王 東

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司濟南設(shè)計院，濟南 250022)

國內(nèi)采用轉(zhuǎn)體法施工［1-2］的橋梁很多，公路上跨鐵路、高速鐵路上跨普通鐵路、鐵路上跨公路等，且橋式有連續(xù)梁、斜拉橋、T形剛構(gòu)橋、拱橋等，如哈大客運專線采用(48+80+48)m連續(xù)梁上跨既有京哈鐵路［3］、北京市五環(huán)路采用(45+65+95+40)m獨塔斜拉橋跨石景山南站［4］、京化高速公路采用兩幅(67+67)m T形剛構(gòu)橋上跨京包鐵路［5］、滬杭高速鐵路采用主跨160 m自錨上承式混凝土拱橋上跨滬杭高速鐵路［6］等，其共同特點是轉(zhuǎn)體跨度大、質(zhì)量大、轉(zhuǎn)盤及球鉸大，對于小跨度、小直徑轉(zhuǎn)盤及球鉸的轉(zhuǎn)體橋梁，少有工程實例。

因此，結(jié)合海青鐵路跨膠濟客運專線(40+64+40)m連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工設(shè)計，對小直徑轉(zhuǎn)盤及球鉸、且上跨客運專線高速鐵路轉(zhuǎn)體橋梁轉(zhuǎn)體法施工方案進行研究，希望對同類橋型設(shè)計有所裨益。

1 工程概述

新建海青鐵路為單線，國鐵I級鐵路，線路全長約90.699 km。線路在DK80+805.90處跨越膠濟客運專線鐵路，跨越處采用(40+64+40)m連續(xù)梁，全橋長4051.44 m。膠濟客運專線為雙線電氣化高速鐵路，跨越處路肩寬12.8 m，路基高約2 m，線路與橋梁軸線夾角62°。膠濟客運專線列車時速高、發(fā)車密度大，對施工安全及施工工期要求高，為最大限度地減少施工對鐵路安全、運營的影響，跨線部分連續(xù)梁采用在111號墩墩底水平轉(zhuǎn)體法施工。該橋為全線貫通的控制性工程。

2 總體布置

2.1 上部結(jié)構(gòu)

梁部采用單線(40+64+40)m連續(xù)梁，單箱單室、斜腹板變截面箱梁，中支點梁高5.0 m，跨中及端部梁高為3.0 m，箱梁頂寬7.5 m，箱寬4.0 m。施工方案采用在111號墩處平行于膠濟客運專線在支架上分段現(xiàn)澆62.0 m轉(zhuǎn)體梁段;待現(xiàn)澆梁段脫架完成后，在鐵路部門提供的天窗時間段，實施轉(zhuǎn)體施工，將梁體逆時針旋轉(zhuǎn)62°。轉(zhuǎn)體到位后，與采用原位現(xiàn)澆施工的112號墩頂對應(yīng)梁段進行合龍段施工。

膠濟客運專線車流密度大，施工天窗點少，設(shè)計考慮跨中合龍段施工時需避開鐵路限界，因此，主跨不對稱膠濟客運專線布置，轉(zhuǎn)體梁段跨中側(cè)梁端距臨近膠濟客運專線中心線最小垂距為4.92 m。轉(zhuǎn)體梁段在111號墩頂對稱支架現(xiàn)澆62.0 m，主跨的跨中合龍段為2 m，邊跨預(yù)留2 m合龍段，剩余7.6 m原位支架現(xiàn)澆，梁體平面布置見圖1。同時，為減少橋面防拋網(wǎng)、電纜槽、避車臺、接觸網(wǎng)基座等施工對客運專線的影響，連續(xù)梁全聯(lián)范圍內(nèi)在橋面兩側(cè)設(shè)置3 m高混凝土半封閉擋墻，將擋墻、避車臺、接觸網(wǎng)基座等與梁體一起澆筑完成后一同轉(zhuǎn)體，即可防止轉(zhuǎn)體中橋面落物，也可避免橋面二次施工對客運專線運營安全產(chǎn)生影響，梁體橫向布置見圖2。

2.2 下部結(jié)構(gòu)

圖1 梁體轉(zhuǎn)體布置平面示意(單位:cm)

圖2 梁體橫向布置(單位:cm)

橋墩采用圓端形實體墩，基礎(chǔ)采用鉆孔樁。由于轉(zhuǎn)體需要，轉(zhuǎn)體橋墩承臺采用上、下兩層承臺方式，上承臺平面尺寸8 m×8 m，厚度為3.4 m(封鉸部分尺寸為8.9 m ×8.9 m，厚度 1.4 m);下承臺平面尺寸 12.5 m ×12.5 m，厚度為 2.8 m。樁基采用 16 根 φ1.25 m鉆孔灌注樁。為減小承臺施工對客運專線路基邊坡的影響，承臺及樁基排列順客運專線方向布置，為了保證鐵路路基的穩(wěn)定性，設(shè)計采用1排間距1.5 m、φ1.2 m挖孔樁進行基坑防護，基礎(chǔ)平面布置見圖3，鐵路位置關(guān)系立面見圖4。

圖3 111號墩基礎(chǔ)平面示意(單位:cm)

3 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計

平轉(zhuǎn)法轉(zhuǎn)動體系主要由承重系統(tǒng)、助推及牽引系統(tǒng)和平衡系統(tǒng)三大部分構(gòu)成［7］。承重系統(tǒng)由上承臺、下承臺和轉(zhuǎn)動球鉸(采用3 000 t級的轉(zhuǎn)體成品球鉸)構(gòu)成，上承臺支撐轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，下承臺與樁基礎(chǔ)相連，通過上承臺相對于下承臺轉(zhuǎn)動，達到轉(zhuǎn)體目的;助推及牽引系統(tǒng)由牽引設(shè)備、牽引反力支座、助推反力支座構(gòu)成;平衡系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)本身、上承臺6對φ600 mm的鋼管混凝土圓形撐腳、大噸位千斤頂及梁頂配重設(shè)施構(gòu)成，轉(zhuǎn)動體系立面布置見圖5。

圖4 鐵路位置關(guān)系立面(單位:cm)

圖5 轉(zhuǎn)動體系布置立面(單位:cm)

3.1 球鉸

球鉸主要有上球鉸、下球鉸、銷軸及套筒、下球鉸型鋼骨架組成，均為鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)。下球鉸成凹形，凹面向上;上球鉸成凸形，凸面向下;下球鉸頂面設(shè)置多個圓形凹槽，槽內(nèi)鑲嵌四氟滑片，上球鉸緊壓在滑片上。這種凸凹形球鉸在相同傾覆力作用下其傾覆力臂更小、安全性及穩(wěn)定性高、運行可靠，而且上、下球鉸之間的潤滑介質(zhì)不會溢出。

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)總重G=25 320 kN，考慮施工中風荷載及施工誤差等因素，導致轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)失去平衡需進行平衡配重，故應(yīng)有足夠的安全儲備，球鉸設(shè)計豎向承載能力采用G'=30 000 kN。按照下式計算球鉸直徑D'(m)［3］

計算求得球鉸直徑D'≥1.48 m，考慮綜合結(jié)構(gòu)及滑道的空間布置要求，選用D=2.3 m。

取偏壓效應(yīng)增大系數(shù)K=1.4，球鉸混凝土的計算壓應(yīng)力為［4］

σ =KG/(πD2/4)=8.5 MPa，小于 C40 混凝土的容許壓應(yīng)力 0.5fck=16.2 MPa。

上、下球鉸間布置243塊直徑為6 cm的聚四氟乙烯片，該聚四氟乙烯片設(shè)計抗壓強度為100 MPa。

聚四氟乙烯片平均應(yīng)力為G/243(πd2/4)=37 MPa ＜100 MPa［7］，安全系數(shù)2.7，滿足轉(zhuǎn)體要求。

球鉸進行廠制加工，上、下球鉸球面板均用δ=30 mm厚鋼板壓制而成，球面板背部設(shè)置8處加肋，防止在加工、運輸過程中變形，并方便球鉸定位、加強與混凝土的連接。銷軸直徑270 mm、高830 mm。在出廠前、進場后及安裝完后做試轉(zhuǎn)，在運輸、安裝至正式轉(zhuǎn)體前保持轉(zhuǎn)動面的清潔。

3.2 撐腳及滑道

(1)撐腳

為了增強轉(zhuǎn)體過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生較大傾斜，在上承臺底面沿距轉(zhuǎn)動半徑r=3.25 m的圓周均勻設(shè)置了6對φ600 mm圓形C40鋼管混凝土撐腳，當轉(zhuǎn)體發(fā)生傾斜時，撐腳先支撐于下承臺的滑道上，防止轉(zhuǎn)體進一步傾斜。為減小撐腳底面與滑道的摩擦，撐腳底面的走板應(yīng)由工廠加工定做，以保證鋼板表面的平整度，鋼板表面的磨光度不得低于6.3級。撐腳在下盤混凝土灌注完成上球鉸安裝就位時安裝，并在滑道范圍內(nèi)撐腳之間設(shè)置砂箱作為現(xiàn)澆墩、梁的支撐，轉(zhuǎn)體前卸掉砂箱。

撐腳主要起結(jié)構(gòu)傾斜時支撐作用，根據(jù)梁體落架時產(chǎn)生的不平衡彎矩對其進行局部承壓檢算。檢算均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

(2)滑道

為了減小撐腳與下承臺的接觸摩擦，撐腳支撐面置于同一水平面內(nèi)，從而使轉(zhuǎn)體發(fā)生輕微傾斜時，仍能平穩(wěn)運行。在下承臺頂面設(shè)置外徑 r'=3.75 m，寬0.95 m的環(huán)形滑道，滑道由5 mm厚的不銹鋼板及20 mm厚的鋼板貼面組成，滑道鋼板固定在環(huán)形滑道骨架上，并設(shè)有調(diào)位螺母，以調(diào)整其平整度。環(huán)道鋼板背面焊接加工后，頂面由工廠刨平，粗糙度6.3級。環(huán)道角鋼頂面相對高程高差小于5 mm，環(huán)道鋼板由螺母調(diào)整校平，頂面局部平面度0.5 mm。

3.3 牽引制動

助推及牽引系統(tǒng)由牽引設(shè)備(2臺ZLD100型連續(xù)千斤頂及2臺普通 YCW100型助推千斤頂構(gòu)成)、牽引索、牽引反力支座、助推反力支座構(gòu)成。牽引索采用2束7-Φs15.24 mm低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線平行布置，其標準強度fpk=1 860 MPa。澆筑上承臺前應(yīng)按設(shè)計位置將牽引索分別預(yù)埋，預(yù)埋端采用H型錨，本橋牽引索埋入轉(zhuǎn)盤3.47 m，并圓順地纏繞在轉(zhuǎn)盤上，施工時應(yīng)特別注意牽引索牽引方向。

(1)牽引力T

順梁體方向設(shè)有2對撐腳，考慮施工誤差產(chǎn)生的不平衡彎矩及不平衡配重，設(shè)計考慮按球鉸及1對撐腳組成的2點支撐系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體。

設(shè)計靜摩擦系數(shù) μ0為 0.1，動摩擦系數(shù) μ1為0.06，撐腳分擔的重力為P1，球鉸分擔的重力為P2，球鉸直徑為D，撐腳摩阻力臂為Rm=3.25 m，牽引力臂為R=8 m，牽引力為T，則轉(zhuǎn)體啟動時:

球鉸牽引力T1=2μ0P2(D/2)/3R，參考《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ041-2000)式16.4.3;

撐腳牽引力 T2= μ0P1Rm/R［4］;

牽引力T=T1+T2。

計算啟動牽引力為323 kN，實測啟動牽引力為297 kN;計算轉(zhuǎn)動牽引力為194 kN，實測轉(zhuǎn)動牽引力為184 kN。

(2)助推力T'

考慮球鉸動摩擦力矩與靜摩擦力矩差值及撐腳啟動牽引力與轉(zhuǎn)動牽引力差值由撐腳處2臺YCW100型千斤頂承擔［3］:

球鉸動摩擦力矩M1=2μ1P2(D/2)/3;

球鉸靜摩擦力矩M2=2μ0P2(D/2)/3;

故 T'=(M2-M1)/(2Rm)+(T2-μ1T2/μ0);

計算得T'=165 kN。

(3)牽引索

每束牽引索采用1束7-φs15.24 mm低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其標準強度fpk=1 860 MPa，錨下控制應(yīng)力為σcon=1 395 MPa，1根鋼絞線截面面積A=140 mm2，故單束鋼絞線容許拉力為T'=7Aσcon=1 367.1 kN＞T=323 kN，安全系數(shù) K=T'/T=4.23 ＞2，滿足要求。

(4)千斤頂

一個牽引反力支座處選用2臺ZLD100型連續(xù)千斤頂作為牽引千斤頂，每臺提供外力F=1 000 kN，其動力系數(shù)為［3］:η1=T/2F=0.162 ＜0.85，滿足要求。

一個助推反力支座選用1臺YCW100型助推千斤頂作為助推反力千斤頂，每臺提供外力F=1 000 kN，其動力系數(shù)為［3］:η2=T'/F=0.165 ＜0.85，滿足要求。

4 傾覆穩(wěn)定及稱重

(1)傾覆穩(wěn)定

梁體預(yù)制完成落架后，稱重實驗前，對轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)傾覆穩(wěn)定性計算［8］，影響穩(wěn)定的主要因素是風力，按百年一遇的基本風速所產(chǎn)生的風壓考慮［9］。結(jié)構(gòu)的傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)取決于結(jié)構(gòu)自重構(gòu)成的抗傾覆力矩與風力構(gòu)成的傾覆力矩二者比值［10］，根據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB 10002.3—2005)第 4.1.1 條，系數(shù)取不小于 1.3。計算縱橋向穩(wěn)定安全系數(shù)為7.25，橫橋向穩(wěn)定安全系數(shù)為4.52，均滿足要求。

(2)稱重

稱重試驗主要測試轉(zhuǎn)動體的不平衡力矩、摩阻力矩、偏心距，一方面根據(jù)測試情況進行配重，使轉(zhuǎn)動體處于球鉸和撐腳兩點支承的穩(wěn)定狀態(tài)，并使配重后的偏心距處于合理范圍［11］，保證轉(zhuǎn)體的平穩(wěn);另一方面根據(jù)摩阻力矩計算球鉸靜摩擦系數(shù)，為校核轉(zhuǎn)體牽引力、助推力等提供依據(jù)。

試驗測得不平衡力矩Mg=6 711.7 kN·m，摩阻力矩 Mz=2 345.2 kN·m，偏心距 e=26.8 cm(偏向主跨側(cè))，體系呈現(xiàn)摩阻力矩小于不平衡力矩的情況。配重方案遵循球鉸與撐腳共同支撐的原則，配重采用80 kN，位置在邊跨側(cè)距梁端3 m處［12］，配重完成后，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)偏心為17.9 cm(偏向主跨側(cè))，全部轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重力主要由中心球鉸支承。

5 試轉(zhuǎn)體及正式轉(zhuǎn)體

5.1 試轉(zhuǎn)體

啟動泵站，2臺張拉千斤頂同時施力試轉(zhuǎn)體，以克服靜摩阻力使橋梁轉(zhuǎn)動，試轉(zhuǎn)角度3°以內(nèi)。同時，做好轉(zhuǎn)速及梁端高程的測量工作，為精確定位提供操作依據(jù)。試轉(zhuǎn)過程中，應(yīng)做好兩項重要數(shù)據(jù)的測試工作。

(1)每分鐘轉(zhuǎn)速，即每分鐘轉(zhuǎn)動主橋的角度及懸臂端所轉(zhuǎn)動的水平弧線距離，應(yīng)將轉(zhuǎn)體速度控制在設(shè)計要求范圍內(nèi);嚴格控制轉(zhuǎn)動速度過快。

(2)控制采取點動方式操作，測量組應(yīng)測量每點動一次懸臂端所轉(zhuǎn)動水平弧線距離的數(shù)據(jù)，以供轉(zhuǎn)體初步到位后，進行精確定位提供操作依據(jù)。

應(yīng)檢查結(jié)構(gòu)是否平衡穩(wěn)定，關(guān)鍵受力部分是否出現(xiàn)裂紋等異常情況，如有異常，須停止試轉(zhuǎn)，查明原因整改后方可繼續(xù)試轉(zhuǎn)體。

5.2 正式轉(zhuǎn)體

根據(jù)鐵路部門批準的線路封鎖作業(yè)時間進行轉(zhuǎn)體施工，對梁體軸線偏位、梁端高程變化進行反復測量，對牽引索、泵站、主控臺等實時觀察。轉(zhuǎn)體過程應(yīng)勻速轉(zhuǎn)動，實測轉(zhuǎn)動速度為0.018 23 rad/min，距設(shè)計位置3°時進行 10、5、3、2、1 s點動操作，并確認點動后梁端弧長，距設(shè)計位置0.5°時制動，測量軸線，根據(jù)差值，精確點動控制定位，防止超轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)體就位后利用設(shè)置的限位措施對結(jié)構(gòu)進行體位調(diào)整。橫橋向傾斜限位與微調(diào):在滑道外側(cè)上、下承臺間對稱布置4臺千斤頂，一側(cè)頂起，另一側(cè)預(yù)留限位，調(diào)整完畢后，用型鋼將上、下承臺抄死，撐腳與滑道間抄死。水平偏轉(zhuǎn)限位和微調(diào):利用設(shè)置在下承臺上的助推反力支座作為支點，助推上承臺，調(diào)整轉(zhuǎn)體軸線偏位，調(diào)整就位后設(shè)置限位梁，將撐腳與助推反力支座間抄死。

轉(zhuǎn)體固定后，焊接預(yù)留鋼筋，進行封盤施工。后拆除墩梁固結(jié)措施，進行梁體跨中、邊跨合龍段施工。

6 結(jié)語

該橋于2012年10月23日凌晨僅用56 min一次順利轉(zhuǎn)體就位。該橋為濟南鐵路局范圍第一座轉(zhuǎn)體施工的鐵路橋梁，且上跨膠濟客運專線，線路封鎖時間僅為110 min，最大程度地減少了對膠濟客運專線運營的影響，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，對類似小跨度跨線橋梁施工具有較高的參考價值。

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