寬幅曲線轉(zhuǎn)體T形剛構(gòu)橋穩(wěn)定性分析

袁霖宇

(廣東省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507)

0 引 言

近幾年,隨著基礎建設大規(guī)模的發(fā)展,出現(xiàn)越來越多跨越既有運營鐵路的工程項目。為了避免中斷或干擾鐵路運輸,保證鐵路干線的正常運營,目前最常用的方法是轉(zhuǎn)體施工法,尤其是平轉(zhuǎn)體施工法。2020年中國國家鐵路集團發(fā)文，明確要求公路、城市軌道交通和道路上跨高速鐵路及其相關聯(lián)絡線和動車走行線的路基、橋涵地段,橋梁施工應優(yōu)先采用轉(zhuǎn)體施工方案。轉(zhuǎn)體施工不僅能確保鐵路運輸?shù)陌踩珪惩?還能取得良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

1 工程概況

該項目為某高速跨越韶贛鐵路初步設計,方案擬采用2×75 m預應力混凝土T形剛構(gòu)橋跨越鐵路平面轉(zhuǎn)體施工，如圖1所示。以其中右幅橋為例,橋梁寬度25.1 m;橋梁位于曲線段上,曲線半徑R為2 200 m;轉(zhuǎn)體半徑為64 m,轉(zhuǎn)體角度為99°。橋梁斷面為單箱三室,橋梁主墩為矩形空心墩,墩高13.5 m。轉(zhuǎn)體重量為19 00 t。上、下承臺均為4 m厚,承臺下設有20根φ2.0 m鉆孔灌注樁。

圖1 墩底轉(zhuǎn)體系統(tǒng)圖

2 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設計

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)一般由下轉(zhuǎn)盤、球鉸、上轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)體牽引系統(tǒng)等組成。下轉(zhuǎn)盤為支承轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)全部重量的基礎,轉(zhuǎn)體完成后,與上轉(zhuǎn)盤共同形成基礎;球鉸是平轉(zhuǎn)動法施工過程中的核心部位,要兼顧轉(zhuǎn)體、承重及平衡多種功能;牽引系統(tǒng)是提供轉(zhuǎn)動能力;滑道上的撐腳是轉(zhuǎn)體時支撐轉(zhuǎn)體的保險措施。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)特點,一般橋梁轉(zhuǎn)體過程中有兩種平衡狀態(tài):一種是球鉸承受轉(zhuǎn)體系統(tǒng)以上的全部重量,通過上部結(jié)構(gòu)自重及球鉸摩阻力達到自我平衡,轉(zhuǎn)動過程中撐腳不與滑道接觸;另一種是由球鉸與撐腳共同承受轉(zhuǎn)體系統(tǒng)以上的全部重量,通過多點支撐及相應的摩阻力達到平衡,撐腳與滑道接觸。

在設計過程中往往按第一種平衡狀態(tài)進行設計,但考慮到其他不確定性因素造成橋梁傾覆, 故又必須考進行第二種平衡狀態(tài)下受力分析,以保證撐腳設計合理。

3 偏心設置

對于寬幅曲線段橋梁,一般都存在不平衡彎矩,為保證轉(zhuǎn)體過程中的平衡,可采取的方案有:

A.調(diào)整橋梁結(jié)構(gòu)尺寸,例如曲線外側(cè)腹板加厚、箱梁頂板設不對稱切角等。

B.采用永久結(jié)構(gòu)配重,例如箱室內(nèi)部填砂、加厚橫隔板等。

C.采用臨時配重,待轉(zhuǎn)體完成后拆除,例如在施工過程中設置沙袋、水箱等。

D.預設偏心,保證支撐中心與轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重心一致。

適用于支架法,而本項目擬采用掛籃法懸臂現(xiàn)澆,受掛籃模板限制,改變結(jié)構(gòu)尺寸或永久配重,會增加掛籃加工難度,使掛籃施工煩瑣,不利于結(jié)構(gòu)安全。適用于小噸位不平衡結(jié)構(gòu)進行配重,若采用此方法,會增加結(jié)構(gòu)配重,增大施工難度。綜合考慮,設計采用方案D,即預設偏心來消除不平衡配重。

因結(jié)構(gòu)位于圓曲線上,縱向結(jié)構(gòu)對稱,橫向不對稱,故僅橫向出現(xiàn)不平衡彎矩,轉(zhuǎn)體前最大不平衡彎矩出現(xiàn)在最大懸臂狀態(tài)。計算分析得出,最大懸臂狀態(tài)時墩底最大彎矩為27 118 kN·m,承臺以上轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)總重力為141 768 kN,橫向理論計算偏心為19.1 cm,故預設結(jié)構(gòu)橫向偏心為19 cm。

4 轉(zhuǎn)體施工抗傾覆穩(wěn)定分析

由于T形剛構(gòu)橋迎風面較大,其在轉(zhuǎn)體過程中,由于受風荷載及橋梁兩邊不均勻荷載作用,具有傾覆的風險,故有必要對轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)進行抗傾覆、抗滑動驗算。當處于第一種平衡狀態(tài)時,僅靠球鉸去平衡不利荷載產(chǎn)生的力矩,撐腳不參與工作;當處于第二種平衡狀態(tài)時,通過球鉸與撐腳去平衡不利荷載產(chǎn)生的力矩。

根據(jù)以下三種工況,通過空間有限元軟件MIDAS Civil仿真分析,分別計算兩種平衡狀態(tài)下的穩(wěn)定系數(shù)。

工況1:恒載+二期+縱風荷載+施工不平衡重。

工況2:恒載+二期+對稱橫風荷載。

工況3:恒載+二期+不對稱橫風荷載。

其中根據(jù)調(diào)查,該地區(qū)基本風速V=31.3 m/s,考慮施工過程中的陣風風速,不對稱橫風風壓系數(shù)取0.5。由于施工誤差等原因,會導致T形結(jié)構(gòu)兩端重量存在不平衡彎矩,計算時從梁0#塊中心位置起，到轉(zhuǎn)體一側(cè)最大懸臂處設計理論重量增大3%,另一側(cè)自重減少3%,通過結(jié)構(gòu)容重調(diào)整實現(xiàn)[2]。

《鐵路橋涵地基和基礎設計規(guī)范》(TB 10093-2017)與《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》(JYG 3363-2019)均規(guī)定抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不得小于1.5,施工荷載作用下不應小于1.2;抗滑動穩(wěn)定系數(shù)不得小于1.3,施工荷載作用下不應小于1.2。《橋梁水平轉(zhuǎn)體施工技術(shù)章程》(DG/TJ 08-2220-2016/J 13652-2016)中第4.4.5條規(guī)定轉(zhuǎn)體平衡系統(tǒng)設計抗傾覆系數(shù)不應小于1.3。故本次設計基于保守考慮,轉(zhuǎn)體施工過程中抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)要求不小于1.5,抗滑動穩(wěn)定系數(shù)不小于1.2。

4.1 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計算

第一種平衡狀態(tài)下抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K0為：

第二種平衡狀態(tài)下抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K0為:

式中:R為球鉸半徑;f為球鉸摩擦系數(shù),取值為0.1;G為各豎向力之和;M不平衡為兩邊不平衡自重產(chǎn)生的彎矩;Ti為各水平力;hi為立面各水平力到轉(zhuǎn)動中心的距離;Nu為撐腳軸向承壓承載能力設計值;Nc為撐腳軸向承壓計算值;R′為滑道中心半徑。

兩種平衡狀態(tài)下的受力情況如圖2、圖3所示。

圖2 第一平衡狀態(tài)下受力示意圖

圖3 第二平衡狀態(tài)下受力示意圖

撐腳采用雙鋼管混凝土短柱,鋼管內(nèi)直徑為800 mm,鋼管壁厚為20 mm,鋼管截面積Aa=0.1030 m2,鋼管抗拉強度設計值fa=270 MPa,鋼管內(nèi)填充C55混凝土,截面面積Ac=1.005 3 m2,混凝土抗壓強度設計值fc=24.4 MPa。

表1 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

4.2 抗滑動穩(wěn)定系數(shù)計算

根據(jù)上面三種工況,在工況1和工況2下可能會發(fā)生水平方向滑動;在工況3下,球鉸支撐面內(nèi)可能會發(fā)生轉(zhuǎn)動,故抗滑動穩(wěn)定系數(shù)要根據(jù)這三種工況進行驗算。

水平方向抗滑動穩(wěn)定系數(shù)Kc為:

第二平衡狀態(tài)下,球鉸轉(zhuǎn)動抗力由球鉸和撐腳共同提供,故球鉸支撐面內(nèi)轉(zhuǎn)動抗滑動穩(wěn)定系數(shù)Kz為:

式中：R1為球鉸平面半徑;si為平面各水平到轉(zhuǎn)動中心的距離；f′為撐腳摩擦系數(shù),取值為0.05;G1為球鉸所承受重力;G2為撐腳所承受重力,其余參數(shù)同上述一致。

不同平衡狀態(tài)下抗滑動穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果見表2。

表2 抗滑動穩(wěn)定系數(shù)

上述計算結(jié)果均是基于已設置了橫向偏心而得出的,各項驗算穩(wěn)定性系數(shù)均滿足設計要求。對比分析兩種平衡狀態(tài),在上轉(zhuǎn)盤設置撐腳作為保險措施是很有必要的,能有效地提高結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。在不平衡風荷載作用下,本設計抗扭轉(zhuǎn)滑動的穩(wěn)定性安全儲備較小,因此對結(jié)構(gòu)進行抗扭轉(zhuǎn)滑動的穩(wěn)定性分析是很有必要的。但由于計算中摩擦系數(shù)為經(jīng)驗取值,以及計算公式為理論公式,需對轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設置必要的防轉(zhuǎn)動裝置。

5 結(jié) 論

(1) 當轉(zhuǎn)體T形剛構(gòu)橋梁橋較寬,且位于曲線段上時,由于質(zhì)量中心與結(jié)構(gòu)幾何中心不一致,在自重及均布荷載作用下會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生偏心。對于懸臂現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)預設偏心是較為合理的措施,能有效地消除結(jié)構(gòu)自重及均布荷載所產(chǎn)生的不平衡彎矩,從而保證轉(zhuǎn)體施工過程中的穩(wěn)定性。

(2) 在轉(zhuǎn)體過程中,結(jié)構(gòu)一般處于第一種平衡狀態(tài)下,可第一種平衡狀態(tài)下抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)較低,故轉(zhuǎn)體施工前要進行必要的平衡測試,測定必要的不平衡力矩以及相關摩阻系數(shù),以保證結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)體過程中不傾覆。

(3) 本文結(jié)合理論公式,給出了轉(zhuǎn)體前及轉(zhuǎn)體時兩種平衡狀態(tài)下的穩(wěn)定性分析計算方法,確保在進行轉(zhuǎn)體橋梁設計時,轉(zhuǎn)體系統(tǒng)尺寸合理。