聶 磊 謝國(guó)平

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南 250022)

隨著城市的發(fā)展，城市道路與既有鐵路的交叉難以避免。為保證鐵路的安全運(yùn)營(yíng)，跨鐵路橋梁多采用轉(zhuǎn)體施工的方法[1-3]。受周邊地形、既有建筑等因素限制，橋梁轉(zhuǎn)體前多采用掛籃現(xiàn)澆施工。

目前，轉(zhuǎn)體施工方法廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)橋梁建設(shè)中，在曲線橋梁轉(zhuǎn)體施工時(shí)，轉(zhuǎn)體前采用支架現(xiàn)澆梁體的施工方法較為普遍，采用掛籃現(xiàn)澆梁體的施工方法并不多見(jiàn)。如何考慮曲線對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)、掛籃現(xiàn)澆轉(zhuǎn)體施工的影響，是設(shè)計(jì)所面臨的主要問(wèn)題。結(jié)合濟(jì)寧市王母閣路上跨新兗鐵路立交橋工程，對(duì)掛籃現(xiàn)澆轉(zhuǎn)體施工上跨鐵路曲線立交橋的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及方法進(jìn)行分析。

1 工程概況

王母閣路位于濟(jì)寧市東部，為該市重要的南北通道，現(xiàn)狀為雙向四車(chē)道，兩側(cè)設(shè)人行道，與新兗鐵路交叉處采用(9.79+9.79+5.22) m框架橋下穿鐵路。受城市排水體系的影響，雨季箱涵積水嚴(yán)重，交通擁堵，為緩解現(xiàn)狀，擬對(duì)王母閣路采用高架橋方式進(jìn)行拓寬改造。

道路設(shè)計(jì)按地理位置分東、西兩線，于既有道路西側(cè)上跨鐵路，跨鐵路處橋梁分幅布置。受地形及既有建筑物影響，線路平面采用S形曲線，曲線半徑為700 m。為降低對(duì)既有鐵路的影響，采用轉(zhuǎn)體施工方案，兩幅同步轉(zhuǎn)體42.1°。為保證既有王母閣路正常通行，轉(zhuǎn)體前采用掛籃法順鐵路方向現(xiàn)澆梁體。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)道路等級(jí)：城市主干路；

(2)設(shè)計(jì)速度：50 km/h；

(3)車(chē)道數(shù)：雙向四車(chē)道；

(4)車(chē)道寬度：3.5 m；

(5)跨鐵路橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面寬：22.7 m；

(6)橋上最大縱坡：2.2%；

(7)橋面橫坡：2%；

(8)橋梁設(shè)計(jì)荷載：城-A級(jí)的1.3倍[4]；

(9)橋梁環(huán)境類(lèi)別：Ⅱ類(lèi)；

(10)橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)；

(11)結(jié)構(gòu)重要系數(shù)：1.1；

(12)橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年。

3 孔跨布置

跨鐵路轉(zhuǎn)體橋梁孔跨布置的關(guān)鍵在于確定距鐵路線路中心的安全距離，以降低橋梁施工及運(yùn)營(yíng)期間對(duì)鐵路的影響，設(shè)計(jì)時(shí)按以下原則考慮：

(1)下部結(jié)構(gòu)施工(包括防護(hù)及輔助設(shè)施)應(yīng)位于鐵路坡腳及柵欄以外。

(2)所有結(jié)構(gòu)施工(包括防護(hù)及輔助設(shè)施)應(yīng)位于鐵路接觸網(wǎng)帶電體以外不小于2 m[5]。

根據(jù)公鐵交叉處鐵路設(shè)備情況，確定本項(xiàng)目所有構(gòu)造物平面距鐵路線路中心最小安全距離為10.65 m(設(shè)計(jì)時(shí)取11 m)。孔跨布置采用2×70 m預(yù)應(yīng)力混凝土T形剛構(gòu)。橋梁總體布置見(jiàn)圖1～圖2。

圖1 東線展開(kāi)立面(單位：cm)

圖2 平面(單位：cm)

4 橫斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)行鐵路相關(guān)規(guī)范及鐵路局的要求，橫斷面設(shè)計(jì)主要考慮以下因素：

(1)橋梁外側(cè)設(shè)置兩道防撞墻，且最外側(cè)防撞墻頂設(shè)置防護(hù)網(wǎng)[4]；

(2)橋梁分隔帶處設(shè)置防護(hù)措施，防止落物影響橋下鐵路運(yùn)營(yíng)安全。

結(jié)合本橋的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確定單幅橋面橫斷面布置為0.5 m(SS級(jí)防撞墻)+1.5 m(緩沖帶)+0.6 m(SX級(jí)防撞墻)+8 m(機(jī)動(dòng)車(chē)道)+0.5 m(SS級(jí)防撞墻)，單幅橋?qū)?1.1 m。橋梁橫斷面見(jiàn)圖3。

圖3 橋梁橫斷面(單位：cm)

橋梁分隔帶處設(shè)置蓋板防護(hù)，防護(hù)范圍為鐵路線路中心兩側(cè)各35 m。蓋板采用混凝土材料，順橋向板間距1 m，板間預(yù)留5 mm縫隙，橫橋向?qū)?.05 m，端部厚0.08 m，中部厚0.13 m；蓋板頂設(shè)2道SBS改性瀝青防水卷材；卷材頂鋪設(shè)3 cm厚M10水泥砂漿。

5 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

梁體采用單箱單室變截面箱梁，中支點(diǎn)根部梁高8 m，邊支點(diǎn)梁高3.2 m，梁高及底板厚度采用1.8次拋物線。箱梁頂寬10.8 m，底寬6 m，懸臂長(zhǎng)2.4 m；頂板厚30 cm，腹板厚60～100 cm，底板厚30～100 cm；采用三向預(yù)應(yīng)力體系。中支點(diǎn)處梁體與主墩固結(jié)，邊支點(diǎn)采用支座連接，每端設(shè)2個(gè)支座，支座橫橋向間距4 m。

梁體共分19個(gè)節(jié)段。其中0號(hào)為支架現(xiàn)澆段，長(zhǎng)12 m；1號(hào)～17號(hào)為掛籃現(xiàn)澆段，共長(zhǎng)59 m，最大節(jié)段長(zhǎng)4 m；18號(hào)為邊跨現(xiàn)澆段，長(zhǎng)4.88 m。梁端伸縮縫寬12 cm。在中支點(diǎn)、邊支點(diǎn)及跨中設(shè)有橫隔板，共5道，中支點(diǎn)橫隔板厚5 m，邊支點(diǎn)橫隔板厚1.8 m，跨中橫隔板厚0.6 m。

受曲率的影響，梁體在恒載下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，會(huì)導(dǎo)致梁的撓曲變形。在設(shè)計(jì)中，彎橋的簡(jiǎn)化計(jì)算主要與兩個(gè)因素有關(guān)，一個(gè)是圓心角ψ0，另一個(gè)是橋面寬度與曲率半徑之比[6]。

本橋平面位于半徑為700 m的S曲線上，圓心角為ψ0=5.7°(<30°)，可以忽略扭轉(zhuǎn)對(duì)撓度的影響；橋面寬度與曲率半徑之比L2/bR=1.26>1.0(L為梁軸弧線長(zhǎng)，b為橋梁的半寬，R為曲線半徑)，故不應(yīng)按直線橋簡(jiǎn)化計(jì)算。

為研究曲線半徑對(duì)梁體受力的影響程度，采用Midas Civil軟件，對(duì)曲線、直線模型分別進(jìn)行計(jì)算，主要計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1～表3。

表1 曲、直模型應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比 MPa

表2 曲、直模型內(nèi)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表3 曲、直模型邊支點(diǎn)反力計(jì)算結(jié)果對(duì)比 kN

對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)曲線半徑對(duì)最小正應(yīng)力、最小主應(yīng)力影響較大，按直線橋簡(jiǎn)化不利于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(2)曲線半徑對(duì)彎矩、剪力影響較小，但對(duì)扭矩影響較大，通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算，若不考慮此扭矩影響，按直線橋簡(jiǎn)化計(jì)算，支點(diǎn)附近腹板厚度可減少10 cm。

(3)曲線半徑對(duì)邊支點(diǎn)恒載反力影響較大，對(duì)活載反力影響較小。

6 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)體球鉸、上轉(zhuǎn)盤(pán)、下轉(zhuǎn)盤(pán)、砂箱、撐腳、滑道、牽引系統(tǒng)組成[7-10]。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮各組成構(gòu)件的相互制約關(guān)系，有序、合理地確定各構(gòu)件結(jié)構(gòu)尺寸及位置。本橋轉(zhuǎn)體系統(tǒng)布置見(jiàn)圖4。

圖4 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)布置(單位：cm)

6.1 偏心設(shè)置

由于本橋位于曲線上，在掛籃現(xiàn)澆過(guò)程中，不平衡彎矩隨著橋梁節(jié)段的增加而增大，依據(jù)計(jì)算結(jié)果，最大不平衡彎矩出現(xiàn)在最大懸臂狀態(tài)下，橫向最大彎矩為36 981 kN·m，縱向最大彎矩為8 881 kN·m。各施工階段彎矩計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5(此時(shí)最大軸力為75 798 kN)。

圖5 各施工階段彎矩計(jì)算結(jié)果

為保證橋梁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體順利，在設(shè)計(jì)上主要采用以下方式處理不平衡彎矩[11-13]：

(1)調(diào)整橋梁結(jié)構(gòu)尺寸，如曲線外側(cè)箱梁腹板加厚、箱梁頂板切角等。

(2)采用永久結(jié)構(gòu)配重，如將鐵砂混凝土澆筑于箱梁箱室內(nèi)，增大橫隔板厚度等。

(3)采用臨時(shí)材料配重，待轉(zhuǎn)體完成后拆除，配重材料一般采用鋼筋、砂包等。

(4)將轉(zhuǎn)體球鉸中心與轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重心偏心設(shè)置，以消除轉(zhuǎn)體狀態(tài)下的不平衡彎矩。

方式(1)、方式(2)適用于支架法，而本項(xiàng)目采用掛籃法現(xiàn)澆梁體，受掛籃鋼模板限制，改變橋梁結(jié)構(gòu)尺寸或永久配重，無(wú)疑增加了掛籃的加工難度，且施工工序繁瑣，不利于結(jié)構(gòu)安全。方式(3)只能對(duì)小噸位不平衡結(jié)構(gòu)進(jìn)行配重，若采用該方式，本橋配重將達(dá)到12 300 kN，施工難度大。綜上考慮，設(shè)計(jì)采用方式(4)，即設(shè)置偏心方式。

偏心設(shè)置值由轉(zhuǎn)體時(shí)的最大不平衡彎矩計(jì)算得出，本橋橫向偏心為50 cm，縱向偏心為11 cm。設(shè)置偏心后彎矩計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 設(shè)置偏心后各施工階段彎矩計(jì)算結(jié)果

由上述計(jì)算結(jié)果可以看出，設(shè)置偏心后，橫向最大不平衡彎矩出現(xiàn)在6號(hào)節(jié)段，縱向最大不平衡彎矩出現(xiàn)在9號(hào)節(jié)段。

6.2 砂箱計(jì)算

在掛籃現(xiàn)澆過(guò)程中，結(jié)構(gòu)重力及不平衡彎矩主要作用于轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的砂箱上，由于軸力、彎矩不斷變化，最不利情況較難確定，需對(duì)各施工階段砂箱受力進(jìn)行分析。本橋采用直徑為80 cm的砂箱，共計(jì)26個(gè)。砂箱最大壓應(yīng)力按15 MPa考慮，最大壓力為6 626 kN。各施工階段砂箱壓力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 設(shè)置偏心后各施工階段砂箱壓力計(jì)算結(jié)果

由圖7可知，設(shè)置偏心后，最大不平衡彎矩出現(xiàn)在掛籃施工的中間節(jié)段，但由于軸力較小，此時(shí)不控制砂箱設(shè)計(jì)，砂箱壓力最大值依舊出現(xiàn)在最大懸臂狀態(tài)(壓力為2 777 kN)，此時(shí)安全系數(shù)為2.38，滿(mǎn)足要求。

6.3 轉(zhuǎn)體球鉸

轉(zhuǎn)體球鉸主要承受轉(zhuǎn)體時(shí)上部結(jié)構(gòu)荷載。本項(xiàng)目轉(zhuǎn)體時(shí)恒載為75 798 kN，考慮臨時(shí)配重、施工機(jī)械以及球鉸不均勻受力等因素，轉(zhuǎn)體球鉸重力選取100 MN。

轉(zhuǎn)體球鉸外徑為2 850 mm，總高260 mm，采用錨固螺栓和套筒與上、下轉(zhuǎn)盤(pán)連接，上、下支座板螺栓各10個(gè)，直徑為52 mm，長(zhǎng)600 mm。

6.4 下轉(zhuǎn)盤(pán)

轉(zhuǎn)體時(shí)，下轉(zhuǎn)盤(pán)起到連接轉(zhuǎn)體系統(tǒng)與樁基礎(chǔ)的作用；成橋后，下轉(zhuǎn)盤(pán)作為橋梁下部結(jié)構(gòu)的承臺(tái)。下轉(zhuǎn)盤(pán)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足以下要求：

(1)下轉(zhuǎn)盤(pán)平面結(jié)構(gòu)尺寸滿(mǎn)足轉(zhuǎn)體系統(tǒng)各部件布置需求。

(2)轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中，下轉(zhuǎn)盤(pán)厚度應(yīng)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)受力要求。

(3)結(jié)合項(xiàng)目位置處地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)內(nèi)力，確定樁基直徑及根數(shù)，下轉(zhuǎn)盤(pán)應(yīng)滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)承臺(tái)的要求。

根據(jù)上述要求，采用12根直徑1.8 m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基間距為4.8 m。下轉(zhuǎn)盤(pán)為正八邊形，邊長(zhǎng)為7.2 m，厚4 m。

6.5 上轉(zhuǎn)盤(pán)

上轉(zhuǎn)盤(pán)作為連接橋墩及轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的構(gòu)件，應(yīng)從結(jié)構(gòu)構(gòu)造、受力要求等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1)構(gòu)造要求

上轉(zhuǎn)盤(pán)平面尺寸應(yīng)考慮砂箱布置情況，并結(jié)合橋墩墩底截面尺寸綜合確定。常規(guī)的截面形式為矩形，若下轉(zhuǎn)盤(pán)空間受限，如結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡超出下轉(zhuǎn)盤(pán)范圍，也可采用圓形或多邊形。

(2)受力要求

轉(zhuǎn)體施工時(shí)，上轉(zhuǎn)盤(pán)受到砂箱作用的反力，進(jìn)而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)彎矩，需對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行驗(yàn)算，確定上轉(zhuǎn)盤(pán)的厚度及配筋。

受砂箱布置及下轉(zhuǎn)盤(pán)結(jié)構(gòu)尺寸制約，上轉(zhuǎn)盤(pán)采用正八邊形，邊長(zhǎng)為5.05 m，厚3 m。

6.6 撐腳及滑道

理論計(jì)算上，不平衡彎矩可通過(guò)設(shè)置偏心的方法消除。但在實(shí)際施工過(guò)程中，施工誤差、機(jī)具、風(fēng)荷載等因素仍會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不平衡效應(yīng)。為保證結(jié)構(gòu)的安全，在轉(zhuǎn)體系統(tǒng)中設(shè)置了撐腳、滑道，用來(lái)抵抗轉(zhuǎn)體過(guò)程中的不平衡彎矩。

本橋共采用6對(duì)鋼管混凝土撐腳，每對(duì)2個(gè)。其中，鋼管直徑為80 cm，壁厚為16 mm，管內(nèi)注入C55微膨脹混凝土。

滑道由定位骨架與鋼板組成?；腊霃綖?.5 m，寬1.15 m。施工時(shí)，定位骨架采用等邊角鋼焊接，預(yù)埋至下轉(zhuǎn)盤(pán)中，通過(guò)螺桿與鋼板連接(鋼板厚3 cm)，使鋼板表面高出下轉(zhuǎn)盤(pán)1 cm，并用螺母調(diào)整校平，然后澆筑混凝土。

為保證轉(zhuǎn)體順利進(jìn)行，每個(gè)撐腳底面墊寬950 mm、厚4 mm聚四氟乙烯滑板一塊，鋼板頂布設(shè)寬990 mm、厚2 mm的不銹鋼板，以減少轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦力。

6.7 牽引系統(tǒng)

牽引系統(tǒng)由牽引盤(pán)、牽引索、牽引反力座、助推反力座4部分組成。

牽引盤(pán)為牽引系統(tǒng)的關(guān)鍵，位于上轉(zhuǎn)盤(pán)與轉(zhuǎn)體球鉸之間，牽引索預(yù)埋其中，并繞牽引盤(pán)引至牽引反力座處。牽引盤(pán)直徑受滑道及上轉(zhuǎn)盤(pán)結(jié)構(gòu)尺寸限制，其尺寸在兩者之間。

牽引索一般為兩根鋼絞線，采用對(duì)稱(chēng)牽引，參數(shù)依據(jù)牽引力的大小進(jìn)行選擇。牽引力計(jì)算公式為

T=2fGR/(3D)

(1)

其中，T為牽引力，G為轉(zhuǎn)體總重量，R為轉(zhuǎn)體球鉸半徑，D為牽引力偶臂，f為摩擦系數(shù)。

牽引反力座、助推反力座為輔助設(shè)施，置于轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的下轉(zhuǎn)盤(pán)上。

本橋牽引盤(pán)直徑為5.1 m，牽引索選用15-φs15.2鋼絞線，通過(guò)計(jì)算，牽引力為1 623 kN，牽引安全系數(shù)為2.41，滿(mǎn)足要求。

此類(lèi)工程轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

7 結(jié)束語(yǔ)

(1)根據(jù)曲線橋T形剛構(gòu)的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行以直代曲的簡(jiǎn)化后，對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、扭矩、邊支座反力影響較大；對(duì)結(jié)構(gòu)彎矩、剪力基本無(wú)影響。

(2)對(duì)曲線轉(zhuǎn)體施工的橋梁，偏心設(shè)置及砂箱布置為轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要控制因素；因轉(zhuǎn)體前采用掛籃法現(xiàn)澆施工，設(shè)置偏心后需對(duì)各施工階段砂箱壓力進(jìn)行檢算。

[1] 張聯(lián)燕，譚邦明，等.橋梁轉(zhuǎn)體施工[M].北京:人民交通出版社，2002

[2] 程飛，張琪峰，王景全.我國(guó)橋梁轉(zhuǎn)體施工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(6):67-71

[3] 王東.海青鐵路跨膠濟(jì)客運(yùn)專(zhuān)線(40+64+40) m連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014(5):81-85

[4] TB 10002—2017 鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[5] TB 10009—2016 鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[6] 范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京:人民交通出版社，2001

[7] 肖佳鵬.石景山南站斜拉橋轉(zhuǎn)體系統(tǒng)施工要點(diǎn)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2005(6):42-44

[8] 王文利.雙幅同步轉(zhuǎn)體法施工大噸位T構(gòu)橋設(shè)計(jì)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(12):75-77

[9] 吳帥峰.姑嫂樹(shù)路跨鐵路立交橋設(shè)計(jì)[J].橋梁建設(shè)，2014，44(4):80-84

[10] 李東鋒.連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，33(3):166-170

[11] 徐升橋，陳國(guó)立，柳學(xué)發(fā)，等.北京市五環(huán)路曲線斜拉橋轉(zhuǎn)體施工設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2003(10):1-5

[12] 余錢(qián)華，賀鋼鋒，周義磊.不對(duì)稱(chēng)跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋施工配重分析[J].公路與汽車(chē)，2010，5(3):129-133

[13] 沈永康.偏心水平轉(zhuǎn)體施工技術(shù)在江陵大橋上的運(yùn)用[J].世界橋梁，2004(2):16-17