跨越既有鐵路門式墩鋼蓋梁轉(zhuǎn)體施工技術(shù)*

戶東陽，盧三平，曾 敏，蘇 波

(中鐵二院昆明勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，云南 昆明 650200)

0 引言

近年來，我國鐵路交通發(fā)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(yùn)營單位對既有線路運(yùn)營安全要求的日益提高，如何減少新建跨線橋梁結(jié)構(gòu)物對既有鐵路的運(yùn)營干擾成為鐵路橋梁設(shè)計的研究重點，也是施工方案能否獲得運(yùn)營部門批準(zhǔn)的關(guān)鍵。

新建鐵路以橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)[1-4]。當(dāng)前，門式墩鋼蓋梁施工通常設(shè)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(zhuǎn)體法[7-9]成為解決此類問題的關(guān)鍵技術(shù)。

1 應(yīng)用實例

1.1 工程概況

羅榮莊左聯(lián)絡(luò)線單線特大橋為無砟軌道，設(shè)計速度目標(biāo)值為80km/h。新建鐵路采用橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(yù)制的鋼柱插入混凝土柱中5m，屬鋼-混凝土柱組合結(jié)構(gòu)。鋼蓋梁為鋼箱結(jié)構(gòu)，材質(zhì)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(shè)置4道200mm×20mm縱向加勁肋，每個腹板設(shè)置2道200mm×20mm縱向加勁肋。帽梁箱內(nèi)設(shè)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(shè)置4道120mm×12mm縱向加勁肋，橫橋向板設(shè)置3道120mm×12mm縱向加勁肋。

1.3 施工方法比選

羅榮莊左聯(lián)絡(luò)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(zhuǎn)體施工法進(jìn)行安裝。為保證既有鐵路運(yùn)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(zhuǎn)體施工方法跨越既有高速鐵路。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)體施工方法采用轉(zhuǎn)體球鉸、滑道、撐腳等裝置實現(xiàn)鋼蓋梁轉(zhuǎn)體施工[8-9]。轉(zhuǎn)體球鉸是轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，在兩球面之間設(shè)有承壓四氟滑板，可實現(xiàn)上、下球鉸相對轉(zhuǎn)動。在安裝轉(zhuǎn)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(zhuǎn)體裝置中起支承及防傾覆作用。因此，在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)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(gòu)件，整個安裝過程繁瑣，耗時較長，施工工藝復(fù)雜。

由于羅榮莊左聯(lián)絡(luò)線單線特大橋門式墩結(jié)構(gòu)臨近既有鐵路線，且承臺和橋墩結(jié)構(gòu)尺寸限制，所以需優(yōu)化轉(zhuǎn)體裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及安裝方法，以保證轉(zhuǎn)體施工過程安全、便利。

2 改進(jìn)的轉(zhuǎn)體裝置

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

圖1 改進(jìn)轉(zhuǎn)體裝置的安裝位置

如圖2所示，該轉(zhuǎn)體裝置將轉(zhuǎn)體球鉸、撐腳、滑道集成一個整體：①上球鉸包括頂板和設(shè)于頂板下方的凸球面結(jié)構(gòu)，頂板與若干撐腳栓接，這些撐腳環(huán)繞設(shè)置在凸球面結(jié)構(gòu)周圍；②下球鉸包括底板和設(shè)于底板上的凹球面結(jié)構(gòu)，底板設(shè)有環(huán)形滑道，該滑道環(huán)繞于凹球面；③凸球面結(jié)構(gòu)的球面設(shè)有不銹鋼層，凹球面結(jié)構(gòu)的球面設(shè)有復(fù)層結(jié)構(gòu)非金屬滑板(填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板)，凸球面結(jié)構(gòu)設(shè)于凹球面結(jié)構(gòu)上組成轉(zhuǎn)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(fù)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(xiàn)撐腳在滑道上的滑動；⑤如圖2c所示，上球鉸開有與上轉(zhuǎn)盤連接的錨栓孔，錨固系統(tǒng)(地腳螺栓、套筒、螺桿)通過上球鉸螺栓孔與上轉(zhuǎn)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(tǒng)(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(jìn)轉(zhuǎn)體裝置的結(jié)構(gòu)構(gòu)造

常規(guī)轉(zhuǎn)體裝置安裝需3～4周，改進(jìn)后的轉(zhuǎn)體裝置只需1d即可完成，這大大縮短了工期。此外，改進(jìn)轉(zhuǎn)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(zhǔn)確、質(zhì)量可靠，能實現(xiàn)跨鐵路線門式墩的轉(zhuǎn)體施工操作。

3 鋼蓋梁的轉(zhuǎn)體施工方法

憑借改進(jìn)的轉(zhuǎn)體裝置，羅榮莊左聯(lián)絡(luò)線單線特大橋門式墩鋼蓋梁轉(zhuǎn)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(chǔ)，然后在轉(zhuǎn)體墩基礎(chǔ)上預(yù)留的鑿口內(nèi)澆筑混凝土并安裝轉(zhuǎn)體裝置，安裝完畢后再澆筑上盤混凝土。②S2 使轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yù)埋用于與兩側(cè)鋼柱栓接的連接鋼板及高強(qiáng)螺栓。③S3 向轉(zhuǎn)體墩內(nèi)吊裝預(yù)制的鋼柱，待鋼柱與轉(zhuǎn)體墩預(yù)埋的連接鋼板對齊后，擰緊高強(qiáng)螺栓，剛接鋼柱和轉(zhuǎn)體墩，定位墩身澆筑模板，然后在鋼柱內(nèi)外澆筑混凝土至設(shè)計標(biāo)高處；向固定墩內(nèi)吊裝預(yù)制鋼柱，待鋼柱與固定墩預(yù)埋的連接鋼板對齊后，擰緊高強(qiáng)螺栓，剛接鋼柱和固定墩，定位墩身澆筑模板，然后在鋼柱內(nèi)外澆筑混凝土至設(shè)計標(biāo)高處。④S4 在既有鐵路線一側(cè)，向轉(zhuǎn)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(shè)于帽梁與鋼柱相連處、鋼柱與臨時鋼桁梁相連處，并用高強(qiáng)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(zhuǎn)的障礙物；在風(fēng)速較小環(huán)境下進(jìn)行轉(zhuǎn)體操作，控制轉(zhuǎn)體速度；轉(zhuǎn)體基本到位時，對梁端位置及標(biāo)高進(jìn)行微調(diào)，蓋梁及線形達(dá)到設(shè)計要求時固定上盤。⑦S7 采用高強(qiáng)螺栓將帽梁和固定墩的上部鋼柱進(jìn)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(zhuǎn)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(cè)采用滿堂支架和吊裝手段施工鋼蓋梁與臨時鋼結(jié)構(gòu)，然后使用轉(zhuǎn)體施工技術(shù)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(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)體過程中始終處于懸臂平衡狀態(tài)，使得整個施工過程不影響既有鐵路線運(yùn)營。

圖3 轉(zhuǎn)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(lián)絡(luò)線單線特大橋門式墩為工程應(yīng)用實例，采用有限元方法驗證最不利工況下轉(zhuǎn)體裝置的可靠性，并對轉(zhuǎn)體混凝土封固完成后的門式墩進(jìn)行驗算。

4.1 改進(jìn)轉(zhuǎn)體裝置驗算

采用三維有限元軟件建立改進(jìn)轉(zhuǎn)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(jìn)行網(wǎng)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(shù)取0.03；非金屬滑板與下球鉸凹球面采用綁定接觸。根據(jù)該轉(zhuǎn)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(jīng)靜力分析后可得改進(jìn)轉(zhuǎn)體裝置模型的應(yīng)力云圖(見圖5a)和位移云圖(見圖5b)。轉(zhuǎn)體裝置最大應(yīng)力點位于上球鉸中環(huán)板與放射筋交叉處，最大應(yīng)力值為30.1MPa，遠(yuǎn)低于材料的設(shè)計容許應(yīng)力，整體應(yīng)力水平很小。球鉸最大位移發(fā)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(jìn)的轉(zhuǎn)體裝置能滿足要求。

圖4 改進(jìn)轉(zhuǎn)體裝置的有限元模型

圖5 改進(jìn)轉(zhuǎn)體裝置模型的靜力分析結(jié)果

4.2 門式墩驗算

4.2.1設(shè)計荷載

1)恒載 結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重按TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》選用。鋼蓋梁上二期恒載包括線路設(shè)備、道砟、人行道支架、步板、電纜槽、擋砟塊、現(xiàn)澆橋面板、現(xiàn)澆擋砟墻及橫隔板濕接縫等自重，按135kN/m計。基礎(chǔ)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(shè)計規(guī)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(fēng)荷載和溫度荷載。根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》中第4.4.1條，制動力或牽引力按全聯(lián)連續(xù)梁滿載時列車豎向靜活載的10%計，當(dāng)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(jù)《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》中第4.4.1條規(guī)定考慮風(fēng)荷載作用。鋼結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)溫差按±30℃考慮，混凝土的系統(tǒng)溫差按±25℃考慮；鋼結(jié)構(gòu)頂板及一側(cè)腹板的構(gòu)件溫差取15℃。

4)地震力 按GB 50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(2009年版)按反應(yīng)譜進(jìn)行計算。

綜上所述，得到用于驗算門式墩結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jié)點，梁柱剛接。該模型完全按TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》進(jìn)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?lián)蠟?.19cm，撓跨比為1/2 689，<1/1 000，因此滿足規(guī)范要求。

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

3)混凝土墩柱內(nèi)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(jīng)過配筋后計算結(jié)果如表2所示。因此，完工狀態(tài)時的門式墩鋼筋、混凝土應(yīng)力及裂縫均滿足規(guī)范要求。

表2 混凝土墩柱內(nèi)力計算結(jié)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(jié)果如表3所示，延性系數(shù)<4.8，因此完工狀態(tài)時的門式墩延性滿足規(guī)范要求。

表3 混凝土墩柱延性計算結(jié)果

5 結(jié)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(yùn)營的施工難題，本文基于一種改進(jìn)的轉(zhuǎn)體裝置，提出詳盡的門式墩鋼蓋梁的轉(zhuǎn)體施工方法。該轉(zhuǎn)體裝置將轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhuǎn)體施工的可靠性。

3)采用該轉(zhuǎn)體施工方法，成功避免了羅榮莊左聯(lián)絡(luò)線單線特大橋?qū)扔需F路線正常運(yùn)營的施工干擾。此實際工程應(yīng)用證明，該方法實現(xiàn)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(yùn)營的施工干擾，具有施工周期短、造價低、安全性高、實用性強(qiáng)等優(yōu)點，可為同類橋梁施工提供借鑒和參考。