秦寰宇

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

為減小新建鐵路施工對既有線運營的影響，常采用平轉轉體方法施工跨越既有線的橋梁［1］。平轉轉體分為墩頂轉體［2］和墩底轉體2 種方式，且普遍采用墩底轉體方式［3-4］。墩底平轉轉體橋梁轉盤設計主要包括上轉盤設計和下轉盤（即轉體橋梁的承臺）設計。上下轉盤的受力與橋墩類型和樁基布置密切相關，如果選擇的墩型或樁基布置不合適，將導致上下轉盤的受力狀態(tài)較差，造成上下轉盤的尺寸、配筋或配索增加，從而增加建造成本。為解決上述問題，本文以新建福廈高速鐵路西溪特大橋（94+168+94）m 平轉轉體剛構為背景，分析不同墩型對上轉盤受力的影響以及不同樁基布置對下轉盤受力的影響，并對橋墩及樁基進行優(yōu)化，為轉體設計中橋墩及樁基的選型和優(yōu)化提供參考。

1 工程概況

新建福廈高速鐵路西溪特大橋（94+168+94）m 剛構，上跨既有鐵路，梁部采用預應力混凝土箱梁，梁寬12.6 m，邊支點梁高4.5 m，中支點梁高10.5 m，平行于既有鐵路懸灌施工，懸灌至最大懸臂長度83 m 后進行轉體、封鉸，最后合龍［5］。該橋采用平轉轉體施工方法進行施工，上、下轉盤的尺寸分別為15 m（長）×15 m（寬）×3.5 m（高），16.8 m（長）×22.8 m（寬）×5.6 m（高）；轉體噸位為17 500 t，球鉸無偏心。轉體施工半立面見圖1。

圖1 轉體施工半立面（單位：m）

2 橋墩對上轉盤設計影響

鐵路橋梁中，常采用的墩型包括實體墩、空心墩及雙薄壁墩。本文分別采用這3種墩型對轉體剛構上轉盤進行實體有限元分析，探究不同墩型對上轉盤受力的影響規(guī)律，從而確定最終方案并對其優(yōu)化。

2.1 有限元分析

大橋墩高22 m，順橋向厚7 m，橫橋向寬9 m，采用MIDAS FEA對上轉盤及橋墩底部8 m高度范圍建立實體有限元模型［6］，并對轉體工況進行分析。根據圣維南原理，在墩底以上8 m 高度處可認為壓力已經均勻分布，因此將墩底8 m 以上部分的重力按均布荷載施加在模型的頂部，并對上轉盤球鉸底部的接觸面進行約束。經計算，轉體工況下3 種橋墩主拉應力云圖見圖2。

由圖2 可知：實體墩最大主拉應力為0.52 MPa，位于上轉盤以上1 m 高度處；空心墩、雙薄壁墩最大主拉應力分別為4.29，9.09 MPa，均位于上轉盤頂部。

圖2 橋墩主拉應力云圖（單位：MPa）

轉體工況下，由于球鉸支承上轉盤造成上轉盤頂部中心產生較大的主拉應力，而墩身混凝土對上轉盤起到一定的約束作用，即實體墩＞空心墩＞雙薄壁墩。約束越強，所受主拉應力越小。因此產生的主拉應力大小為實體墩＜空心墩＜雙薄壁墩。據此推斷，增加墩底實體段可加強墩底混凝土對上轉盤的約束作用，減小轉體工況下產生的主拉應力。

對空心墩及雙薄壁墩增加1～5 m 墩底實體段，以米為單位進行有限元計算，分析墩底實體段高度對轉體主拉應力的影響。計算結果表明，最大主拉應力均出現在墩底實體段頂部，將墩底實體段高度及最大主拉應力的關系繪成曲線，見圖3。

圖3 墩底最大主拉應力曲線

由圖3可知：①實體墩對上轉盤受力最有利，其次是空心墩，最不利的是雙薄壁墩；②通過增加墩底實體段，能夠有效降低空心墩、雙薄壁墩上轉盤的主拉應力；③隨著墩底實體段高度的增加，主拉應力降低的幅度逐漸變小。

2.2 橋墩方案選型及優(yōu)化

在墩高較矮時采用實體墩，既能有效減小轉體工況下的墩底主拉應力，又不會過多增加自重；在墩高較高時，為減輕橋墩重量、減小轉體噸位，可采用空心墩或雙薄壁墩，并在墩底增加一定厚度的實體段，以減小轉體工況主拉應力。

本橋橋墩尺寸為22 m（高）×9 m（寬）×7 m（厚），尺寸較大。結合墩梁固結處受力［7］、球鉸噸位、美觀等方面綜合考慮，擬采用雙薄壁墩。為減小上轉盤主拉應力，在墩底增加2.0 m 高實體段對其進行優(yōu)化?？v橋向距實體段頂面 0.3 m 高度處布置 17 根 12-φ15.2 的鋼索；橫橋向距實體段頂面0.5 m 高度處布置9 根12-φ15.2 的鋼索。鋼索平面間距均為0.5 m，并沿墩中心向兩側布置，見圖4。

圖4 墩底實體段鋼索布置

經計算，實體段頂面最大主拉應力為2.4 MPa（圖5）。因此，墩底實體部分可以采用C50 混凝土，保證施工過程中混凝土不開裂。

圖5 墩底應力云圖（單位：MPa）

3 樁基對下轉盤設計的影響

鐵路橋梁中常采用的樁基布置形式為梅花式和行列式。本文采用這2種布樁形式對轉體剛構下轉盤進行實體有限元分析，探究不同樁基布置對下轉盤受力的影響規(guī)律，從而確定最終方案并對其優(yōu)化。

3.1 有限元分析

大橋基巖距地面線31 m，樁基礎采用柱樁。采用MIDAS FEA 對下轉盤及樁基礎建立實體有限元模型，對轉體工況進行分析。將球鉸以上部分的結構重力施加在下轉盤球鉸接觸面上。由于轉體過程中懸臂平衡，主要受力為豎向力，且樁基礎為柱樁，因此不考慮土層的側向約束，僅對樁底進行約束。

選取梅花式及行列式2 種方案，樁徑均為2.8 m，下轉盤厚度采用2倍樁徑［8-9］。樁基平面布置見圖6。

圖6 樁基平面布置（單位：cm）

由于球鉸與下轉盤接觸面較小，造成下轉盤底部中心產生較大主拉應力。利用有限元建模分析，2 種布樁形式下轉盤底部主拉應力云圖見圖7?？芍?，方案1 和方案2 下轉盤底部最大主拉應力分別為4.44，5.61 MPa。

圖7 下轉盤底主拉應力云圖（單位：MPa）

1—4號樁的最大軸力見表1。

表1 樁基最大軸力 kN

由圖7 和表1 可知：①球鉸正下方布置樁基時，對下轉盤底部受力更加有利；②距離球鉸中心越遠，樁基所受到的力越小，中樁受力明顯大于角樁。

3.2 樁基方案選型及優(yōu)化

樁基布置時應盡量選擇在球鉸下方設置樁基的布置形式，以減小下轉盤底部主拉應力。在轉體工況下，中樁受力明顯大于邊樁，可適當增加中樁樁徑，使各樁基應力狀態(tài)更加均衡。對于方案1和方案2，中樁及角樁最大軸力相差不到10%，但方案1 能有效減小下轉盤底部主拉應力。因此，擬采用方案1 的樁基布置形式。由于樁基對下轉盤的支承不是絕對剛性的，各樁基轉體狀態(tài)下承受的荷載在成橋后會重分配。因此，樁基計算時對封鉸前的荷載進行重分配以及不進行重分配2種工況進行包絡計算。

本文采用自主開發(fā)的“預應力混凝土雙柱門式墩結構分析軟件”中樁基計算模塊［10］對樁基進行包絡計算。為使各樁基應力狀態(tài)更加均衡，且滿足最小樁間距的要求，擬優(yōu)化中樁樁徑至3.0 m，其他樁基尺寸及布置均不變。根據優(yōu)化后的樁基布置重新進行建模設計?？v橋向距下轉盤底面0.3 m 高度處布置21 根15-φ15.2的鋼索；橫橋向距下轉盤底面0.55 m高度處布置21 根25-φ15.2 的鋼索。鋼索平面間距均為0.5 m，并沿下轉盤中心向兩側布置，見圖8。

經計算，轉體工況下轉盤底的主拉應力為1.3 MPa（圖9），下轉盤混凝土可采用C30。

圖8 下轉盤鋼索布置

圖9 轉體工況下轉盤底主拉應力云圖（單位：MPa）

4 結論

1）實體墩對上轉盤受力最有利，其次是空心墩，最不利的是雙薄壁墩。

2）增加墩底實體段，能夠有效降低空心墩、雙薄壁墩上轉盤的主拉應力。隨著墩底實體段高度的增加，主拉應力降低的幅度逐漸變小。

3）球鉸正下方有樁基時，對下轉盤受力更加有利。距離球鉸中心越遠，樁基所受到的力越小，適當增加中樁樁徑，可使各樁基應力狀態(tài)更加均衡。