上跨鐵路轉體橋梁設計與施工關鍵技術

張文進，曹 文

（1.中國華西工程設計建設有限公司，廣東 廣州 510062；2.中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都 611731）

0 引言

根據鐵路管理部門要求，上跨鐵路橋梁應充分考慮施工對鐵路運營的影響，一般有3 種可行的建設方案：

（1）架橋機施工，搭設防護棚防護；

（2）掛籃懸臂施工，搭設防護棚防護；

（3）轉體法施工。

根據《中國鐵路總公司運輸局關于穿（跨）越高速鐵路營業線和臨近工程等方案審查有關問題的通知》（運工橋隧函[2013]316 號）及《國鐵集團工電部關于加強穿（跨）越鐵路營業線和鄰近營業線工程方案等審查和施工安全管理的通知》（工電橋房函[2020]48 號），上述3 個可行方案中，應優先選用轉體施工方案，當受場地條件限制，無法采用轉體施工方案時，需經專家論證。因此，越來越多的上跨鐵路橋梁采用轉體法施工，相關行業從業人員亟需學習該工法的設計及施工經驗。

本文以深圳市外環高速公路上跨廣深鐵路橋轉體橋梁為依托，總結該轉體橋梁設計及施工的關鍵技術。

1 工程概況

深圳市外環高速公路位于深圳市北部，西起沿江高速，東至鹽壩高速，全長93.2 km，由深圳段75.8 km，東莞段17.4 km 組成，雙向6 車道。沿線與沿江、廣深、南光、龍大、梅觀、清平、博深、深惠、深汕、東部沿海等10 條高速，以及南坪三期相接，往西通過虎門大橋與佛山、中山、番禺等市相連；路線穿過東莞鳳崗，向北通過莞深、龍大、博深等縱向高速與東莞相連；往東通過深汕、深惠高速與惠州、汕尾等市相連。

該項目在K40+893.3 處與現狀廣深鐵路交叉，道路中心與鐵路斜交72.3°，交叉點廣深鐵路里程為K119+273，位于樟木頭站至平湖站區間。

廣深鐵路共有4 股道，Ⅰ、Ⅱ線通行廣深城際動車組，運營速度200 km/h，按高速鐵路管理；Ⅲ、Ⅳ線通行貨運鐵路，運營速度140 km/h，按普速鐵路管理。上跨處位于直線段，鐵路為路堤段，路堤寬度約23 m，東側為農田，西側為塘天南路。

為減小橋梁施工對鐵路的影響，經過多輪方案比選，擬建上跨橋梁采用2×82.5 m 預應力混凝土T 形剛構體系，平面轉體法施工，橋面整幅布置，主墩設在廣深鐵路東側，一跨跨越廣鐵鐵路和塘天南路。橋下最小凈高為9.72 m，公路橋墩外邊緣距離外側鐵路中心最小距離為19.90 m，梁體預制時梁體結構距離外側鐵路中心最小距離為10.11 m。主橋橋型布置如圖1 所示。

圖1 橋型布置圖（單位：m）

該轉體橋梁于2020 年9 月18 日完成轉體施工，深圳市外環高速公路于2020 年12 月28 日全線通車。

2 主要技術指標

2.1 橋梁設計標準

（1）道路等級：高速公路。

（2）設計行車速度：100 km/h。

（3）汽車荷載等級：1.3×公路-I 級。

（4）地震動峰值加速度0.05g，抗震設防基本烈度為6 度，按Ⅶ度設防。

（5）橋面寬度：33 m = 0.5 m（SS 級防撞墻）+15.25 m（行車道）+0.5 m（內防撞墻）+0.5 m（中分帶）+0.5 m（內防撞墻）+15.25 m（行車道）+0.5 m（SS 級防撞墻）。

2.2 轉體系統設計標準

（1）轉體結構：T 構，跨徑2×82.5 m，轉體懸臂長度2×73.5 m，橋寬33m，轉體重量240 000 kN。

（2）球鉸承載力：設計承載力252 000 kN。

（3）球鉸尺寸：平面半徑2.25 m，球面半徑16.95 m。

（4）轉體角度：順時針水平轉體72.342°。

（5）轉體速度：角速度0.02 rad/min，最大懸臂端線速度1.49 m/min，理論轉體作業時間為63.1 min。

（6）牽引參數：牽引半徑6.25 m，靜摩擦系數取0.1，單側啟動牽引力3 024 kN。

（7）結構偏心：轉體施工前調整后結構偏心值不大于0.05 m。

（8）風荷載：基本風速為13.8 m/s（相當于6 級風），基本風壓取0.13 kN/m2。

3 主梁結構設計

上部結構為（82.5+82.5）m 變高度T 形剛構箱梁橋，采用C55 混凝土，三向預應力體系，縱向按全預應力構件計算。主橋箱梁采用直腹板單箱四室結構，中支點梁高9 m，高跨比為1/9.167；邊支點梁高3.0 m，高跨比為1/27.5。箱梁頂板寬33 m，底板寬25 m，翼緣板懸臂長為4 m。箱梁高度從距墩中心3.5 m 處到合龍處按2 次拋物線變化，箱梁在主墩墩頂0 號塊梁段、邊直段分別設置了2 道厚2 m 和1 道厚1.9 m的橫隔板。頂板厚28 cm，底板厚度30~100 cm，腹板厚度50~80 cm。主梁共利用8 106.3 m3C55 混凝土，522 t 鋼絞線，1 730 t 普通鋼筋。

主橋連續箱梁（轉體段）采用支架現澆法施工。轉體梁段分段長度為21 m（0 號塊）、18 m（1 號塊）、24 m（2 號塊）、21 m（3 號塊），邊跨現澆長6.44 m，合龍段長2.5 m。主梁結構設計如圖2 所示。

圖2 主梁結構設計圖（單位：cm）

主墩采用矩形空心墩，墩身橫橋向頂部寬度為25 m，墩底寬度為16 m，順橋向總寬7 m。主墩頂部與梁體固結，底部與轉體結構的上承臺固結。上承臺高3 m，平面尺寸為14 m×17 m。上承臺下為上轉盤，上轉盤高1 m，直徑12.5 m。

主墩承臺厚度為5.0 m，承臺平面尺寸為20 m×22 m。基礎采用5×5 根鉆孔灌注樁群樁基礎，樁基直徑為2 m，樁間距4.7 m。

反力座設置在主墩承臺，并與主墩承臺一起澆筑。

4 轉體系統設計

該工程轉體重量較大，采用鋼制球鉸作為轉體施工的轉心和承重體系，按中心支撐體系設計。轉體系統總圖如圖3 所示。

圖3 轉體系統總圖（單位：cm）

轉體系統由上下承臺、上下轉盤、上下球鉸、撐腳、滑道、定位骨架、牽引系統等組成，轉體系統以球鉸支承為主，撐腳起抗傾覆作用。轉體系統設計承載力252 000 kN，采用雙側同步液壓連續千斤頂作為牽引動力施加轉動力矩。

該橋轉體噸位較大，球鉸結構復雜，設計中采用專利技術《一種轉體球鉸》（ZL 201420224156.3）[1]。

球鉸包括上球鉸、下球鉸、定位銷軸、型鋼定位骨架、耐磨聚四氟乙烯滑板等構件，為轉體結構的轉動中心，同時承受并傳遞轉體結構全部重量。

上球鉸位于上轉盤底部，為凸面，下球鉸位于下轉盤上，為凹面。球鉸平面半徑2.25 m，球面半徑16.95 m。為防止球鉸在加工、運輸過程中變形，同時加強與上、下盤之間的混凝土連接，球鉸背面設置環形及放射形加勁肋。球鉸中心設置φ300 mm 鋼制定位銷軸，定位軸套穿透于上下球鉸。球面板采用40 mm 厚Q345B 鋼板，加強肋板采用Q235B 鋼板，銷軸采用45# 鍛鋼。

上下球鉸之間設耐磨聚四氟乙烯滑板，容許壓應力不小于100 MPa，黏結在下球鉸的凹球面上，板上設儲脂坑，坑內充滿潤滑硅脂。現場安裝如圖4 所示。

圖4 下球鉸滑板安裝

撐腳共8 個，中心位于R=5.25m 的圓環上，采用鋼管混凝土結構，鋼管采用Q345B 鋼材，厚度16 mm，外徑100 cm，內填C50 微膨脹混凝土。鋼管下設3 cm厚走板，走板底面加工精度為3 級。

滑道環形鋼板厚2.4 cm，通過螺栓與骨架連接，安裝就位后通過螺栓精確調整環形滑板高度，保證撐腳走板與滑道間的縫隙為15 mm。

上轉盤直徑6.25 m，采用C50 預應力混凝土結構，施工前首先安裝臨時支撐。臨時支撐含砂箱及混凝土臨時支墩，砂箱均勻布置于滑道上方的撐腳之間，共8 個；混凝土臨時支墩設置于上轉盤四周，共4個。轉體施工前拆除砂箱和混凝土臨時支墩。

牽引系統由牽引索、牽引反力座及牽引動力設備三部分組成。 該橋單側啟動牽引力設計值為T1=3 024 kN，牽引索采用4 束13Φs15.24 的鋼絞線，抗拉強度1 860 MPa，以P 錨形式預埋在上轉盤內。牽引反力座采用C50 鋼筋混凝土結構，設于下轉盤承臺上，共2 個，尺寸為2.5 m×1.5 m×1.6 m（1.4 m）。牽引動力設備采用連續張拉千斤頂，為保證兩臺千斤頂同步工作，要求千斤頂油泵并聯，并同時具備自動控制和手動控制兩種功能。

5 轉體施工

應盡量選擇無風或微風天氣轉體施工，風力高于5 級時不得轉體。

轉體前應進行稱重試驗，測定結構平衡情況，如不滿足平衡要求須配重。轉體施工前應進行試轉體，檢查平轉牽引系統的性能、整體平衡狀況、測試摩擦系數、最大啟動力，為正式平轉做準備，并應記錄點動試驗結果[2]。

5.1 現場稱重試驗

現場稱重采用規范[2]建議的球鉸轉動法測定。解除上下承臺的臨時固結后，支墩及撐腳和滑道鋼板有接觸，說明球鉸摩阻力矩小于不平衡力矩，千斤頂布置在較重一側，如圖5 所示。

圖5 平衡稱重試驗千斤頂及位移計布置圖（單位：mm）

測試得知：千斤頂同步均勻加載，當總荷載P 升逐級加載到26 040 kN 時，球鉸發生微小轉動；千斤頂逐漸回落過程中，當總荷載P落逐級減載到6 500 kN時，球鉸發生微小轉動。由此分析得出不平衡力矩：

式中：MG為不平衡力矩，kN·m；P 升為梁體頂升時的千斤頂反力，kN；P 落為梁體回落時的千斤頂反力，kN；L 為千斤頂與球鉸的中心距，m。

轉動體摩阻力矩：

式中：MZ為轉動體的摩阻力矩，kN·m。

轉動體偏心距:

式中：N 為轉體系統設計承載力，kN。

根據實測結果可知，轉動體偏心距為38.5 cm＞5 cm，因此需要在較輕側配重。經計算在距離梁端2 m 處，沿腹板位置均勻布置50 塊混凝土立方體，每塊重2.6 t，配置總重量1 293 kN，調整后計算偏心距約為0 cm，可滿足平衡轉體要求。

5.2 試轉試驗

試轉時測量轉動體系的啟動牽引力和轉動牽引力，然后計算靜、動摩擦系數，通過三次牽引力測試，測試結果見表1。

表1 牽引力測試記錄表

通過三次測試結果，轉動體系的平均啟動牽引力為2 356 kN，平均轉動牽引力為907 kN。

由轉體牽引力計算公式[3]：

式中：T 為轉體牽引力，kN；f 為摩擦系數；R 為球鉸平面半徑，m，R=2.25 m；D 為上轉盤直徑，m，D=12.5 m；G 為轉體重量，kN，G=240 000 kN。

可得：啟動時靜摩擦系數為f 靜=0.082，動摩擦系數為f動=0.031。設計時靜摩擦系數選用0.1，動摩擦系數選用0.06 符合實際情況，參數選用合理。

5.3 行程點動試驗

行程點動試驗用于測定牽引鋼絞線與梁端行程之間的相互關系，為轉體最后階段的精確就位提供依據。該項目進行1 mm、3 mm、5 mm、10 mm、20 mm行程點動試驗，相應懸臂端行程為0.012 m、0.035 m、0.059 m、0.118 m、0.235 m。

5.4 轉體精確定位控制

（1）轉體動力系統應具有自動控制和手動控制兩種功能，當主梁端部即將到達設計位置前100 cm時，采用點動操作，并與測量人員密切配合，獲取點動操作時最大弧長轉體數據。

（2）點動操作、精確定位前，先對上部轉體結構進行水平校正。

（3）設置轉體限位裝置，以防超轉。

（4）在梁端設置水平微調裝置，在上轉盤下方設置豎向千斤頂調整縱橫向標高。

該工程轉體過程中撐腳未著地，豎向轉動得到有效控制，轉體完成后水平偏差約1 cm，豎向偏差約0.5 cm。轉體完成后照片如圖6 所示。

圖6 轉體完成后照片

6 結語

該橋是深圳市外環高速公路的控制性工程，橋面寬度及轉體重量均刷新了中國鐵路廣州局集團管轄范圍內記錄，施工難度大，通過該工程的建設，得到如下經驗：

（1）因路線縱坡、施工誤差等因素影響，對稱施工同樣會產生較大偏心距。正式轉體前必須重視稱重試驗及平衡配重工序；

（2）該項目在較輕側懸臂梁體端部附近配置重量1 293 kN 的混凝土塊，結構達到平衡狀態，滿足平衡轉體要求；

（3）通過試轉試驗，測得靜摩擦系數為0.082，動摩擦系數為0.031，說明設計時靜摩擦系數選用0.1，動摩擦系數選用0.06 較為合理；

（4）轉體施工過程中，撐腳全程未接觸滑道，與中心支撐的設計理念相符，說明中心支撐體系同樣適用于寬橋面、大重量轉體橋設計。