跨越既有鐵路混凝土橋梁轉體系統設計與應用

摘要：混凝土橋梁轉體系統容易受到結構摩擦系數、抗傾覆力矩等參數的影響，導致轉體系統穩定性與準確性較差，因此設計一種跨越既有鐵路混凝土橋梁轉體系統.該系統由球鉸、撐腳、滑道、轉盤、牽引力設備、助推及微調結構組成.在此基礎上，設計轉體施工橋梁下承臺受力參數，并計算抗傾覆力矩、撐腳與環道間隙，同時設計混凝土橋梁轉體系統轉動前、轉動時的控制策略，以此完成跨越既有鐵路混凝土橋梁轉體系統設計.結果表明，所設計的系統下轉盤應力值變化幅度較小、側應力變化幅值較小、全橋實測標高與轉動標高相差小，梁端豎向振幅、梁端橫向振幅、梁端豎向加速度、梁端橫向加速度的變化較小，實驗證明該系統穩定性較好，并且轉體前后偏差較小，能夠精準到達指定位置.

關鍵詞：既有鐵路；混凝土橋梁；轉體系統；球鉸；撐腳

中圖分類號：TU42 文獻標志碼：A

文章編號：2095-6991（2023）01-0077-07

Abstract：The swivel system of concrete bridge is easily affected by structural friction coefficient， anti-overturning moment and other parameters， resulting in poor stability and accuracy of the swivel system. Therefore， a swivel system of concrete bridge crossing the existing railway is designed. This system is composed of ball joint， support foot， slide， turntable， traction equipment， boost and fine-tuning structure. On this basis， the stress parameters of the bearing platform under the swivel construction bridge are designed， the anti-overturning moment and the clearance between the support foot and the ring road are calculated， and the control strategies before and during the rotation of the swivel system of the concrete bridge are designed， so as to complete the design of the swivel system of the concrete bridge crossing the existing railway. The example analysis results show that under the designed system， the variation amplitude of turntable stress value is smaller， the variation amplitude of lateral stress is smaller， the difference between the measured elevation of the whole bridge and the rotation elevation is smaller， and the variation of beam end vertical amplitude， beam end transverse amplitude， beam end vertical acceleration and beam end transverse acceleration is smaller， which proves that the system has better stability and smaller deviation before and after rotation， and it can reach the designated position accurately， which proves the rotation accuracy of the system.

Key words：existing railway; concrete bridge; swivel system; spherical hinge; support foot

由于交通對于國家發展及人們生活有非常重要的意義，因此各城市逐漸增強了鐵路、公路以及橋梁等工程的建設力度.因為工程建設的土地有限，所以道路之間的平面交叉問題成為阻礙橋梁建設的重要因素.為了減少新建橋梁對現有橋梁的影響，較多工程都采用平轉法進行施工.平轉法即轉體施工，其實質是將橋梁在別處制造，然后通過轉動系統，利用千斤頂等設備將制造好的橋梁移動到指定位置上.這種施工方法能夠在很大程度上減少對現有交通的影響，能夠節省鋼材與模板，已經被廣泛應用到實際工程中.

轉動系統的運動與動力參數較為復雜，缺少嚴謹的設計結構與計算標準，在轉體過程中容易受到偏載與不平順因素的影響，出現轉體系統失穩的現象.為了解決當前存在的問題，需要對轉體系統精細理論分析和合理計算，設計一個跨越既有鐵路混凝土橋梁轉體系統，保證鐵路混凝土橋梁轉體施工的安全順利進行.

1 跨越既有鐵路混凝土橋梁轉體體系

1.1 轉體系統結構設計

此次研究的跨越既有鐵路混凝土橋梁轉體系統主要由轉盤、球鉸、轉體牽引系統和撐腳滑道等組成，轉體系統的結構如圖1所示.

在整個系統中，轉盤和球鉸為轉體結構的受力與傳力部分，撐腳滑道的主要功能是保證轉體系統轉體時的穩定性.

1.1.1 球鉸

球鉸的下面板為凹面，上面板是凸面，均由鋼球面板制作而成，這種制作方式的目的是讓中心轉盤更好地貼合系統[1].設計時，將轉盤放置到牽引轉盤中，兩者連接方式為牽引式連接，其結構如圖2所示.

為保證球鉸在施工時不發生偏移，將其利用混凝土固定連接，并將其背部安裝肋條，防止在運輸過程中出現變形的情況.球鉸體的材料參數如表1所列.

在球鉸安裝時，在下層混凝土強度達到25%后再進行安裝，并保證骨架頂面安裝后其相對高度在5 mm內，在多次檢查后，將下球鉸安裝到其中，使球鉸與骨架中心充分重合[2].在安裝中，采用千斤頂、撬棍等工具精確調整其位置.

1.1.2 撐腳、滑道設計

撐腳與滑道能夠保證轉體系統的穩定性，因此本文共安裝6個撐腳，并在撐腳處安裝滑道[3].滑道以及撐腳的布置結構如圖3所示.

為保證轉體系統的穩定性，將撐腳設置為雙圓柱形，并在撐腳內放置混凝土.同時，為了保證轉體系統的穩定性，將滑道安裝到同一個平面中，還需要將偏差控制在0.5 mm以內.

撐腳與滑道均在場外設計與制造，在設計制造完成后運入工地[4].為了保證滑道與撐腳順利滑動，在安裝時支撐20 mm鋼板.

1.1.3 轉盤設計

轉盤是該系統的一個重要部件，上部結構和主體重量作用在上轉盤上，通過上轉盤傳遞荷載，傳遞給球鉸[5]，再由球鉸傳遞給下轉盤.上盤尺寸設為13 m×13 m×2.5 m×2.5 m.下轉盤布置鋼絞線，混凝土分層澆筑，灌注過程中加強養護，控制溫度變形，減少裂縫產生[6].

為保證上下轉盤結構穩定 [7]，設計主要分為4個階段：

（1）下轉盤施工結束后，確保第一次預應力筋的拉伸完成；

（2）在拆除支架之前，對第二批預應力筋張拉[8]；

（3）在第二批應力筋張拉完成后，將支架拆除.

由于轉體結構上轉盤、下轉盤主要以受壓為主，所以需要將最大的壓應力保持在7 MPa范圍內.

1.1.4 牽引力設備

牽引力設備[9]主要由表2所列設備組成.

在牽引過程中，需要預埋鋼絞線，將鋼絞線穿過千斤頂后平行纏繞2周，保證鋼絞線緊密貼合.在轉動時，拽動鋼絞線就能夠實現轉體結構的轉動，清除鋼絞線的銹跡與油污，防止出現其他意外情況.

1.1.5 助推結構設計

當牽引系統不能正常工作時，助推結構主要預緊、助推供油設備作用是提供克服動、靜摩擦阻力的力偶，這是一種應急手段.在每個轉體系統頂部安裝12根鋼絞線[10]，全負荷時為2 000 kN[11].

1.2 轉體系統模塊設計

轉體系統模塊設計內容如圖4所示.系統模塊設計目的是提高轉體的穩定性及準確性.

1.2.1 轉體施工橋梁下承臺受力參數計算

由于球鉸和轉盤都是轉體結構中的受力部分，所以在設計時需要對轉體施工橋梁下承臺受力參數進行計算，以提高轉體系統的穩定性.由于轉體過程中樁的反力分布不均勻[12]，如果封鉸后的承臺是剛性的，在后期荷載的作用下，樁反力就會逐漸趨于均勻，為此用承臺-樁的相對剛度系數β確定承臺的厚度，計算公式如下：

公式（1）中，L、B分別表示承臺的參數，ER表示承臺混凝土的彈性模量，H表示承臺的厚度值，a表示經驗系數，DP表示樁徑，KP表示樁的豎向[HJ57x]支撐剛度值，D表示荷載作用下周邊到樁中心的最近距離參數，sa為規則參數.

下承臺的最小剛度系數[13]通過公式（2）確定：

公式（2）中，η表示轉體噸位占結構總重的比例.

利用上述步驟計算承臺厚度，并對承臺變形分析，以保證承臺的承載力和變形可以滿足設計需求.

1.2.2 平轉施工抗傾覆計算

抗傾覆性是轉體系統設計的關鍵內容，抗傾覆計算主要確定環道及撐腳尺寸[14]，驗算撐腳承載力是否滿足要求以及球鉸中心抗剪計算等，具體計算過程如下：

Step 1 撐腳與環道.

將抗傾覆力矩表示為：

公式（3）中，R′表示球鉸體系的環道半徑值.

撐腳以及球鉸都屬于面支撐，上部結構荷載屬于分布荷載，為此需要計算撐腳的受力，計算公式為：

公式（4）中，G表示上部結構荷載等效集中力，e表示偏心力，e1表示軸心力.

Step 2 撐腳與環道間隙取值.

支撐腳與環道間的間隙大小決定了轉動體可能產生偏轉的范圍，若間隙過大，轉動提桿將更劇烈搖晃，導致穩定性下降；若間隙較小，則易導致支撐腳與環道互相卡住，使牽引力增大，造成轉動不動，其關系表示為：

公式（5）中，h代表高度值，δ代表間隙值.

為了保證獲得接觸表面的正應力，并使球鉸接面密合，應進行荷載計算.根據彈性力學知識，可以明確半平面體的邊界作用.徑向應力為：

公式（6）中，F表示集中力大小，θ表示球面某一點的徑向角，ρ代表球的半徑.

Step 3 牽引力計算.

將球鉸轉動摩擦力矩表示為：

公式（7）中，R表示球體半徑，W表示球體的重量值，μ表示球鉸轉動過程中的摩擦系數.

球鉸下轉盤混凝土的計算應力表示為：

公式（8）中，D表示下盤與球鉸接面的直徑，K表示偏移效應增大系數，d表示轉體的重量.

Step 4 不同受力工況下拉壓桿模型建立[15].

由于承臺結構荷載條件變化，其拉壓桿結構也會發生變化，將這種情況表示為：

公式（9）中，F表示等效集中力，x表示樁中心至墩身邊緣的距離，h0表示混凝土強度設計值，c表示底部拉桿內力值.

經過上述控制后，能夠提高系統穩定性.

1.2.3 橋梁轉體系統控制

在此基礎上，提出轉體施工前、施工過程中以及精確定位的控制流程.

轉體工作步驟為：①拆除箱梁腳手架；②拆除砂箱；③清理滑道并涂上黃油；④確認箱梁平衡配重；⑤再次檢查轉體牽引設備是否安全就位，并配置好電源與主控臺，保證發電機能夠與主電源自動切換裝置.

轉體過程控制步驟為：①試轉，正式轉體前2天進行試轉，并納入監測計劃，將試轉時得到的各項參數作為正式轉體控制的參數；②在設備檢查好后，與當地氣象局溝通，得到正式施工當天的天氣情況，以避免不利天氣對轉體施工的影響.各監控點的工作人員需要實時監控轉體系統，當轉體梁兩端中心軸線在合攏前2米內時，監控臺人員將監測數據發送到控制臺.此外，在轉臺時，還需設置轉體平移的技術指標，如表3所列.

通過上述控制，能夠保證工作人員實時掌握系統的工作狀況，并根據當前情況操作系統，保證施工滿足設計需求.

轉體施工精確定位控制步驟為：①當轉體梁端部到達設計位置前100 cm時，與現場測量人員進行配合；②對轉體限位裝置設置，防止出現超轉的情況；③在梁端設置水平微調裝置，目的是調整其橫向縱向標高；④為保證轉體安全，監測單位需要對撐腳、球鉸等應力變化時刻計算與跟蹤，若有必要需要及時調整.

轉體過程中限位控制及球鉸約束固定步驟為：①點動梁體中心線在接近指定位置時停止牽引，利用慣性就位；②當轉體系統達到設計位置后，將系統設置為暫停，并進行點動式操作，保證結構準確就位；③轉裝就位后檢測高度、平面位置是否達到設計要求；④為了使混凝土壓實，將澆筑外側的混凝土預留搗孔.

通過上述過程對跨越既有鐵路混凝土橋梁轉體系統各個工序進行控制，以此完成混凝土橋梁轉體系統的設計.

2 跨越既有鐵路混凝土橋梁轉體系統應用效果

本文實驗以某高速公路上跨某鐵路立交橋工程為例進行測試，該項目是全線重點控制性工程之一，也是全線唯一一座轉體橋.該項目的詳情如下：①全橋設計形式為18×30（預制梁）+2×65（轉體T構）+20×30（預制梁）m，全長1 277 m;②主橋采用2×65 m（轉體T構），上跨某鐵路，長130 m，寬33.5 m，轉體重量為1 4500 t;③梁體T構采用單箱三室斜腹板箱形截面，中支點中心梁高為6.5 m，端部梁高為3.3 m;④轉體結構由下轉盤、轉體支座、上轉盤、轉體牽引系統組成，轉盤結構采用環道與中心支撐相結合的轉動體系.

此次研究以某高速公路上跨某鐵路立交橋工程為例，驗證設計的混凝土橋梁轉體系統在實際中的應用效果、實驗準備及過程如下：

（1）將梁頂所有設備、機具以及材料等物品全部撤除；

（2）對上轉盤撐腳間隙進行調查，測量轉體梁的高程；

（3）將砂箱與支架拆除，保證在拆除過程中不觸碰位移計；

（4）等結構穩定后，對轉體梁狀態進行多方面測試.

施工的重點與難點為：橋梁結構容易出現較大的傾覆情況；轉體過程中側應力、振幅、加速度變化大，因此轉體過程的平穩性較低，大抖動情況的發生概率高；全橋實測標高與轉動標高差值較大，說明轉體幅度大；轉體過程中的偏差較大且難以控制.

將本文所設計方案應用至某高速公路上跨某鐵路立交橋工程中，重點對轉體過程中下轉盤應力值、側應力、振幅、加速度、轉動標高和轉體偏差進行控制，用于提升施工質量.

2.1 轉盤應力值分析

分析鐵路混凝土橋梁轉體系統的下轉盤應力值，結果如表4所列.

分析表4可知，轉體前與轉體后的壓力差值較小，說明轉體過程中，下盤的應力值變化較小，轉體過程穩定，橋梁結構沒有出現較大的傾覆情況.

2.2 轉體過程中的側應力變化分析

混凝土橋梁轉體系統在轉體過程中的應力變化情況如圖5所示.

通過分析圖5能夠發現，在轉體過程中，側應力變化幅值也較小，也能夠證明轉體過程的平穩性.

2.3 轉體過程中運動參數變化情況分析

轉體系統在轉體過程中各項運動參數的變化情況如表5所列.

所研究的系統在轉體過程中，豎向振幅最大值小于1 mm，豎向全程控制與橫向加速度的最小值都達到了規定，說明所研究系統能夠保證轉體過程平穩，減少大抖動情況的發生.

2.4 全橋實測標高與轉動標高對比

利用所研究的跨越既有鐵路混凝土橋梁轉體系統進行轉動，對比實際橋梁高度與系統轉動高度，標高對比結果如圖6所示.

分析圖6可知，全橋實測標高與所研究系統轉動高度差值較小，滿足設計需求，證明所研究的轉體系統應用效果較好.

2.5 轉體偏差分析

系統在轉體過程中的偏差如圖7所示.

通過分析圖7能夠發現，所研究的轉體系統在幾次實驗中轉體偏差都較小，說明所研究的系統能夠將其轉送到適當位置內，減少轉動誤差，提高系統的工作效果.

綜合上述實驗結果可以看出，所研究的混凝土橋梁轉體系統不僅提高了轉體結構穩定性，還降低了轉體偏差.該系統設計多個硬件結構，為系統穩定運行提供了支持.在軟件部分，對各個結構的壓力、抗傾覆等參數進行了計算，通過計算對各個構件準確控制，提高其穩定性，并設計了轉體系統多個方面的控制過程，進一步降低了轉體偏差.

3 結語

本文主要設計了一種跨越既有鐵路混凝土橋梁轉體系統，該系統由球鉸、撐腳、滑道、轉盤、牽引力設備等組成.為了進一步提升轉體系統應用效果，設計轉體施工橋梁下承臺受力參數，并計算抗傾覆力矩、撐腳與環道間隙，據此設計轉體系統轉動前、轉動時的控制策略，以此提升混凝土橋梁轉體系統應用效果.結果證明該系統的穩定性較好，并且轉體前后偏差較小，能夠精準到達指定位置，說明該系統的技術水平較高.該系統受力明確，工藝簡單，施工周期短，安全可靠，能減少施工干擾，降低施工風險，可以有效縮短施工成本，提升施工質量.由于研究時間有限，所提出的系統還有不足之處，在后續研究中，將進一步分析設計，使其在跨河、跨深溝等橋梁領域都得到廣泛應用.

參考文獻：

[1] 寇延春.福廈高鐵預應力混凝土T構橋設計研究[J].世界橋梁，2020，48（S1）：80-84.

[2] 陶然，陳曉輝.鐵路橋梁鋼門式墩設計研究[J].鐵道標準設計，2020，64（S1）：163-167.

[3] 王琦，靳文強.日本大跨高速鐵路橋——三內丸山跨線橋設計與施工[J].世界橋梁，2019，47（6）：1-5.

[4] 高玉祥，董曉峰，韓峰.基于多維空間相似理論的鐵路橋梁智能設計方法[J].鐵道標準設計，2020，64（12）：71-75.

[5] 姚南.時速400 km高速鐵路50 m跨鋼-混凝土結合梁設計[J].鐵道標準設計，2020，64（S1）：172-176.

[6] 王淑桃.鐵路橋梁混凝土工程造價大數據計算模型優化設計[J].混凝土，2020（2）：175-178.

[7] 劉尊穩.基于線橋一體化模型的高速鐵路橋梁抗震性能及設計方法研究[J].巖石力學與工程學報，2020，39（5）：1080.

[8] 肖沖.架橋機更換既有鐵路橋梁施工技術[J].施工技術，2019，48（9）：114-116.

[9] 王崇淦，蔣志琳，朱禹，等.大面積堆土荷載對既有高鐵橋梁樁基承載性能影響分析[J].鐵道科學與工程學報，2020，17（5）：1090-1096.

[10] 肖宇松，陳銀偉.極不平衡橋梁轉體球鉸設計方法[J].鐵道建筑，2019，59（11）：26-28.

[11] 李輝，鄒永偉，徐升橋，等.永臨結合的墩頂轉體法在鐵路連續梁橋施工中的應用研究[J].鐵道標準設計，2019，63（2）：66-70.

[12] 丁仕洪.96m鋼-混組合桁架梁橋異位成型及轉體施工技術[J].橋梁建設，2020，50（1）：116-120.

[13] 張文斌，文功啟.某中低速磁浮試驗線橋梁總體設計[J].鐵道標準設計，2019，63（6）：93-97.

[14] 李俞凜，崔鳳坤，苗雷，等.基于新式撐腳的寬幅超重橋梁轉體施工工藝及力學性能研究[J].公路，2020，65（11）：220-223.

[15] 占有志.超大噸位非對稱曲線梁斜拉橋轉體施工技術[J].施工技術，2019，48（11）：54-58.

［責任編輯：李 嵐］

作者簡介：陳德斌（1975-），男，湖北襄陽人，中級工程師，研究方向：橋梁、房建、道路工程等.E-mail：838150668@qq.com.