公鐵立交橋平轉法施工過程設計

徐志興

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 221000）

1 工程概況

臨淄至臨沂高速公路是其“縱四”線沾化（魯冀界）至臨沂（魯蘇界）高速公路的一部分，北接沾化至臨淄高速公路，南至臨沂；擬建項目與在建埕口至沾化、規(guī)劃沾化至臨淄高速公路連接，位于京滬與長深高速之間，途徑魯中南山嶺重丘區(qū)，兼有高速通道加密分流和服務地方經(jīng)濟干線的功能。

跨越辛泰鐵路立交橋采用（2×50）m 變截面預應力混凝土T型剛構，轉體施工，轉動角度為83.9°。

2 基本資料

本橋成橋結構為（50+50）m T 構，上部采用分節(jié)段滿堂支架施工，墩底整幅平面轉體法，轉體部分為（46+46）m T 構。上部結構整幅設計，主墩采用矩形空心墩設計，橋面全寬38.2 m，轉體重量12 600 t。

主墩采用墩梁固結，箱形截面，墩身縱橫向尺寸15.0 m×6.0 m，墩壁厚度1.0 m。承臺分上下兩層，上承臺兼作轉體支座的上轉盤，高3.9 m。上層施工完畢后為邊長16 m 的正方形，高2.0 m。下承臺順橋向尺寸21.5 m，橫橋向尺寸21.5 m，高3.0 m。上承臺采用兩向預應力體系，轉體完畢后用混凝土封閉轉體支座。鉆孔灌注樁基礎，樁基采用25根Φ 1.8 m 的鉆孔灌注樁，按嵌巖樁設計。主橋立面布置如圖1所示。

圖1 主橋立面布置圖（單位：cm）

3 轉體施工過程計算

轉體結構由下轉盤、球鉸、上轉盤、轉體牽引系統(tǒng)等組成［1-6］。轉體結構重量通過上承臺傳遞給球鉸，再由球鉸傳遞給下轉盤。

3.1 轉體總重量計算

①轉體時墩頂及墩身重量為110 816.94 kN（主梁：3 686×26=95 836 kN；防撞護欄：39.18×26×2=2037.36 kN；主墩：497.83×26=12 943.58 kN）。

②上轉盤重量為556.08×26=14 458.08 kN。

③撐腳重量為195+19.8×26=709.8 kN。

④計算用轉體總重量N=126 000 kN。

3.2 施工誤差產(chǎn)生的縱橋向偏心彎矩

橋梁設計為左右對稱結構，理論上橋梁轉體時結構自重是不會產(chǎn)生偏心彎矩的，考慮到施工誤差，偏心距離按0.20 m 計。施工誤差產(chǎn)生的偏心彎矩為：126 000×0.2=25 200 kN·m。

3.3 球鉸應力驗算

球鉸應力計算考慮兩種荷載工況：結構無偏心荷載工況；考慮風荷載等不利影響的偏心荷載工況。

工況1：轉體處于平衡時，結構豎向力全部由球鉸承擔，N球=N=126 000 kN。

工況2：轉體傾斜時，結構豎向力由球鉸與撐腳共同承擔，N球=N=126 000 kN。

橫橋向靜陣風荷載作用點至球鉸的距離（上部梁）為6.1+6+2+2.15=16.25 m，橫橋向靜陣風荷載作用點至球鉸的距離（橋墩）為6.9 m，M橫=11 286.4 kN·m。

縱橋向靜陣風荷載作用點至球鉸的距離為16.25 m，M縱=25 200+2 626.9=27 826.9 kN·m。

3.3.1 無偏心工況下球鉸計算（工況1）。滑片設計采用Φ60×18 mm 四氟乙烯滑片，容許應力不小于100 MPa，下承臺采用C55混凝土，抗壓強度設計值為24.4 MPa。下球鉸應力公式如式（1）。無偏心工況下球鉸驗算如表1所示。

表1 無偏心工況下球鉸驗算

式中：N球為球鉸中心反力，kN；A為球鉸殼面積，mm2。

3.3.2 偏心工況下球鉸計算（工況2）。偏心工況下球鉸應力具體計算公式如式（2）至式（4）。偏心工況下球鉸驗算如表2所示。

表2 偏心工況下球鉸驗算

式中：N球為球鉸中心反力，kN；A為滑動片總面積，mm2；M為工況2下球鉸中心彎矩，kN·m；W為抵抗矩，mm3；W滑片為滑片抵抗矩，mm3；W下球鉸為下球鉸抵抗矩，mm3。

①滑片抵彎矩。滑動片對球鉸中心的抵抗矩如式（5）。

式中：S為滑動片截面積，mm2；S=1/4×π×r2，r為滑動片直徑60 mm；R1為滑動片中心至球鉸中心距離，mm。

經(jīng)計算：W滑片= 21 205.75 mm3（單 個），S=2 827.433 4 mm2（單個）。球鉸共計滑片1 101 片，W總=4 137 319 660 mm3。

②下球鉸抵彎矩。下球鉸直徑R=4 000 mm，下球鉸抵抗矩W下球鉸=6 283 185 307 mm3。

3.4 球鉸轉動牽引力計算

張拉牽引索采用19 根公稱直徑Φs=15.2 mm 的低松弛鋼絞線，單根鋼絞線的面積As=139 mm2，牽引索安全率取2.0。牽引索應力容許值［σ］=1 860 MPa/2=930 MPa。球鉸半徑R=2.0 m，轉臺直徑D=12.9 m，μ 為球鉸摩擦系數(shù)，μ靜=0.1，μ動=0.06。轉體傾斜，且撐腳處于受力狀態(tài)，為球鉸轉動扭矩最大狀態(tài)。球鉸中心反力如式（6），N撐腳為撐腳反力如式（7）。

式中：M為各工況下球鉸中心彎矩，kN·m；L為撐腳中心至球鉸中心距離5.9 m。

3.4.1 無偏心工況下。轉體總重G=126 000 kN。啟動時球鉸及滑道摩擦系數(shù)按靜摩擦系數(shù)μ靜=0.1，啟動時所需最大牽引力F=2/3×（R×G×μ靜）/D=1 302.3kN，啟動時所需最大扭矩T=F×D=16 800 kN·m；轉動時球鉸及滑道摩擦系數(shù)按靜摩擦系數(shù)μ動=0.06，轉動時所需最大牽引力F=2/3×（R×G×μ動）/D=781.4 kN，轉動時所需最大扭矩T=F×D=10 080 kN·m。取啟動時的牽引力計算鋼絞線應力計算得，牽引索應力σ=F/（19×As）=493.1 MPa＜［σ］=930 MPa，滿足要求。

3.4.2 有偏心工況下（橫向風力）。橫橋向靜陣風荷載作用下，M橫=11 286.4 kN·m，故N撐腳=M/R=1 913.0 kN，計算得，N球=G-N撐腳=124 087.0 kN；啟動時球鉸及滑道摩擦系數(shù)按靜摩擦系數(shù)μ靜=0.1，啟動時所需最大牽引力F=2/3×［（R×N球×μ靜）/D+（L×N撐腳×μ靜）/D］=1 340.9 kN，啟動時所需最大扭矩T=F×D=17 297.4 kN·m；轉動時球鉸及滑道摩擦系數(shù)按靜摩擦系數(shù)μ動=0.06，轉動時所需最大牽引力F=2/3×［（R×N球×μ動）/D+（L×N撐腳×μ動）/D］=804.5 kN，轉動時所需最大扭矩T=F×D=10 378.4 kN·m；取啟動時的牽引力計算鋼絞線應力計算得，牽引索應力σ=F/（19×As）=507.7 MPa＜［σ］=930 MPa，滿足要求。

3.4.3 有偏心工況下（縱向風力）。縱橋向靜陣風荷載作用下，M縱=27 826.9 kN·m，故N撐腳=M/R=4 716.4 kN，計算得，N球=G-N撐腳=121 283.6 kN；啟動時球鉸及滑道摩擦系數(shù)按靜摩擦系數(shù)μ靜=0.1，啟動時所需最大牽引力F=2/3×［（R×N球×μ靜）/D+（L×N撐腳×μ靜）/D］=1 397.4 kN，啟動時所需最大扭矩T=F×D=18 026.3 kN·m；轉動時球鉸及滑道摩擦系數(shù)按靜摩擦系數(shù)μ動=0.06，轉動時所需最大牽引力F=2/3×［（R×N球×動）/D+（L×N撐腳×μ動）/D］=838.4 kN，轉動時所需最大扭矩T=F×D=10 815.8 kN·m；取啟動時的牽引力計算鋼絞線應力計算得，牽引索應力σ=F/（19×As）=529.1 MPa＜［σ］=930 MPa，滿足要求。

3.5 支撐腳應力驗算

支撐腳反力按球鉸中心至支撐腳中心長的簡支梁計算，本橋上轉盤上，沿撐腳中心線共設置了12 對撐腳，從安全的角度考慮，偏心彎矩所產(chǎn)生的反力假定由1 對撐腳承受，鋼管內混凝土只對鋼管起保護局部失穩(wěn)的作用。撐腳采用Q235 鋼管，容許應力不小于200 MPa，撐腳中心至球鉸中心距離R=5.9 m，撐腳鋼管外徑D=0.8 m，撐腳鋼管壁厚t=0.024 m，偏心彎矩M縱=27 826.9 kN·m，N撐腳=M縱/R=4 716.4 kN，σ撐腳=N撐腳/A撐腳=79.9 MPa，滿足要求，A撐腳為一個撐腳鋼管圓環(huán)面積0.059 m2。

3.6 慣性制動距離計算

為使轉體準確就位，轉體停止施加外部牽引力時，由于其自身慣性將繼續(xù)滑動一段距離后才靜止，此距離為慣性制動距離。計算將轉體簡化為一個重G的剛體沿球鉸半徑2/3 的圓周轉動，當轉體由動變靜時，根據(jù)能量守恒原理，摩擦力所做的功應對于轉體由動變靜的動能。梁體轉動半徑R=46.0 m，轉動角速度為0.015 rad/min，轉體總角度83.9°，轉體時間t=83.9×π/180/0.015=97.6 min。梁端線速度V1=0.69 m/min，球鉸半徑r=2.0 m，球鉸2/3處線速度V=V1/R×r×2/3=0.02 m/min。

3.6.1 無偏心工況下。轉體總重G=126 000 kN。轉體動能W=25.2 kJ。動摩擦力在球鉸中心彎矩M=F×D=10 080 kN·m。轉動α 角摩擦力做功W=α×M，轉動角度α=W/M=0.002 6 rad。慣性制動距離L=α×R=0.12 m。

3.6.2 有偏心工況下（橫向風力）。橫橋向靜陣風荷載作用下，轉體失去平衡時，摩擦力所做的功為球鉸與撐腳摩擦力所做功之和。橫橋向靜陣風荷載作用下，M橫=11 286.4 kN·m。所以，N撐腳=M/R=1 913.0 kN，計算得，N球=G-N撐腳=124 087.0 kN。轉體動能W=24.8 kJ。動摩擦力在球鉸中心彎矩M=F×D=10 378.4 kN·m。轉動α角摩擦力做功W=α×M，轉動角度α=W/M=0.002 34 rad。慣性制動距離L=α×R=0.108 m。

3.6.3 有偏心工況下（縱向風力）。縱橋向靜陣風荷載作用下，轉體失去平衡時，摩擦力所做的功為球鉸與撐腳摩擦力所做功之和。縱橋向靜陣風荷載作用下，M縱=27 826.9 kN·m。所以，N撐腳=M/R=4 716.4 kN，計算得，N球=G-N撐腳=121 283.6 kN。轉體動能W=24.3 kJ。動摩擦力在球鉸中心彎矩M=F×D=10 815.8 kN·m。轉動α角摩擦力做功W=α×M，轉動角度α=W/M=0.002 08 rad。慣性制動距離L=α×R=0.10 m。

綜上計算，立交轉體時間97.6 min。處于平衡時，需要慣性制動距離0.12 m；處于偏心時，需要慣性制動距離0.108 m。

4 結論

轉體施工過程中技術參數(shù)對轉體施工的順利進行具有十分重要的指導意義。本研究結合臨淄至臨沂高速公路上跨辛泰鐵路立交橋，詳細介紹了平衡荷載工況及偏心荷載工況下轉體球鉸應力、轉動牽引力、撐腳應力及慣性制動距離等轉體施工控制工藝參數(shù)的計算。通過對辛泰鐵路轉體T 構橋的設計簡述，可以得出以下結論。

①轉體T 構橋在跨越鐵路線路的橋型方案中，具有明顯的優(yōu)勢，可最大程度地減少橋梁施工對既有鐵路運營的影響。

②球鉸無偏心荷載正應力為9.87 MPa，球鉸有偏心荷載正應力為14.3 MPa，均滿足承載力要求。

③采用19根Φs=15.2 mm的鋼絞線可滿足轉體施工過程中千斤頂張拉需求，并且安全儲備系數(shù)不小于2。

④轉盤撐腳采用直徑80 cm，壁厚24 mm 的Q235鋼管，在偏心荷載工況下?lián)文_正應力79.9 MPa，滿足承載力要求。

⑤轉體處于平衡時，需要慣性制動距離0.12 m；處于偏心時，需要慣性制動距離0.108 m。施工時應根據(jù)實際情況預留慣性制動距離，以免發(fā)生超轉。