋼板對齊后，擰緊高強螺栓，剛接鋼柱和轉體墩，定位墩身澆筑模板，然后在鋼柱內外澆筑混凝土至設計標高處；向固定墩內吊裝預制鋼柱，待鋼柱與固定墩預埋的連接鋼板對齊后，擰緊高強螺栓，剛接鋼柱和固定墩，定位墩身澆筑模板，然后在鋼柱內外澆筑混凝土至設計標高處。④S4 在既有鐵路線一側，向轉體橋墩左、右兩邊沿橋墩縱向中心線搭建滿堂支架，滿堂支架搭建長度由臨時鋼桁梁長度和帽梁長度決定。⑤S5 如圖3a所示，分別吊裝帽梁和臨時鋼桁梁至滿堂支架上，再將兩者精確對位栓接到鋼柱上；將連接鋼板分別設于帽梁與鋼柱相連處、鋼柱與臨時鋼桁梁相連處，并用高強螺栓固定；然后，在臨時鋼梁上部施加配重，保證帽梁和臨時鋼桁梁與鋼柱懸臂平衡。⑥S6 拆除滿堂支架；解除球鉸臨時鎖定，清除有礙平轉的障礙物；在風速較小環境下進行轉體操作，控制轉體速度；轉體基本到位時，對梁端位置及標高進行微調，蓋梁及線形達到設計要求時固定上盤。⑦S7 采用高強螺栓將帽梁和固定墩的上部鋼柱進行栓接固定。⑧S8 拆除臨時鋼桁梁及其載重(配重)。⑨S9 澆筑并封固轉盤混凝土，施工完成，如圖3b所示。

綜上可知，該施工方法在既有鐵路線一側采用滿堂支架和吊裝手段施工鋼蓋梁與臨時鋼結構，然后使用轉體施工技術安裝門式墩鋼蓋梁。該方法通過在臨時鋼桁梁上添加混凝土配重塊(見圖3b)，保證鋼蓋梁結構在轉體過程中始終處于懸臂平衡狀態，使得整個施工過程不影響既有鐵路線運營。

圖3 轉體施工示意

4 有限元仿真驗證

為了確保本施工方法可行，以羅榮莊左聯絡線單線特大橋門式墩為工程應用實例，采用有限元方法驗證最不利工況下轉體裝置的可靠性，并對轉體混凝土封固完成后的門式墩進行驗算。

4.1 改進轉體裝置驗算

采用三維有限元軟件建立改進轉體裝置的實體模型如圖4a所示，該實體模型通過六面體單元進行網格劃分，上球鉸與上承臺、下球鉸與下承臺都分別采用綁定接觸。非金屬滑板與上球鉸凸球面采用摩擦接觸，摩擦系數取0.03；非金屬滑板與下球鉸凹球面采用綁定接觸。根據該轉體裝置(見圖2)在門式墩實際施工中的最不利工況，對下承臺底部施加固定約束，同時在上承臺處加載9 000kN豎向荷載。經靜力分析后可得改進轉體裝置模型的應力云圖(見圖5a)和位移云圖(見圖5b)。轉體裝置最大應力點位于上球鉸中環板與放射筋交叉處，最大應力值為30.1MPa，遠低于材料的設計容許應力，整體應力水平很小。球鉸最大位移發生在上球鉸的球面板外邊緣處，最大位移為1.25mm，其余部件變形均較小，球鉸整體剛度較好。由此可知，在該門式墩施工的最不利工況時，改進的轉體裝置能滿足要求。

圖4 改進轉體裝置的有限元模型

圖5 改進轉體裝置模型的靜力分析結果

4.2 門式墩驗算

4.2.1設計荷載

1)恒載 結構構件自重按TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規范》選用。鋼蓋梁上二期恒載包括線路設備、道砟、人行道支架、步板、電纜槽、擋砟塊、現澆橋面板、現澆擋砟墻及橫隔板濕接縫等自重，按135kN/m計。基礎不均勻沉降按相鄰墩臺均勻沉降量差Δ≤5mm。

2)活載 活載包括車輛荷載、離心力和搖擺力。列車豎向活載采用ZK活載。離心力按《鐵路橋涵設計規范》中第4.3.10條考慮。搖擺力取100kN，作用于支座中心。

3)附加力 附加力包括制動力或牽引力、風荷載和溫度荷載。根據《鐵路橋涵設計規范》中第4.4.1條，制動力或牽引力按全聯連續梁滿載時列車豎向靜活載的10%計，當與離心力或列車豎向動力作用同時計算時，制動力或牽引力按列車豎向靜活載的7%計。同樣依據《鐵路橋涵設計規范》中第4.4.1條規定考慮風荷載作用。鋼結構的系統溫差按±30℃考慮，混凝土的系統溫差按±25℃考慮；鋼結構頂板及一側腹板的構件溫差取15℃。

4)地震力 按GB 50111—2006《鐵路工程抗震設計規范》(2009年版)按反應譜進行計算。

綜上所述，得到用于驗算門式墩結構各工況的荷載組合，如表1所示。

表1 堆載選用材料

4.2.2有限元計算

采用MIDAS Civil軟件建立轉體混凝土封固完成后的門式墩鋼蓋梁有限元模型。如圖6所示，該模型共離散為39個單元和40個結點，梁柱剛接。該模型完全按TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結構設計規范》進行檢算。

圖6 門式墩鋼蓋梁有限元模型

1)鋼蓋梁變形 在“正常使用1”工況下，鋼蓋梁最大下撓為1.19cm，撓跨比為1/2 689，<1/1 000，因此滿足規范要求。

2)鋼蓋梁強度 在“正常使用2”工況下，鋼蓋梁最大拉應力為86.7MPa，最大壓應力為112.6MPa，最大剪應力為69.0MPa，滿足規范要求；在“罕遇地震1”工況下，鋼蓋梁最大拉應力為426.7MPa，最大壓應力為78.3MPa，均≤490MPa，故滿足規范要求。

3)混凝土墩柱內力 由于“主力”“主力+附加力”和“多遇地震”工況下混凝土墩柱彎矩較大，因此經過配筋后計算結果如表2所示。因此，完工狀態時的門式墩鋼筋、混凝土應力及裂縫均滿足規范要求。

表2 混凝土墩柱內力計算結果

4)混凝土墩柱延性 門式墩的抗震能力尤為重要[10]，“罕遇地震”工況下混凝土墩柱的延性計算結果如表3所示，延性系數<4.8，因此完工狀態時的門式墩延性滿足規范要求。

表3 混凝土墩柱延性計算結果

5 結語

1)為了解決跨鐵路線門式墩自重大不宜吊裝、跨度大不宜施工、易影響既有鐵路線正常運營的施工難題，本文基于一種改進的轉體裝置，提出詳盡的門式墩鋼蓋梁的轉體施工方法。該轉體裝置將轉體球鉸與撐腳、滑道等附屬裝置集成到一起，采用與支座相同的安裝方式，一次安裝到位無須二次澆筑，安裝簡便、質量可靠，且能大大縮短工期。

2)通過采用有限元仿真計算，驗證了門式墩鋼蓋梁轉體施工的可靠性。

3)采用該轉體施工方法，成功避免了羅榮莊左聯絡線單線特大橋對既有鐵路線正常運營的施工干擾。此實際工程應用證明，該方法實現了采用大跨度門式墩鋼蓋梁小夾角跨越既有鐵路線的合理施工，避免對既有鐵路正常運營的施工干擾，具有施工周期短、造價低、安全性高、實用性強等優點，可為同類橋梁施工提供借鑒和參考。