陳頻志

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

引言

我國幅員遼闊、內陸深廣、人口眾多，資源分布及工業(yè)布局不平衡，鐵路運輸在各種運輸方式中的優(yōu)勢突出，在經(jīng)濟社會發(fā)展中具有特殊的地位和作用。為了更好地促進社會經(jīng)濟發(fā)展和提高人民生活質量，政府正在構建“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會，鐵路作為輸送能力大、能耗低以及污染少的低碳節(jié)約型運輸方式，正在步入快速發(fā)展的軌道。

為適應全面建設小康社會的目標要求，2016年我國新發(fā)布的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》明確提出：鐵路網(wǎng)要擴大規(guī)模，完善結構，提高質量，快速擴充運輸能力，迅速提高裝備水平，使運輸能力滿足國民經(jīng)濟和社會發(fā)展需要，主要技術裝備達到或接近國際先進水平。隨著社會主義市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展與深化，基礎設施亟需完善，鐵路作為重要的交通組成部分和國民經(jīng)濟發(fā)展的大動脈，其建設步伐正在加快，路網(wǎng)規(guī)劃更加完善，線路密度逐漸加大，立交位置越來越多，鐵路路網(wǎng)間及鐵路與公路、管線及其他構筑物間的交叉關系日趨復雜，各種橋梁跨越方案的研究成為設計工作的重點。

近年來，我國鐵路工程發(fā)展迅猛，鐵路間的交叉無法回避，點多面廣、關系復雜，尤其小角度交叉逐漸常態(tài)化，通常采用支架現(xiàn)澆混凝土蓋梁門式墩[1-4]、吊裝鋼蓋梁門式墩[5-8]及轉體大跨連續(xù)橋梁[9-13]等方案，但存在對既有鐵路運營干擾大、后期運營養(yǎng)護難及工程投資高等諸多問題，而鐵路運營單位對既有線運營安全要求日益提高[14]。依托蘭州至中川機場城際鐵路上跨既有蘭新鐵路的交叉關系，對西固黃河特大橋23號(右線21號)橋墩的設計展開鐵路轉體V形橋墩的應用研究。

1 工程背景

新建蘭州至中川機場城際鐵路是蘭州至張掖城際鐵路的重要組成部分，連接蘭州主城區(qū)和蘭州新區(qū)，也是我國西部地區(qū)首條建成通車的城際鐵路，國鐵Ⅰ級，線路全長63.136 km，其中新建線路長48 km。綜合整個項目的功能定位和方案研究，為了便于運輸組織和節(jié)約工程投資，城際鐵路的新建線路采用上下行線分開，自既有福利區(qū)車站外包引出跨越蘭新鐵路后再雙線并行的線路方案，下行線于DK15+448～DK15+492段上跨蘭新鐵路。

受線路基本走向、兩線間距條件和相互交叉關系等因素的影響，出站后即為西固黃河特大橋，全橋長6 679.67 m，于西柳溝至桑園峽之間的柴家峽峽谷出口段虎頭崖附近跨越黃河，其中DK15+742～DK16+648段按上下行單線橋梁設計，以后為雙線橋梁，上下行單線橋梁長分別為906.23 m和841.75 m，雙線橋梁長4 931.69 m。此處立交位于橋范圍，線路局部平面交叉關系及橋墩位置見圖1。

圖1 蘭州至中川機場城際鐵路上跨既有蘭新鐵路立交位置關系

2 跨越方案研究及比較

跨越既有蘭新鐵路處平面關系復雜、坡度條件控制，蘭州至中川機場城際鐵路跨越既有蘭新鐵路，市政道路康樂路又下穿蘭新鐵路，屬典型三層公鐵立交關系。城際鐵路下行線與蘭新鐵路夾角約13°，且位于R=1 200 m曲線和18‰坡道上，結合交叉關系、線路縱坡和場地條件，研究了大跨度連續(xù)橋梁、混凝土蓋梁門式墩、鋼蓋梁門式墩和轉體V形橋墩等方案，各方案的比較見表1。

通過表1對工程投資、施工周期、安全風險、既有鐵路運營影響及后期維修養(yǎng)護等情況的綜合比較和系統(tǒng)分析，采用轉體V形橋墩(圖2)是安全可靠、經(jīng)濟合理、便于實施的設計方案。

表1 蘭州至中川機場城際鐵路跨越既有蘭新鐵路方案比較

圖2 轉體V形橋墩方案(單位：cm)

3 轉體V形橋墩設計

3.1 構造設計

既有蘭新線為國鐵Ⅰ級客貨共線雙線鐵路，其限界要求為速度v≤160 km/h的基本建筑限界；西固黃河特大橋單線橋梁段落的上下行線墩位里程基本對齊，孔跨均為Lp=32 m的簡支T梁。綜合以上情況，使V形橋墩中心與墩位處上下行線的支承對稱中心重合，倒三角構造輪廓和墩身外側弧線設計恰好適應橋下既有蘭新鐵路的基本建筑限界要求，不僅減小蓋梁的懸臂長度，也有利于提高橋墩橫向剛度。蓋梁、墩柱及直段墩身的交叉位置采用圓弧倒角進行構造處理，構造輪廓流暢，外形美觀大方，同時解決了構造連接部位應力集中的問題。蓋梁混凝土等級C50，預應力鋼筋混凝土結構，全長23.5 m，計算跨度14.0 m，懸臂長1.75 m，截面尺寸：3.4 m(寬)×3.0 m(高)，鋼絞線采用高強度、低松弛鋼絞線，抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，規(guī)格為15-φs15.2 mm。墩身混凝土等級C40，普通鋼筋混凝土結構，高度8.85 m，兩柱夾角60.5°，墩柱截面尺寸：3.0 m(縱)×3.0 m(橫)，鋼筋采用HRB400。承臺及樁基混凝土等級C35，采用12根φ1.25 m鉆孔灌注樁，按摩擦樁設計。

3.2 轉體方案

本橋墩采用墩底轉體方案[15-16]，基礎施工結束后承臺作為下轉盤，墩底部設置上轉盤，上下轉盤之間設置球鉸和撐腳，鋼球鉸設在承臺中心位置，球鉸安裝就位時即安裝撐腳，采用楔形鋼板穩(wěn)固撐腳，焊接預埋的φ32 mm精軋螺紋鋼筋并鎖定上下轉盤，增加梁體施工的橫向抗傾覆性[17]?，F(xiàn)澆墩柱及蓋梁，轉體施工工作準備就緒，切割上下轉盤間的φ32 mm精軋螺紋鋼，拆除撐腳底的楔形鋼板，在撐腳下面鋪裝厚5 mm四氟板，轉動過程中及時添加四氟粉，以減小轉動時的摩擦力。轉動就位并核查無誤后，再次穩(wěn)固撐腳并鎖定上下轉盤，保證轉體單元不再產(chǎn)生位移。清洗底盤上表面，焊接預留鋼筋，立模澆筑封固混凝土(C50微膨脹混凝土)，使上轉盤與下轉盤連成一體。澆筑封固混凝土時一定要振搗密實，以保證上、下盤牢固連接。

3.3 轉體系統(tǒng)設計(圖3)

圖3 轉體系統(tǒng)立面及平面(單位：cm)

轉體系統(tǒng)由鋼球鉸及其撐腳、上轉盤、下轉盤(承臺)、轉體牽引系統(tǒng)、助推系統(tǒng)、軸線微調系統(tǒng)、頂梁系統(tǒng)、臨時輔助平衡系統(tǒng)(撐腳底加塞的楔形鋼板)組成。

下轉盤是轉體重要的支撐結構，承臺即為V形橋墩的下轉盤，其頂面布置有轉動系統(tǒng)的下球鉸、撐腳的不銹鋼環(huán)形滑道、轉動牽引系統(tǒng)的反力座、助推系統(tǒng)、軸線微調系統(tǒng)、頂梁系統(tǒng)等。

球鉸是轉動體系的核心，也是轉體施工的關鍵結構，制作及安裝精度要求很高，必須精心制作、準確安裝。

撐腳是保證轉動時平穩(wěn)的保險腿，每個撐腳由2個φ500 mm×20 mm的鋼管組成雙圓柱形，下端焊接20 mm厚鋼走板，在上轉盤以墩軸心為圓心對稱布置8套，下設半徑2.4 m的滑道，轉動時保證撐腳在滑道內滑動，保持轉體結構的平穩(wěn)。

上轉盤支承轉體部分，直接與V形橋墩墩身相連，發(fā)揮著“承上啟下”的關鍵作用，既是球鉸、撐腳與橋墩相連接的部分，又是直接施加轉體牽引力的重要部分。

3.4 牽引力計算

轉體部分總重力W=12 000 kN。

球鉸轉動摩擦力矩[18]為M=2·μ·W·R/3 ，啟動牽引力T=M/D。

式中μ——球鉸摩阻系數(shù)，啟動時靜摩擦系數(shù)0.1，轉動過程中動摩擦系數(shù)0.06；

R——球鉸半徑，采用0.9 m；

D——牽引力力臂，采用3.1 m。

4 結構分析(圖4)

V形橋墩屬于構造復雜墩型，需采用有限元程序進行結構分析。根據(jù)剛度等效原理，將樁基礎剛度模擬為下端固結的矩形短柱，結合構造特點和計算需要建模分析，系統(tǒng)考慮各種荷載工況，嚴格模擬施工過程和運營情況。平面桿系單元模型分析了結構的強度、內力及安全系數(shù)等，蓋梁的上下緣正應力、斜截面主應力和抗裂、強度安全系數(shù)等各項驗算指標均滿足規(guī)范要求。

圖4 平面桿系模型和實體單元模型(單位：kN)

鐵路軌道是直接承載列車的關鍵設備，軌道使用狀態(tài)的優(yōu)良關系到鐵路運營的安全性和舒適度，筆者認為評估軌道使用狀態(tài)的眾多參數(shù)中又以其平順度[19-20]最為關鍵。軌道靜態(tài)平順度可以在日常維修養(yǎng)護中進行修正，使其滿足規(guī)范的相關要求；而軌道動態(tài)平順度[22]是對列車通過時軌道使用狀態(tài)的反應，與活載大小、列車速度、軌道結構及線下設備剛度等息息相關，無法通過維修養(yǎng)護予以消除，設計時應對軌道動態(tài)平順度進行分析，使其達到規(guī)范的限值要求。軌道平順度包括高低、軌向、軌距、水平、扭曲等眾多評估參數(shù)，但就本文中V形橋墩而言，列車通過時其變形對軌道高低的影響最大。蘭州至中川城際鐵路上下行線簡支T梁的支座位于蓋梁的懸臂段，鐵路運營過程中，支座的豎向位移差和整個橋墩的橫向轉動將引起軌道的高低變化，計算分析軌道高低成為該橋墩設計的關鍵，也是保證鐵路運輸安全的重要設計指標。為準確推算軌道的高低值，結合V形橋墩的構造特點，用MIDAS/Civil程序建立實體模型，合理劃分計算單元，精確模擬構造尺寸，系統(tǒng)計算了各種運營情況下兩支座位置處的豎向位移，通過軌道與支座的幾何關系推算軌道的動態(tài)高低值。經(jīng)過研究和分析，整理了兩線行車、單線行車雙孔重載情況下的計算結果，并與TB 10082—2017/J 448—2017《鐵路軌道設計規(guī)范》對應速度目標值下軌道動態(tài)高低的限值進行了比較，完全滿足規(guī)范的要求，具體數(shù)值和分析見表2。

表2 鐵路軌道動態(tài)高低值計算比較 mm

5 結語

近幾年，我國鐵路保持快速的發(fā)展，建設步伐不斷提速，路網(wǎng)密度逐漸加大，立交位置越來越多，交叉關系日趨復雜，跨越方案研究成為橋梁設計的一項重要工作，其中門式墩、倒“L”墩等各種特殊橋墩成為解決鐵路小夾角立交問題的主力軍，本文轉體V形橋墩便是諸多特殊橋墩的新成員。作為一種創(chuàng)新型橋墩，以其獨特的V形輪廓巧妙地適應了橋下既有蘭新鐵路的建筑限界，三角環(huán)框構造確保了橋墩的整體剛度和結構受力，墩底轉體施工顯著減小了新線施工對既有鐵路正常運營的不利影響，具有投資少、工期短、風險低及運營養(yǎng)護要求低等諸多優(yōu)點，值得深入研究，應用前景廣闊，可為今后國內類似鐵路橋梁的立體交叉設計提供借鑒和參考。