跨京九鐵路立交橋轉體設計與施工探討

韓冬卿

(中電建冀交高速公路投資發展有限公司，河北 石家莊 050000)

0 引言

跨越既有線路的橋梁施工有預制拼裝法、頂推法、轉體法等方法。目前轉體法應用最為廣泛，尤其在跨越繁忙運輸的鐵路線路時應用優勢最明顯[1-5]。但目前針對轉體橋設計和施工的系統性研究較少，本文以津石高速上跨京九鐵路轉體立交橋為例，對轉體橋的總體設計、結構力學性能、施工方案進行了研究，同時對現場進行監控量測，為本工程安全順利施工提供必要條件。

1 工程概況

津石高速公路(津冀界至保石界段)上跨京九鐵路立交橋工程位于滄州市任丘市于村鄉東陵城村南，地形起伏不大，交通便利。橋梁全長490 m，主橋橋面整體式布置，橋梁全寬33.5 m。上跨主橋與既有京九鐵路相交，交點處京九鐵路下行線里程K136+782.281，交角73.3°，交點處文安與任丘區間公路里程K61+662.778。主橋跨度布置為2×65 m連續T構，采用大節段現澆、轉體法施工，轉體重量約14 510 t。轉體橋與鐵路位置關系如圖1所示。

圖1 轉體橋與鐵路相對位置關系圖(橋梁結構尺寸單位：cm，其余尺寸單位：m)

2 轉體設計

2.1 總體設計

設計范圍起點里程為K61+383，終點里程為K61+873，均位于R=5 700 m圓曲線上。縱斷面控制因素為既有京九鐵路，最高點設于鐵路兩股道附近，變坡點里程為K61+680，變坡點高程為26.9 m。小里程側縱坡采用2.0%，大里程側縱坡采用-2.0%，豎曲線半徑為20 000 m。標準橫斷面：0.5 m(防撞護欄)+15.63 m(凈寬)+0.382 m(防撞護欄)+0.476 m(隔離帶)+0.382 m(防撞護欄)+15.63 m(凈寬)+0.5 m(防撞護欄)，橋面總寬度為33.5 m。

2.2 主橋結構設計

2.2.1 主橋上部結構

跨越京九鐵路的主橋采用2×65 m T構，主橋上跨截面形式為單箱三室斜腹板箱型，中支點梁高6.5 m，端部梁高3.3 m，長4.95 m；箱梁頂板總寬為33.5 m，厚28 cm；懸臂板各長4.0 m，端部厚20 cm，根部厚70 cm。箱梁頂板中墩頂和邊支點位置處厚度增加至55 cm，底板厚70 cm，邊板及中腹板厚均為60 cm。中支點對應的墩身頂橫隔板厚360 cm，邊支點的橫梁厚150 cm。主橋預應力體系采用Ⅱ級低松弛高強鋼絞線。箱梁斷面如圖2所示。

圖2 箱梁斷面圖(cm)

2.2.2 下部結構

T構中墩采用尺寸為3.6×(8.0～12.0) m矩形截面墩梁固結。轉動體系采用環道與中心支承相結合的結構；基礎為鉆孔灌注樁，樁徑為1.5 m，共25根。

邊墩為柱式墩，蓋梁采用鋼筋混凝土蓋梁，寬2.5 m，高1.8 m，橫向布置3個墩柱，直徑為1.8 m。下接實體式承臺，厚2.5 m。基礎由8根鉆孔灌注樁組成，樁徑為1.25 m。

2.2.3 轉鉸設計

主要由上下轉盤、轉體支座和牽引系統組成轉體結構。

(1)轉體下盤

轉體過程中下盤需要承擔所有轉體結構的全部重量，待完成轉體后，上下轉盤才共同承擔上部所受全部荷載。由于前期所有荷載較大，因此下轉盤需要采用高標號C50混凝土進行設計，其上設置轉體支座、反力座、環形滑道等。轉體下盤如圖3所示。

圖3 轉體下盤示意圖(cm)

(2)轉體支座

轉體支座采用轉體球型支座，承載能力≥160 MN，組合高度為330 mm，分上下兩片。轉體支座是轉動體系的關鍵部位，尤其是轉動球鉸，要求制作精度和安裝精度非常高。轉體支座示意圖如圖4所示。

圖4 轉體支座示意圖

(3)轉體上盤撐腳與滑道

轉體的上盤撐腳被稱為保險腿，這是由于轉體時上盤撐腳是主要支撐結構。在轉體時，對稱的2個保險腿中心線重合，使得8個保險腿在縱軸線的兩側對稱分布。保險腿可在撐腳下方的滑道內滑動，滑道寬1.2 m，徑寬7.3 m，用于保證轉體平穩，同時滑道面應保持同一高度，誤差不超過2 mm。

上轉盤下設有8對置于24 mm厚鋼板上的雙圓柱形撐腳，圓柱為1對，直徑800 mm，厚16 mm，內有澆筑C50微膨脹混凝土的鋼管。在上轉盤安裝時，考慮到轉體結構與滑道的間隙問題，撐腳下需支墊20 mm厚鋼板，轉體時再及時抽掉墊板，如圖5所示。

圖5 轉體上盤撐腳與滑道示意圖(cm)

(4)轉體上盤

轉體上盤在轉體時受力狀態復雜，是轉體體系的重要組成部分。上盤長寬均為9.5 m，高3.0 m。轉臺直徑略小于上盤的圓形結構，直徑8.5 m，高0.7 m。轉臺是施加轉體牽引力的直接結構，通過支座、撐腳將力傳遞給上盤。其工作原理是通過在轉臺內預埋錨固P型錨具的牽引索，錨固端與圓心對稱在同一直線上，并與預埋高度和牽引方向相一致。埋置于轉臺內的牽引索長度應≥5 m，出口點與轉盤中心對稱。外露的牽引索需做好防護措施，纏繞在轉盤上。當條件達到允許時，進行轉體體系轉換，施加轉動力矩，轉臺轉動，如圖6所示。

圖6 上轉盤示意圖

2.3 轉體結構力學性能計算

2.3.1 牽引力、安全系數計算

本橋轉體總重量W為145 095 kN，其摩擦力計算為F=W×μ。按照規范，轉體啟動時靜摩擦系數取值為0.05，轉動中動摩擦系數取值為0.03，則計算可得靜、動摩擦力F分別為7 251 kN、4 353 kN。

則轉體拽拉力計算見式(1)：

T=2/3×(R·W·μ)/D

(1)

式中：R——球鉸平面半徑，取值為1.75 m；

W——轉體總重量，取值為145 095 kN；

D——轉臺直徑，取值為8.5 m；

μ——球鉸摩擦系數，靜、動摩擦系數取值分別為0.05、0.03。

根據以上計算可得，啟動時及轉動過程中所需的牽引力分別為995.8 kN、597.5 kN。根據以往經驗，實際施工中測出的摩擦系數小于設計值。因此轉體選用2套ZLD200型牽引系統，最大牽引力為4 000 kN，使得轉動體系轉動，啟動時安全系數為4.01，轉動時安全系數為6.69，滿足轉體要求。

2.3.2 轉體時間計算

根據轉體角度74°及上轉盤直徑8.5 m。轉動上轉盤74°對應弧長=π×D×74°÷360°=3.141 59×8.5×74°÷360°=5.489 m。計算出鋼絞線牽引長度L=5.489 m+受力伸長值L1。L1對轉體時間的影響可忽略不計。

正式轉體時，轉動角速度為0.02 rad/min，則轉體時間T=(74÷180×π)/0.02≈65 min。根據試轉體成果，考慮精調時間，轉體到位后臨時鎖定撐腳轉盤，調整位置及標高、剛性支撐鎖定，共計用時90 min。則完成74°轉體所需時間t≈90 min。

2.3.3 鋼絞線安全系數計算

1 860 MPa級φ15.2 mm鋼絞線的標準破斷力為260 kN。鋼絞線的極限承載為：17×260=4 420 kN。轉體時兩束鋼絞線同時受力。啟動時牽引索鋼絞線的安全系數K3=4 420×2/995.8=8.88；轉動過程中牽引索鋼絞線的安全系數K4=4 420×2/597.5=14.8，滿足要求。

3 轉體施工與監控量測

3.1 轉體施工

3.1.1 梁體轉動過程分析

對轉體結構進行試轉，設計以0.02 rad/min速度進行轉動，共轉動73.5°，時長為64 min，預留3°～5°采用點動轉體，以保證梁體轉位準確。結構重心：轉體施工前調整結構偏心誤差≤0.10 m；平轉角度：約74°(以施工時實際測量數據為準)；平轉速度：角速度ω≤0.02 rad/min；梁端部水平線速度υ≤1.2 m/min。

3.1.2 箱梁位置的控制

橋面兩端頭中心軸線合龍前2 m內時，監測點人員需每隔10 cm給控制臺報告一次監控數據；當橋面兩端頭中心線合龍前30 cm內，則每1 cm報告一次數據給控制臺；當到達合龍前5 cm內時，則要求每1 mm報告一次，以保證控制臺精準掌握轉體情況，達到轉體要求。

3.1.3 定位

轉動最后階段，利用千斤頂調整梁體姿態，使得梁體中心線與設計位置重合，梁體精準就位，就位后利用鐵楔將撐腳與滑道鋼板楔緊固定，以保持梁體結構的穩定。

3.1.4 封固上下轉盤

平面位置和標高符合規范要求后，進行轉體定位，為防止產生位移需要在撐腳量測下轉盤上焊接型鋼反力架，同時采用鋼楔塊進行臨時鎖定。然后將底盤清洗干凈，焊接預留鋼筋，澆筑C50微膨脹混凝土，上下盤連接成整體。

3.1.5 合龍段施工

兩個邊墩合龍段采用支架現澆法施工。合龍段長度為5 m。

3.2 監控量測

鑒于本橋的復雜性及特殊性，對轉體施工進行典型振動測試，測試結果如圖7所示。

(a)墩頂順橋向振動時程

由圖7可知，在轉體過程中梁體振動明顯加大，梁端最大豎向振動加速度為21.5 mm/s2，最大橫向振動加速度為10.5 mm/s2，最大順橋向振動加速度為5.4 mm/s2。在試轉過程中梁端豎向振幅<經驗預警值50 mm/s2。

4 結語

津石高速公路上跨京九鐵路立交橋工程，主橋跨度布置為2×65 m連續T構，采用大節段現澆、轉體法施工，轉體重量為14 500 t。本文通過對該轉體主橋的結構設計，確定了轉體施工方法，同時在施工過程中進行了現場監控量測，結果表明轉體施工各項指標符合標準要求，施工安全。