賈奮宗

(中鐵上海設(shè)計院集團有限公司，上海 200070)

轉(zhuǎn)體施工法[1-2]的出現(xiàn)，創(chuàng)造了一種新的建橋思路：橋梁可以在偏離設(shè)計軸線的位置進行預(yù)制，通過旋轉(zhuǎn)使橋梁就位。對于設(shè)計橋梁軸線處施工條件受限的情況，轉(zhuǎn)體施工法相較于現(xiàn)澆法、懸澆法、頂推法等具有極大的優(yōu)越性。目前，國外采用轉(zhuǎn)體法鋼球鉸的最大轉(zhuǎn)體重量為1.95×104t(比利時的本·艾因橋)，國內(nèi)采用鋼球鉸的最大轉(zhuǎn)體重量為2.48×104t(山東菏澤丹陽路立交橋，2016年11月施工)，國內(nèi)采用平板鉸的最大轉(zhuǎn)體重量為1.4×104t(綏芬河市新華街立交)，混凝土鉸的最大轉(zhuǎn)體重量為6.32×103t。目前已建成的轉(zhuǎn)體橋梁大都應(yīng)用于直橋和大半徑彎梁橋，由于小半徑連續(xù)彎梁存在較大的橫向不平衡彎矩，對設(shè)計和施工提出了更高要求。

1 工程概況

連鎮(zhèn)鐵路淮安至鎮(zhèn)江段位于江蘇省境內(nèi)，北起淮安，南至鎮(zhèn)江，本工點(68+128+68) m轉(zhuǎn)體連續(xù)梁位于連鎮(zhèn)鐵路淮揚聯(lián)絡(luò)線左線特大橋，此處為單線，平面位于半徑R=700 m的圓曲線及緩和曲線處，分別以23°及22°夾角上跨既有寧啟鐵路及增建寧啟復(fù)線(此處采用128 m主跨跨越)，同時邊跨跨越規(guī)劃金灣路(現(xiàn)狀為S237省道)[3]。

考慮到本橋跨越運輸繁忙的既有鐵路干線—寧啟鐵路(包括增建復(fù)線)，為盡量減小對既有鐵路的影響，確保運營安全，采用平面轉(zhuǎn)體法施工。轉(zhuǎn)體梁共2個T構(gòu)，每個T構(gòu)長126 m，轉(zhuǎn)體重量分別為7 380 t和7 700 t，轉(zhuǎn)動角度均為19.5°。新建橋梁與既有鐵路位置關(guān)系平面布置見圖1。

圖1 新建橋梁與既有鐵路位置關(guān)系(單位：m)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 上部結(jié)構(gòu)

本工程轉(zhuǎn)體連續(xù)梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算分析與傳統(tǒng)懸澆梁基本相同。主橋上部結(jié)構(gòu)采用(68+128+68) m變高度單線預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁[4-5]，全長265.5 m(含兩側(cè)梁端至邊支座中心各0.75 m)。設(shè)計活載為ZK荷載，線路為單線聯(lián)絡(luò)線，客運專線，設(shè)計行車速度160 km/h，采用曲梁曲做。全橋共分71個梁段，中支點處梁段長度12 m；一般梁段分成3.0 m、3.5 m和4.0 m，合龍段長2.0 m，邊跨現(xiàn)澆段長3.75 m。全橋立面布置見圖2[6]。限界滿足相關(guān)規(guī)范要求[7-8]。

圖2 全橋立面布置(單位：cm)

主梁采用雙向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，單箱單室變高度箱形截面。梁體各控制截面梁高為：端支座處及邊跨直線段和跨中處為4.5 m，中支點處8.6 m，梁底下緣按圓曲線變化，圓曲線半徑R=462.736 m;箱梁頂寬8.5 m，箱梁底寬6.5 m。箱梁兩側(cè)腹板與頂、底板相交處均采用圓弧倒角過渡。其中頂板厚42 cm；底板厚度46 cm至150 cm，按圓曲線變化至中支點梁根部；腹板厚度分為45～70～90 cm，按折線變化；全橋共設(shè)5道橫隔梁，分別設(shè)于端支點、跨中及中支點。邊支點處設(shè)置厚1.5 m的端隔梁，跨中橫梁厚0.8 m，中支點處設(shè)2.4 m厚的橫隔梁。主梁截面見圖3[9]。

圖3 主梁截面(單位：cm)

通過建立有限元模型，主梁運營階段控制截面應(yīng)力如表1，均滿足規(guī)范限值。

表1 運營階段控制截面應(yīng)力

本工程上部結(jié)構(gòu)設(shè)計與傳統(tǒng)懸澆連續(xù)梁區(qū)別在于：

(1)中跨合龍段的設(shè)計較為特殊。在轉(zhuǎn)體T構(gòu)末端預(yù)埋與箱梁外輪廓相同的鋼盒[10]，利用預(yù)埋鋼盒澆筑中跨合龍段，使得合龍段施工在封閉的開口箱中進行，對既有線行車干擾小，可不中斷行車。最終預(yù)埋鋼盒與混凝土梁形成結(jié)合梁共同參與受力。鋼盒節(jié)段連接示意見圖4。

圖4 鋼盒節(jié)段連接示意(單位：cm)

(2)轉(zhuǎn)體梁段臨近鐵路既有線路[11]。為避免施工對既有線路安全造成影響，施工時應(yīng)對掛籃做全封閉防護，并在施工梁段靠既有線路側(cè)設(shè)置防拋網(wǎng)。

2.2 下部結(jié)構(gòu)

本橋轉(zhuǎn)體橋墩采用圓端形截面實心墩柱[12]。沿橋縱向墩柱寬4.5 m，沿橋橫向墩柱寬8.5 m，墩高分別為14.0 m、17.5 m。主墩基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)(12根，直徑均為2.0 m)，梅花形布置；承臺厚7.0 m，分上下兩層。上承臺兼做球鉸的上轉(zhuǎn)盤，高2.5 m，采用三向預(yù)應(yīng)力體系，轉(zhuǎn)體完畢后用混凝土封閉球鉸和其他未施工的混凝土。下承臺高4.5 m。

轉(zhuǎn)臺由上承臺、上轉(zhuǎn)盤、球鉸、定位軸、撐腳、滑道、千斤頂反力座、止推塊、下承臺以及基礎(chǔ)等組成[13]。

橋梁轉(zhuǎn)體施工工藝的關(guān)鍵在于“轉(zhuǎn)得動、轉(zhuǎn)得穩(wěn)、轉(zhuǎn)得準(zhǔn)”。因此，以下幾個方面的設(shè)計至關(guān)重要。

①鋼球鉸平面半徑的確定；②撐腳反力的假定計算；③牽引力計算；④牽引索計算；⑤曲線梁轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平衡問題。

(1)球鉸設(shè)計

當(dāng)轉(zhuǎn)動體重量為4 000～6 500 t時可采用混凝土球鉸，當(dāng)轉(zhuǎn)動體重量為6 500～10 000 t時宜采用鋼制球鉸[14-15]；本橋72號墩轉(zhuǎn)體重量7 380 t，73號墩轉(zhuǎn)體重量7 700 t，故采用鋼球鉸。球面鋼板的大小主要受其下轉(zhuǎn)盤混凝土承載力限制，其直徑可由下式確定：

D1≥2×(N1/(π·k·[σc]))1/2

式中D1——球鉸平面直徑；

N1——球鉸軸心處的豎向反力，安全計可采N1=G；

G——包括上轉(zhuǎn)盤在內(nèi)的轉(zhuǎn)體重量；

[σc]——球鉸下混凝土中心受壓容許應(yīng)力；

k——球鉸接觸面積折減系數(shù)，k=0.650.7；

其中G=7 700 t，上下承臺均采用C50混凝土，取[σc]=13.4 MPa，代入得：D1≥3.234 m。故設(shè)計球鉸平面直徑取4.0 m。

(2)撐腳反力計算

上盤撐腳即為轉(zhuǎn)體時支撐轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平穩(wěn)的保險腿。每個上盤下設(shè)有8對撐腳，每對撐腳有兩個A=0.8 m的圓柱形構(gòu)成，在撐腳下方設(shè)有1.1 m寬的滑道，滑道半徑為4.5 m。轉(zhuǎn)體時保險撐腳在滑道內(nèi)滑動，以保持轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平穩(wěn)。

考慮梁體不平衡重量及風(fēng)荷載，在轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)最大懸臂狀態(tài)由上述2種荷載產(chǎn)生的不平衡彎矩為2 966 t時，假設(shè)有1對撐腳落在滑道上，撐腳支撐反力為R=713.5 t，則此時球鉸分擔(dān)的豎向力為6 986.85 t，撐腳面積A為1.005 m2，撐腳應(yīng)力為σ=R/A=7.099 MPa，撐腳采用C50混凝土?xí)r，滿足要求。

(3)牽引力計算

①中心承重平衡轉(zhuǎn)體工況

根據(jù)力矩平衡條件，可得轉(zhuǎn)體所需牽引力T=M/D，其中

靜摩擦力矩:M0=2μ0Gr/3=1 026.7 t·m

動摩擦力矩:M1=2μ1Gr/3=616 t·m

式中G——轉(zhuǎn)體總重力，取7 700 t；

r——球鉸水平投影半徑，取2 m；

μ0——靜摩擦系數(shù)，取0.1；

μ1——動摩擦系數(shù)，取0.06；

D——牽索索鞍轉(zhuǎn)盤直徑，取12 m；

啟動牽引力為:T0=M0/D=85.56 t

轉(zhuǎn)動牽引力為:T1=M1/D=51.3 t

②偏載最不利轉(zhuǎn)體工況

靜摩擦力矩：

M0=μ0·F·Rc+2μ0·(G-F)·r/3=

1 252.6 t·m

動摩擦力矩：

M1=μ1·F·Rc+2μ1·(G-F)·r/3=

751.6 t·m

式中Rc——撐腳半徑，取4.5 m；

F——撐腳反力，取713.5 t；

其余參數(shù)取值同上。

啟動牽引力為:T0=M0/D=104.38 t

轉(zhuǎn)動牽引力為:T1=M1/D=62.63 t

從以上計算可知，即使出現(xiàn)偏心轉(zhuǎn)體現(xiàn)象，2臺ZLD200(張拉噸位200 t)千斤頂仍可滿足要求。

(4)牽引索計算

選用17-φ15.2鋼絞線作為牽引索，其標(biāo)準(zhǔn)強度：fytp=1 860 MPa，n=17，單根截面面積A=140 m2；鋼絞線錨下控制應(yīng)力fk=0.75fytp=0.75×1 860=1 395 MPa。單束鋼絞線容許應(yīng)力：[T]=n·A·fk=332.01 t，[T]>T0，滿足要求。

(5)曲線梁轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平衡問題

轉(zhuǎn)體前應(yīng)進行轉(zhuǎn)動體稱重試驗。上下盤之間安裝砂箱、千斤頂、位移計。拆除砂箱后，通過位移計觀察撐腳是否落地，即是否需設(shè)平衡重。對于直線梁可直接通過上述方法設(shè)計平衡配重。配重=N頂×e/(懸臂長度-配重距梁端的距離)。N頂由千斤頂?shù)玫剑鐖D5。

圖5 平衡配重示意

對于曲線梁，除微量的偏心可通過配重解決外，還需采用設(shè)置橫向預(yù)偏心的方法解決曲線橋梁面外不平衡彎矩。通過建立Midas有限元模型，求得在施工階段最大懸臂狀態(tài)下，橫橋向橋墩中心線相對球鉸中心線向曲線外側(cè)的偏移量D，72號橋墩偏移量D為0.2 m，73號橋墩偏移量D為0.5 m。設(shè)計球鉸中心與承臺中心重合(如圖6)。

圖6 主橋墩身及基礎(chǔ)構(gòu)造(單位：cm)

(6)轉(zhuǎn)體下部結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟總結(jié)

①根據(jù)包括上轉(zhuǎn)盤在內(nèi)的轉(zhuǎn)體重量G及C50混凝土參數(shù)計算球鉸平面直徑D1。

②綜合考慮，確定上轉(zhuǎn)盤直徑、滑道直徑。當(dāng)平衡體轉(zhuǎn)動時假定仍可發(fā)生少量偏心，則應(yīng)求得撐腳分擔(dān)的轉(zhuǎn)體重量及球鉸分擔(dān)的豎向力。

③進行牽引力計算，確定絞線牽引力千斤頂、助推千斤頂及反力架位置。

④據(jù)此，設(shè)計下承臺、樁基及整個轉(zhuǎn)臺構(gòu)造。

⑤進行平衡設(shè)計。

⑥進行轉(zhuǎn)臺各項強度計算。

3 施工難點及應(yīng)對措施

在連續(xù)彎梁梁體最大懸臂狀態(tài)下進行轉(zhuǎn)體施工，此時也是梁體在施工時承受彎、剪、扭最大的受力狀態(tài)。如何順利實現(xiàn)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)“轉(zhuǎn)得動、轉(zhuǎn)得穩(wěn)、轉(zhuǎn)得準(zhǔn)”，是轉(zhuǎn)體施工[16-17]中的難點。

(1)轉(zhuǎn)動體系

轉(zhuǎn)動體系的核心是轉(zhuǎn)動球鉸，其制造精度控制如下：

①面光潔度不小于▽3；

②球面各處的曲率應(yīng)相等，其曲率半徑之差±2 mm；

③邊緣各點的高程差不得大于1 mm；

④橢圓度不大于1.5 mm；

⑤鑲嵌的四氟板塊頂面應(yīng)位于同一球面上，其誤差不大于0.2 mm；

⑥球鉸上下面形心軸、球鉸轉(zhuǎn)動中心軸應(yīng)重合，其誤差不得大于1 mm；與上下球鉸焊接的鋼管中心軸應(yīng)與轉(zhuǎn)動軸重合，其誤差不得大于1 mm，鋼管應(yīng)鉛垂，傾斜度不得大于1‰。

球鉸的安裝要點如下：

①保持球鉸面不變形，保證球鉸面光潔度及橢圓度；

②球鉸范圍內(nèi)混凝土振搗務(wù)必密實；

③防止混凝土漿或其它雜物進入球鉸摩擦面。

球鉸的安裝精度質(zhì)量控制如下：

①球鉸安裝頂口務(wù)必水平，其頂面任兩點誤差不大于1 mm；

②球鉸轉(zhuǎn)動中心務(wù)必位于設(shè)計位置，其順橋向誤差±1 mm；橫橋向誤差±1 mm。

(2)轉(zhuǎn)體速度

①轉(zhuǎn)體角速度≤0.02 rad/min；

②主梁端部水平線速度≤1.0 m/min。

(3)防傾保險措施

①8組鋼管混凝土撐腳均布于上轉(zhuǎn)盤直徑為9.0 m的圓周上，撐腳下對應(yīng)有不銹鋼滑道，滑道上鋪設(shè)4 mm厚的四氟板，轉(zhuǎn)體時保險撐腳可在滑道內(nèi)滑動，以確保轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)。

②轉(zhuǎn)體前應(yīng)對轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)體系進行稱重，根據(jù)稱重的結(jié)果在橋上施加配重，使轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重心與球鉸中心位于同一豎直線上。

(4)試轉(zhuǎn)過程中的應(yīng)急措施

①配重調(diào)整：

如果在轉(zhuǎn)體過程中出現(xiàn)梁段重量不平衡的現(xiàn)象，可根據(jù)監(jiān)控量測結(jié)果，經(jīng)理論推算后，根據(jù)配載方案調(diào)整轉(zhuǎn)體重量，使結(jié)構(gòu)重心與轉(zhuǎn)軸中心重合。

②首次不能正常起動情況下的應(yīng)急措施：

根據(jù)檢算，正常情況下千斤頂完全可以滿足轉(zhuǎn)體正常起動。若由于其他因素影響而導(dǎo)致首次千斤頂加載時不能正常起動，應(yīng)檢查撐腳與滑道接觸處是否被雜物卡住，滑道在此處是否形成上坡。此時可利用千斤頂前、后頂同時起動，手動增加牽引力，使轉(zhuǎn)動體轉(zhuǎn)動。

(5)采取措施避免環(huán)境因素干擾

①在轉(zhuǎn)體過程中，上部結(jié)構(gòu)覆蓋面范圍內(nèi)不得有影響轉(zhuǎn)體正常進行的障礙物。

②提前獲取轉(zhuǎn)體當(dāng)天的氣象信息，避免可能出現(xiàn)的大風(fēng)對轉(zhuǎn)體工作的危害，并采用有效方案措施，當(dāng)風(fēng)速大于4級時，應(yīng)停止轉(zhuǎn)體施工。

③進行必要的施工監(jiān)測，確保轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的安全。

4 結(jié)束語

(1)轉(zhuǎn)體施工法利用橋梁結(jié)構(gòu)本身形成轉(zhuǎn)動體系，對于直接在設(shè)計橋梁軸線處施工條件受限的情況，可避免在運輸繁忙的既有鐵路干線上搭設(shè)支架，不干擾交通，有效地縮短了工期，帶來了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

(2)橋梁轉(zhuǎn)體施工工藝的關(guān)鍵在于“轉(zhuǎn)得動、轉(zhuǎn)得穩(wěn)、轉(zhuǎn)得準(zhǔn)”。因此，轉(zhuǎn)臺工藝概念設(shè)計極其重要。

(3)小半徑連續(xù)彎梁可通過在橋墩橫橋向設(shè)置預(yù)偏心的方式解決曲線梁面外不平衡的問題。

(4)結(jié)合轉(zhuǎn)體施工時梁體彎、剪、扭最大受力狀態(tài)的力學(xué)分析，采取有效的施工控制應(yīng)對措施，可為轉(zhuǎn)體施工的順利實施提供強有力的保障。

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