傅賢超，王正儀，王興猛

(中鐵西南科學(xué)研究院，四川 成都 610031)

目前中國新建高鐵及既有鐵路提速快速發(fā)展，為了周圍居民的安全，應(yīng)實行線路全封閉，這必會對鐵路沿線居民正常出行帶來不便，需建設(shè)跨線人行天橋來解決由此帶來的影響。為了不影響現(xiàn)有線路的運營，跨線施工中以轉(zhuǎn)體工藝為最佳方案之一。本文以襄渝鐵路下行線K768+740人行天橋的設(shè)計為例，闡述轉(zhuǎn)體工藝設(shè)計的重點。本橋為T形剛構(gòu)橋轉(zhuǎn)體設(shè)計，橋跨布置為 21.5 m+15 m，長、短跨比為 0.698，根據(jù)排水需要及地形情況設(shè)置2%單向縱坡。長跨為變截面，采用1.8次拋物線線型，墩頂梁高 1.4 m，端部梁高0.5 m，采用雙肋，肋厚 0.3 m;短跨采用單肋，肋厚1.2 m;橋墩采用1.2 m ×1.4 m 鋼筋混凝土矩形實心墩，墩梁固結(jié)[1]。

1 轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

轉(zhuǎn)盤分為上、下轉(zhuǎn)盤。下轉(zhuǎn)盤與基礎(chǔ)相連，下轉(zhuǎn)盤頂面上設(shè)一層2 cm厚Q235鋼板，鋼板底面與下轉(zhuǎn)盤的預(yù)埋鋼筋焊接。鋼板上鋪設(shè)一層聚四氟乙烯板，以減小上、下轉(zhuǎn)盤間的摩擦。為了控制轉(zhuǎn)動過程中上部梁、墩結(jié)構(gòu)的平衡安全，在下轉(zhuǎn)盤上設(shè)置8個保險腿，并在保險腿之間放置4個豎向千斤頂以微調(diào)平衡。上轉(zhuǎn)盤底面設(shè)一層不銹鋼鋼板，其目的是為了進一步減小上、下轉(zhuǎn)盤間的摩擦系數(shù)。上轉(zhuǎn)盤為2 cm厚Q235鋼板制作成中心下凸的平面轉(zhuǎn)鉸，如圖1所示。轉(zhuǎn)體完成后，焊接上、下轉(zhuǎn)盤中的預(yù)埋鋼筋，澆筑之間的空隙，使上下轉(zhuǎn)盤固結(jié)為一個整體[2]。

圖1 轉(zhuǎn)盤立面及平面(單位:cm)

2 轉(zhuǎn)動牽引力計算

根據(jù)以往施工經(jīng)驗可知轉(zhuǎn)體靜摩擦系數(shù)μg一般為 0.06 ～0.09，動摩擦系數(shù) μd一般為 0.035 ～0.08，施工時可現(xiàn)場實測，并采取如在聚四氟乙烯板上添加黃油等措施來減小靜、動摩擦系數(shù)，從而減小牽引力。

轉(zhuǎn)體牽引裝置設(shè)置在上轉(zhuǎn)盤兩側(cè)，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)壓力的形心在2r/3處。根據(jù)力矩平衡(圖2)∑M=0可得[3-4]

式中，G為轉(zhuǎn)體重量，R為上轉(zhuǎn)盤半徑，r為轉(zhuǎn)鉸半徑。若取 μg=0.08，G=1 500 kN，R=2 m，r=1 m，則 F=20 kN。

圖2 牽引計算圖式

牽引動力可由兩臺5 t的卷揚機提供。由于卷揚機的性能不易根據(jù)實際情況控制速度，兩邊拉力不易平衡，降低了轉(zhuǎn)體穩(wěn)定性。在實際施工過程中用手拉鏈條葫蘆代替卷揚機，通過人工曳動手鏈條使手鏈輪轉(zhuǎn)動，將摩擦片棘輪、制動器座壓成一體共同旋轉(zhuǎn)，從而達到牽引的目的。如何保證兩端牽引力大小一致，可按如圖3和圖4所示布置，根據(jù)轉(zhuǎn)動方向確定鋼絲牽引繩纏繞方向，如轉(zhuǎn)動方向為順時針，則A端牽引繩順時針向上纏繞3圈，B端順時針向下纏繞3圈，纏繞圈數(shù)由上轉(zhuǎn)盤邊緣轉(zhuǎn)動距離確定(一般兩端牽引繩各纏繞3圈)。A端纏繞3圈之后通過兩個定滑輪改變牽引方向，與B端牽引繩平行，B端牽引繩穿過 C滑輪，與A端牽引繩用U型螺栓擰緊，從而可保證A，B兩端牽引力大小一致，而C滑輪另一端連接手拉鏈條葫蘆。手拉鏈條固定端安裝一個拉力讀數(shù)器，牽引力大小可隨時從儀器上讀取。表1所示為襄渝鐵路跨線部分人行天橋?qū)崪y牽引力以及計算得到的靜摩擦系數(shù)、動摩擦系數(shù)。

圖3 牽引裝置平面

圖4 牽引裝置立面圖

表1 襄渝鐵路跨線人行天橋牽引力數(shù)據(jù)

3 轉(zhuǎn)盤應(yīng)力驗算

轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)采用C50鋼筋混凝土，上部結(jié)構(gòu)為T形不對稱懸臂剛構(gòu)，密度按2.6 t/m3計算，根據(jù)模型計算可知主梁和橋墩總重為1 280 kN，平衡重(配重)為135 kN，考慮安全系數(shù)和施工臨時荷載，轉(zhuǎn)體上部結(jié)構(gòu)按施加1 500 kN重量計算。采用有限元分析軟件建模，結(jié)果如圖5所示(負值為壓應(yīng)力，正值為拉應(yīng)力，單位為Pa)。轉(zhuǎn)盤最大壓應(yīng)力為4.04 MPa，最大拉應(yīng)力為0.89 MPa，應(yīng)力滿足設(shè)計要求。設(shè)計中上、下轉(zhuǎn)盤均用鋼板套箍，不但減小轉(zhuǎn)體的靜、動摩擦系數(shù)，同時也增加了轉(zhuǎn)盤的強度，使結(jié)構(gòu)更加安全可靠[5]。

圖5 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力云圖(單位:Pa)

4 抗傾覆穩(wěn)定性計算

由于本橋設(shè)計為不對稱布置，通過在短跨邊施加平衡重以達到轉(zhuǎn)體平衡。由于施工誤差和結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差的存在，實際情況很難達到理論上的完全平衡，這就需要計算橋梁在配重作用下的穩(wěn)定性，以免發(fā)生傾覆。

結(jié)構(gòu)靜力計算的方程可表示為

其中，[KD]為結(jié)構(gòu)彈性剛度矩陣，對桿系結(jié)構(gòu)反應(yīng)了其單元截面剛度EA和EI的影響;[KG]為幾何剛度矩陣，也稱為初始應(yīng)力矩陣，與桿系結(jié)構(gòu)與桿件的長度、位置和初始軸力有關(guān)。幾何剛度矩陣使單元剛度發(fā)生了變化，主要是由于軸力在桿彎曲時產(chǎn)生的效應(yīng)所致。

根據(jù)式(2)可以求得在{F}作用下的位移{δ}，如荷載不斷增加，則結(jié)構(gòu)位移不斷增大。由于[KG]與荷載大小有關(guān)，這時結(jié)構(gòu)的力與位移不再是線性關(guān)系，如{F}達到 λσ{F}時，結(jié)構(gòu)達到隨遇平衡狀態(tài)，這就是所要求的臨界荷載。若{F}增加至λ倍，則內(nèi)力和幾何剛度也增加至λ倍，由(2)式可得

如λ足夠大，使得結(jié)構(gòu)達到隨遇平衡狀態(tài)，即當(dāng){δ}增加{Δδ}時，上列平衡方程也能滿足，即有

同時滿足式(3)和(4)的條件是

式(5)就是計算結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)的結(jié)構(gòu)方程式，若方程有 n階，則理論上存在 n個特征值 λ1，λ2，…，λn，但工程上只有最小的特征值或最小的安全系數(shù)才有實際意義，這時的特征值為 λσ，臨界荷載為 λσ{F}。

根據(jù)有限元模型的計算分析可得，轉(zhuǎn)動過程中橋梁結(jié)構(gòu)在配重作用下的穩(wěn)定系數(shù)為3.39(如圖6所示)，而規(guī)范規(guī)定，施工中的橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)不得小于2，故本橋抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

圖6 懸臂狀態(tài)在配重作用下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)

5 抗風(fēng)穩(wěn)定性計算

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)在不同的地區(qū)和不同的季節(jié)有不同的抗風(fēng)標(biāo)準。根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》，風(fēng)荷載應(yīng)該按下式進行計算。

式中 W——風(fēng)荷載(Pa);

W0——基本風(fēng)壓值;

K1——風(fēng)載體形系數(shù);

K2——風(fēng)載高度變化系數(shù);

K3——地形地理條件系數(shù)。

根據(jù)全國基本風(fēng)壓圖可查詢得到重慶地區(qū)(橋梁所在地)基本風(fēng)壓值W0=0.3 kN/m2，但考慮到鐵路地形的特殊性，應(yīng)按風(fēng)力等級來考慮。正式轉(zhuǎn)體時(懸臂狀態(tài))要求風(fēng)力不超過6級，因此以最大風(fēng)力來計算結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性。風(fēng)力為6級時的最大風(fēng)壓值W=v2/1 600=312/1 600=0.6 kN/m2。根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》，綜合橋梁設(shè)計，取主梁K1=1.2，橋墩K1=1.4;K2=1.0;K3=1.2。則主梁上的風(fēng)荷載為 WZ=0.864 kN/m2，橋墩上的風(fēng)荷載為 WD=1.008 kN/m2。計算結(jié)果表明，橋梁在風(fēng)荷載作用下的穩(wěn)定系數(shù)達到了26.58，如圖7所示，遠遠大于規(guī)范要求，故抗風(fēng)穩(wěn)定性滿足要求。

圖7 懸臂狀態(tài)在風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)

6 結(jié)語

設(shè)計中應(yīng)對每一個施工階段進行計算分析。當(dāng)脫架完成，梁體處于懸臂狀態(tài)階段，結(jié)構(gòu)最不穩(wěn)定，故文中轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)應(yīng)力驗算、平衡重下的穩(wěn)定分析和抗風(fēng)穩(wěn)定性均以懸臂狀態(tài)為準。計算結(jié)果表明轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動過程中內(nèi)力和穩(wěn)定性均滿足設(shè)計要求。目前該橋及后續(xù)數(shù)十座橋已成功轉(zhuǎn)體，轉(zhuǎn)鉸均為通用設(shè)計，節(jié)省了設(shè)計費、轉(zhuǎn)鉸加工及安裝費，降低了工程造價。本項技術(shù)為以后輕型橋梁轉(zhuǎn)體設(shè)計提供了參考。

[1]王興猛，傅賢超，曹文.襄渝鐵路線下行 K768+740人行天橋設(shè)計說明書[R].成都:中鐵西南科學(xué)研究院，2010.

[2]曹文，王正儀，王興猛.輕型橋梁轉(zhuǎn)體施工專項試驗研究[J].鐵道建筑，2011(12):13-15.

[3]張聯(lián)燕，譚邦明，陳俊卿，等.橋梁轉(zhuǎn)體施工[M].北京:人民交通出版社，2001.

[4]中華人民共和國交通部.JTJ 041—2000 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2000.

[5]張立明.Algor、Ansys在橋梁工程中的應(yīng)用方法與實例[M].北京:人民交通出版社，2005.