2×75 轉體橋上跨國鐵鐵路T 構設計

吳珍瑞 WU Zhen-rui

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070）

1 工程概述

某新建項目全長為106.7 公里，全線設計速度120km/h，雙向四車道，路基寬度為27m。該高速上跨鐵路立交橋位于直線段，交叉處鐵路里程為K115+417，與鐵路的交角為74.1°。跨越鐵路立交橋采用（2×75）m 變截面預應力混凝土T 型剛構，轉體施工。

鐵路正線為單線電氣化鐵路，國鐵Ⅰ級，建筑限界為6.55m。鐵路軌頂至地面距離約4.3m，接觸網回流線距離軌面8.56m（高）。預留鐵路與鐵路的線間距約為7.2m，位于鐵路南側。

2 橋型方案研究

為避免對鐵路運營產生影響及盡量減小鐵路既有設備安全隱患，主橋采用預應力混凝土T 構一跨過線，轉體法施工。結合研究安全適用、經濟合理的施工要求，最終確定采用（75+75）m 預應力混凝土轉體T 構，施工方法為整幅轉體法。

3 上部結構設計

3.1 結構形式

主橋采用（2×75）m 預應力混凝土T 構，梁長150m，梁端距分孔線0.08m，支座中心距梁端0.7m。橋面寬度為30.75m，轉體T 構整幅設計。

3.2 梁體構造

主橋上部結構為單箱四室斜腹板箱，中支點處梁高7.5m，邊支點處梁高3.2m，梁底邊緣線擬合為二次拋物線，端部直線長5.0m。橋面寬度為30.75m，兩側懸臂板各長3.0m，懸臂板根部厚度75cm，端部厚度20cm；箱梁頂板厚30cm，中墩頂增至60cm；底板厚度為30～160cm，腹板厚85～60～100～120cm；中支點處對應墩身設置兩道橫隔板，板厚1m，邊支點處端橫梁厚2m。梁體頂板傾斜形成橋面2%橫坡，底板為水平。

3.3 梁體分段

主橋采用大節段現澆施工工藝，全梁共分7 個梁段，中支點處0#（0'#）節段長6m，后依次澆筑1#（1'#）節段15m、2#（2'#）節段20m、3#（3'#）節段29m，主梁轉體就位后澆筑梁端4#（4'#）后澆節段5m。主橋上部結構按全預應力混凝土構件設計，箱梁采用三向預應力體系，主橋轉體部分預應力采用兩端張拉并進行雙控，邊墩現澆段頂板束和底板束預應力采用單端張拉。

3.4 結構分析

3.4.1計算參數

①主橋上部縱向按《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）全預應力混凝土構件設計，橫梁按A 類構件設計，橋面板按B 類構件設計。釆用Midas Civil 進行施工和成橋運營階段的計算分析

②設計參數

1）混凝土：重力密度γ=26kN/m3，彈性模量Ep=3.55×104MPa；預應力鋼筋：彈性模量Ep=1.95×105MPa；2）預應力鋼筋標準強度：1860MPa；3）張拉控制應力：1395MPa（（75+75）mT 構縱向鋼束）；4）梯度溫度：梯度升溫取T1=14℃，T2=5.5℃；梯度降溫取T1=-7℃，T2=-2.75℃；5）系統溫度：整體升溫25℃，整體降溫-25℃；6）支座沉降：邊墩支座不均勻沉降-10mm，中墩支座不均勻沉降-15mm；7）縱向鋼束：μ=0.25，k=0.0015。

3.4.2計算原則

縱向平面計算：對施工及成橋階段的強度和應力對照規范進行驗算。

箱梁橫向計算：縱橋方向取單位長度，橫橋向等效簡化為框架，支點在兩腹板下。

3.4.3結構計算

主梁共劃分為40 個單元，根據施工方法，劃分現澆箱梁節段、張拉預應力鋼束、轉體施工、澆筑邊跨、施工橋面附屬設施及鋪裝、收縮徐變等14 個施工階段[4]～[5]。

圖1 計算幾何模型

3.4.4箱梁整體縱向驗算

3.4.4.1 持久狀況承載能力極限狀態

①正截面抗彎驗算。

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）（以下簡稱《公橋規》）第5.1.2 條規定的正截面抗彎承載力進行強度驗算。

由圖2 可知，根據《公橋規》第5.1.2-1 條γ0S≤R 驗算，滿足規范要求。

圖2 主梁持久狀況正截面抗彎驗算包絡圖

②斜截面抗剪驗算。

根據驗算結果，按《橋規》第5.2.8～5.2.9 條驗證斜截面抗剪承載力滿足規范要求。

③抗扭驗算。

根據驗算結果，按照《橋規》第5.5.3 條進行截面扭矩及剪力驗算，滿足規范要求。

④支反力計算。

1）轉體階段主墩底反力計算及轉體支座規格檢查。

主橋轉體系統最大反力為D 節段澆筑后，轉體過程中支座反力為：209.9MN，轉體支座選型為250MN 級，安全富余19.1%。

2）邊支座反力計算及支座規格檢查。

本橋邊支座選型為QZ-6.0 型，計算值5777.7kN。

3.4.4.2 持久狀況正常使用極限狀態

①斜截面抗裂驗算。

由圖3 可知，σtp=0.872MPa（拉應力）≤0.4ftk=1.096MPa（拉應力），滿足《公橋規》第6.3.1 條要求。

圖3 使用階段腹板斜截面抗裂驗算包絡圖

②撓度驗算。

按《公橋規》第6.5.3 條規定，梁式橋主梁跨徑內節點在汽車荷載（不計沖擊系數）和人群荷載頻遇組合下的最大撓度不應超過計算跨徑的1/600，梁式橋主梁懸臂端產生的最大撓度不應超過懸臂長度的1/300。

結論：頻遇組合下，6 號節點最大撓度設計值fd=39.03mm≤最大撓度允許值fn=140.283mm，滿足規范要求；31 號節點fd=38.75mm≤fn=140.283mm，滿足規范要求。

3.4.4.3 持久狀況構件應力計算

①混凝土法向應力。

按《公橋規》第7.1.5-1 條公式σkc+σpc≤0.5fck驗算，荷載取其標準值，汽車荷載考慮沖擊系數。結論：頂緣σkc+σpc=12.762MPa ≤0.5fck=17.750MPa，底 緣 σkc+σpc=10.637MPa≤0.5fck=17.750MPa，均滿足規范要求。

②混凝土主應力。

按《公橋規》第7.1.6 條公式，混凝土的主壓應力應符合滿足σcp≤0.6fck；由圖4 可得：σcp=12.762MPa≤0.60fck=21.300MPa，滿足規范要求。

圖4 使用階段斜截面主壓應力包絡圖

③預應力鋼筋應力。

按《公橋規》第7.1.5-2 條驗算受拉區預應力鋼筋的最大拉應力，對于體內預應力鋼絞線、鋼絲（允許開裂構件）：σpo+σp≤0.65fpk，荷載取其標準值，汽車荷載考慮沖擊系數。鋼絞線1860：σpo+σp=1175.038MPa ≤0.65fpk=1209.000MPa，σpo+σp=1148.942MPa≤0.65fpk=1209.000MPa，σpo+σp=1208.729MPa≤0.65fpk=1209.000MPa，滿足規范要求。

3.4.4.4 短暫狀況構件應力計算

最大應力驗算：

按《公橋規》第7.2.8 條，截面邊緣混凝土的法向應力應符合規定：σtcc≤0.7fck’，結論：頂緣σtcc=16.407MPa≤0.7fck’=20.328MPa，滿足規范要求；底緣σtcc=6.977MPa≤0.7fck’=20.328MPa，滿足規范要求。

4 下部結構設計

4.1 墩身及基礎

2# 中墩為墩梁固結，箱形截面，墩身結構尺寸為600cm×1500cm，墩壁厚度100cm，中隔墻厚度100cm。承臺分上下兩層，上承臺兼做轉體支座的上轉盤，高2.1m。下承臺沿橋方向長25.5m，垂直橋方向長25.5m，高5.0m。樁基為36-Φ1.8m 的鉆孔灌注樁。1#墩及3#墩均為T 構與引橋的交接墩，墩型采用柱式墩，柱尺寸橫橋向2.5m，縱橋向1.8m。樁基采用8 根直徑Φ1.8m 的鉆孔樁，按摩擦樁設計。一個主墩承臺兩側各布置一個反力座，反力座承臺長寬尺寸為2m×2m，厚度為5m，C55 混凝土澆筑。

4.2 轉體結構設計

經對比分析采用球鉸轉體施工，轉體結構由下轉盤、球鉸、上轉盤、轉體牽引系統等組成[6]～[11]。轉體系統設計總圖如圖5 所示。

圖5 轉體系統設計總圖

4.2.1轉體下轉盤

下轉盤支承全部重量，平面結構尺寸為25.5m×25.5m，高5.0m。轉體施工完成后采用C55 微膨脹混凝土封鉸，與上轉盤形成整體基礎。

4.2.2球鉸

轉體球鉸由上球缺、下球缺、圓柱形聚四氟乙烯滑塊、定位中心轉軸四部分組成。該球鉸直徑為5.05m，中心轉盤球面半徑為6.1m。

4.2.3轉體上轉盤

上轉盤是轉體的重要結構，邊長1800cm，高200cm；轉臺直徑?1422cm，高度90cm。轉臺內預埋轉體牽引索，錨固端應埋入轉盤600cm 以上。上盤結構有8 個三圓柱形撐腳，下設30mm 厚鋼板。三圓柱撐腳為三個?900mm×25mm 的鋼管，采用C55 混凝土灌注撐腳鋼管。

4.2.4轉體牽引系統

轉體系統由液壓系統、張拉控制系統、鋼絞線、張拉千斤頂及多臺輔助千斤頂等組成，張拉千斤頂使用27-φs15.2 鋼絞線纏繞拖拽施加牽引反力，使得轉體結構轉動。

4.2.5轉體牽引力計算

球鉸轉動摩擦力矩：

式中：R—球鉸半徑，R=2.525m；W—轉體重量，W＝210000kN；μ—球鉸摩擦系數，μ靜＝0.1，μ動＝0.06。

計算最大牽引力：

式中：D—轉臺直徑，D＝14.22m。

計算結果：啟動時所需最大牽引力T1=2/3×（R·W·μ靜）/D=2486.0kN；轉動過程中所需牽引力T2=2/3×（R·W·μ動）/D=1491.6kN；千斤頂牽引力F=10000kN，千斤頂儲備系數η=0.85；啟動時動力儲備系數：K1=Fη/T1=10000×0.85/2486=3.4；轉動時動力儲備系數：K2=Fη/T2=10000×0.85/1491.6=5.7，啟動力安全系數K1，K2要求≥1.5，滿足要求。

4.2.6轉體施工技術參數

主橋在鐵路南側現澆至（75+75）m 最大懸臂T 構后，使用千斤頂稱重梁體測試轉動，進而確定轉體平衡配重。轉體動力由兩套ZLD1000 型液壓、同步、自動連續牽引系統（牽引系統由連續千斤頂、液壓泵站及主控臺組成）構成，轉體重量約210000kN。轉體過程以0.02rad/min 的角速度順時針轉體74.1rad，轉體時間約66min，預留5m 后澆段，待轉體就位后搭設支架現澆。轉體施工參數如表1。

表1 轉體施工技術參數

5 結語

上跨鐵路立交橋設計過程中，應充分考慮工程現場地質、施工等各方面條件，結合考慮施工影響程度、安全、經濟等因素，選擇安全合理的橋梁結構參數及施工方法。設計橋梁結構形式既要使其滿足安全性能，也應考慮滿足鐵路既有設備安全、鐵路建筑限界、路基邊坡穩定的要求，同時優化施工工藝及流程，盡量降低營業線施工線路封鎖及上跨橋施工對鐵路運營及安全的影響，憑借以上一系列優勢，轉體施工技術越來越多的應用于上跨橋的建設中。

轉體T 構橋施工簡單、工藝成熟，跨越能力強，具有對既有線運營影響小的優點，在中等跨度跨線橋橋型方案中，具有明顯的優勢。本文結合某高速上跨鐵路立交橋，介紹了轉體橋上、下部結構設計，特別是轉體橋關鍵部為轉體系統的的設計，對今后同類型的橋梁設計工作提供有益的參考。