韓冬卿

(中電建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司，河北 石家莊 050000)

0 引言

跨越既有線(xiàn)路的橋梁施工有預(yù)制拼裝法、頂推法、轉(zhuǎn)體法等方法。目前轉(zhuǎn)體法應(yīng)用最為廣泛，尤其在跨越繁忙運(yùn)輸?shù)蔫F路線(xiàn)路時(shí)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)最明顯[1-5]。但目前針對(duì)轉(zhuǎn)體橋設(shè)計(jì)和施工的系統(tǒng)性研究較少，本文以津石高速上跨京九鐵路轉(zhuǎn)體立交橋?yàn)槔?，?duì)轉(zhuǎn)體橋的總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、施工方案進(jìn)行了研究，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，為本工程安全順利施工提供必要條件。

1 工程概況

津石高速公路(津冀界至保石界段)上跨京九鐵路立交橋工程位于滄州市任丘市于村鄉(xiāng)東陵城村南，地形起伏不大，交通便利。橋梁全長(zhǎng)490 m，主橋橋面整體式布置，橋梁全寬33.5 m。上跨主橋與既有京九鐵路相交，交點(diǎn)處京九鐵路下行線(xiàn)里程K136+782.281，交角73.3°，交點(diǎn)處文安與任丘區(qū)間公路里程K61+662.778。主橋跨度布置為2×65 m連續(xù)T構(gòu)，采用大節(jié)段現(xiàn)澆、轉(zhuǎn)體法施工，轉(zhuǎn)體重量約14 510 t。轉(zhuǎn)體橋與鐵路位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)體橋與鐵路相對(duì)位置關(guān)系圖(橋梁結(jié)構(gòu)尺寸單位：cm，其余尺寸單位：m)

2 轉(zhuǎn)體設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)范圍起點(diǎn)里程為K61+383，終點(diǎn)里程為K61+873，均位于R=5 700 m圓曲線(xiàn)上?？v斷面控制因素為既有京九鐵路，最高點(diǎn)設(shè)于鐵路兩股道附近，變坡點(diǎn)里程為K61+680，變坡點(diǎn)高程為26.9 m。小里程側(cè)縱坡采用2.0%，大里程側(cè)縱坡采用-2.0%，豎曲線(xiàn)半徑為20 000 m。標(biāo)準(zhǔn)橫斷面：0.5 m(防撞護(hù)欄)+15.63 m(凈寬)+0.382 m(防撞護(hù)欄)+0.476 m(隔離帶)+0.382 m(防撞護(hù)欄)+15.63 m(凈寬)+0.5 m(防撞護(hù)欄)，橋面總寬度為33.5 m。

2.2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 主橋上部結(jié)構(gòu)

跨越京九鐵路的主橋采用2×65 m T構(gòu)，主橋上跨截面形式為單箱三室斜腹板箱型，中支點(diǎn)梁高6.5 m，端部梁高3.3 m，長(zhǎng)4.95 m；箱梁頂板總寬為33.5 m，厚28 cm；懸臂板各長(zhǎng)4.0 m，端部厚20 cm，根部厚70 cm。箱梁頂板中墩頂和邊支點(diǎn)位置處厚度增加至55 cm，底板厚70 cm，邊板及中腹板厚均為60 cm。中支點(diǎn)對(duì)應(yīng)的墩身頂橫隔板厚360 cm，邊支點(diǎn)的橫梁厚150 cm。主橋預(yù)應(yīng)力體系采用Ⅱ級(jí)低松弛高強(qiáng)鋼絞線(xiàn)。箱梁斷面如圖2所示。

圖2 箱梁斷面圖(cm)

2.2.2 下部結(jié)構(gòu)

T構(gòu)中墩采用尺寸為3.6×(8.0～12.0) m矩形截面墩梁固結(jié)。轉(zhuǎn)動(dòng)體系采用環(huán)道與中心支承相結(jié)合的結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，樁徑為1.5 m，共25根。

邊墩為柱式墩，蓋梁采用鋼筋混凝土蓋梁，寬2.5 m，高1.8 m，橫向布置3個(gè)墩柱，直徑為1.8 m。下接實(shí)體式承臺(tái)，厚2.5 m?；A(chǔ)由8根鉆孔灌注樁組成，樁徑為1.25 m。

2.2.3 轉(zhuǎn)鉸設(shè)計(jì)

主要由上下轉(zhuǎn)盤(pán)、轉(zhuǎn)體支座和牽引系統(tǒng)組成轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)。

(1)轉(zhuǎn)體下盤(pán)

轉(zhuǎn)體過(guò)程中下盤(pán)需要承擔(dān)所有轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的全部重量，待完成轉(zhuǎn)體后，上下轉(zhuǎn)盤(pán)才共同承擔(dān)上部所受全部荷載。由于前期所有荷載較大，因此下轉(zhuǎn)盤(pán)需要采用高標(biāo)號(hào)C50混凝土進(jìn)行設(shè)計(jì)，其上設(shè)置轉(zhuǎn)體支座、反力座、環(huán)形滑道等。轉(zhuǎn)體下盤(pán)如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)體下盤(pán)示意圖(cm)

(2)轉(zhuǎn)體支座

轉(zhuǎn)體支座采用轉(zhuǎn)體球型支座，承載能力≥160 MN，組合高度為330 mm，分上下兩片。轉(zhuǎn)體支座是轉(zhuǎn)動(dòng)體系的關(guān)鍵部位，尤其是轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸，要求制作精度和安裝精度非常高。轉(zhuǎn)體支座示意圖如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)體支座示意圖

(3)轉(zhuǎn)體上盤(pán)撐腳與滑道

轉(zhuǎn)體的上盤(pán)撐腳被稱(chēng)為保險(xiǎn)腿，這是由于轉(zhuǎn)體時(shí)上盤(pán)撐腳是主要支撐結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)體時(shí)，對(duì)稱(chēng)的2個(gè)保險(xiǎn)腿中心線(xiàn)重合，使得8個(gè)保險(xiǎn)腿在縱軸線(xiàn)的兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布。保險(xiǎn)腿可在撐腳下方的滑道內(nèi)滑動(dòng)，滑道寬1.2 m，徑寬7.3 m，用于保證轉(zhuǎn)體平穩(wěn)，同時(shí)滑道面應(yīng)保持同一高度，誤差不超過(guò)2 mm。

上轉(zhuǎn)盤(pán)下設(shè)有8對(duì)置于24 mm厚鋼板上的雙圓柱形撐腳，圓柱為1對(duì)，直徑800 mm，厚16 mm，內(nèi)有澆筑C50微膨脹混凝土的鋼管。在上轉(zhuǎn)盤(pán)安裝時(shí)，考慮到轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)與滑道的間隙問(wèn)題，撐腳下需支墊20 mm厚鋼板，轉(zhuǎn)體時(shí)再及時(shí)抽掉墊板，如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)體上盤(pán)撐腳與滑道示意圖(cm)

(4)轉(zhuǎn)體上盤(pán)

轉(zhuǎn)體上盤(pán)在轉(zhuǎn)體時(shí)受力狀態(tài)復(fù)雜，是轉(zhuǎn)體體系的重要組成部分。上盤(pán)長(zhǎng)寬均為9.5 m，高3.0 m。轉(zhuǎn)臺(tái)直徑略小于上盤(pán)的圓形結(jié)構(gòu)，直徑8.5 m，高0.7 m。轉(zhuǎn)臺(tái)是施加轉(zhuǎn)體牽引力的直接結(jié)構(gòu)，通過(guò)支座、撐腳將力傳遞給上盤(pán)。其工作原理是通過(guò)在轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)預(yù)埋錨固P型錨具的牽引索，錨固端與圓心對(duì)稱(chēng)在同一直線(xiàn)上，并與預(yù)埋高度和牽引方向相一致。埋置于轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)的牽引索長(zhǎng)度應(yīng)≥5 m，出口點(diǎn)與轉(zhuǎn)盤(pán)中心對(duì)稱(chēng)。外露的牽引索需做好防護(hù)措施，纏繞在轉(zhuǎn)盤(pán)上。當(dāng)條件達(dá)到允許時(shí)，進(jìn)行轉(zhuǎn)體體系轉(zhuǎn)換，施加轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖6所示。

圖6 上轉(zhuǎn)盤(pán)示意圖

2.3 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能計(jì)算

2.3.1 牽引力、安全系數(shù)計(jì)算

本橋轉(zhuǎn)體總重量W為145 095 kN，其摩擦力計(jì)算為F=W×μ。按照規(guī)范，轉(zhuǎn)體啟動(dòng)時(shí)靜摩擦系數(shù)取值為0.05，轉(zhuǎn)動(dòng)中動(dòng)摩擦系數(shù)取值為0.03，則計(jì)算可得靜、動(dòng)摩擦力F分別為7 251 kN、4 353 kN。

則轉(zhuǎn)體拽拉力計(jì)算見(jiàn)式(1)：

T=2/3×(R·W·μ)/D

(1)

式中：R——球鉸平面半徑，取值為1.75 m；

W——轉(zhuǎn)體總重量，取值為145 095 kN；

D——轉(zhuǎn)臺(tái)直徑，取值為8.5 m；

μ——球鉸摩擦系數(shù)，靜、動(dòng)摩擦系數(shù)取值分別為0.05、0.03。

根據(jù)以上計(jì)算可得，啟動(dòng)時(shí)及轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中所需的牽引力分別為995.8 kN、597.5 kN。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際施工中測(cè)出的摩擦系數(shù)小于設(shè)計(jì)值。因此轉(zhuǎn)體選用2套ZLD200型牽引系統(tǒng)，最大牽引力為4 000 kN，使得轉(zhuǎn)動(dòng)體系轉(zhuǎn)動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)安全系數(shù)為4.01，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)安全系數(shù)為6.69，滿(mǎn)足轉(zhuǎn)體要求。

2.3.2 轉(zhuǎn)體時(shí)間計(jì)算

根據(jù)轉(zhuǎn)體角度74°及上轉(zhuǎn)盤(pán)直徑8.5 m。轉(zhuǎn)動(dòng)上轉(zhuǎn)盤(pán)74°對(duì)應(yīng)弧長(zhǎng)=π×D×74°÷360°=3.141 59×8.5×74°÷360°=5.489 m。計(jì)算出鋼絞線(xiàn)牽引長(zhǎng)度L=5.489 m+受力伸長(zhǎng)值L1。L1對(duì)轉(zhuǎn)體時(shí)間的影響可忽略不計(jì)。

正式轉(zhuǎn)體時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為0.02 rad/min，則轉(zhuǎn)體時(shí)間T=(74÷180×π)/0.02≈65 min。根據(jù)試轉(zhuǎn)體成果，考慮精調(diào)時(shí)間，轉(zhuǎn)體到位后臨時(shí)鎖定撐腳轉(zhuǎn)盤(pán)，調(diào)整位置及標(biāo)高、剛性支撐鎖定，共計(jì)用時(shí)90 min。則完成74°轉(zhuǎn)體所需時(shí)間t≈90 min。

2.3.3 鋼絞線(xiàn)安全系數(shù)計(jì)算

1 860 MPa級(jí)φ15.2 mm鋼絞線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)破斷力為260 kN。鋼絞線(xiàn)的極限承載為：17×260=4 420 kN。轉(zhuǎn)體時(shí)兩束鋼絞線(xiàn)同時(shí)受力。啟動(dòng)時(shí)牽引索鋼絞線(xiàn)的安全系數(shù)K3=4 420×2/995.8=8.88；轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中牽引索鋼絞線(xiàn)的安全系數(shù)K4=4 420×2/597.5=14.8，滿(mǎn)足要求。

3 轉(zhuǎn)體施工與監(jiān)控量測(cè)

3.1 轉(zhuǎn)體施工

3.1.1 梁體轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程分析

對(duì)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行試轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)以0.02 rad/min速度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，共轉(zhuǎn)動(dòng)73.5°，時(shí)長(zhǎng)為64 min，預(yù)留3°～5°采用點(diǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)體，以保證梁體轉(zhuǎn)位準(zhǔn)確。結(jié)構(gòu)重心：轉(zhuǎn)體施工前調(diào)整結(jié)構(gòu)偏心誤差≤0.10 m；平轉(zhuǎn)角度：約74°(以施工時(shí)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)為準(zhǔn))；平轉(zhuǎn)速度：角速度ω≤0.02 rad/min；梁端部水平線(xiàn)速度υ≤1.2 m/min。

3.1.2 箱梁位置的控制

橋面兩端頭中心軸線(xiàn)合龍前2 m內(nèi)時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)人員需每隔10 cm給控制臺(tái)報(bào)告一次監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；當(dāng)橋面兩端頭中心線(xiàn)合龍前30 cm內(nèi)，則每1 cm報(bào)告一次數(shù)據(jù)給控制臺(tái)；當(dāng)?shù)竭_(dá)合龍前5 cm內(nèi)時(shí)，則要求每1 mm報(bào)告一次，以保證控制臺(tái)精準(zhǔn)掌握轉(zhuǎn)體情況，達(dá)到轉(zhuǎn)體要求。

3.1.3 定位

轉(zhuǎn)動(dòng)最后階段，利用千斤頂調(diào)整梁體姿態(tài)，使得梁體中心線(xiàn)與設(shè)計(jì)位置重合，梁體精準(zhǔn)就位，就位后利用鐵楔將撐腳與滑道鋼板楔緊固定，以保持梁體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

3.1.4 封固上下轉(zhuǎn)盤(pán)

平面位置和標(biāo)高符合規(guī)范要求后，進(jìn)行轉(zhuǎn)體定位，為防止產(chǎn)生位移需要在撐腳量測(cè)下轉(zhuǎn)盤(pán)上焊接型鋼反力架，同時(shí)采用鋼楔塊進(jìn)行臨時(shí)鎖定。然后將底盤(pán)清洗干凈，焊接預(yù)留鋼筋，澆筑C50微膨脹混凝土，上下盤(pán)連接成整體。

3.1.5 合龍段施工

兩個(gè)邊墩合龍段采用支架現(xiàn)澆法施工。合龍段長(zhǎng)度為5 m。

3.2 監(jiān)控量測(cè)

鑒于本橋的復(fù)雜性及特殊性，對(duì)轉(zhuǎn)體施工進(jìn)行典型振動(dòng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

(a)墩頂順橋向振動(dòng)時(shí)程

由圖7可知，在轉(zhuǎn)體過(guò)程中梁體振動(dòng)明顯加大，梁端最大豎向振動(dòng)加速度為21.5 mm/s2，最大橫向振動(dòng)加速度為10.5 mm/s2，最大順橋向振動(dòng)加速度為5.4 mm/s2。在試轉(zhuǎn)過(guò)程中梁端豎向振幅<經(jīng)驗(yàn)預(yù)警值50 mm/s2。

4 結(jié)語(yǔ)

津石高速公路上跨京九鐵路立交橋工程，主橋跨度布置為2×65 m連續(xù)T構(gòu)，采用大節(jié)段現(xiàn)澆、轉(zhuǎn)體法施工，轉(zhuǎn)體重量為14 500 t。本文通過(guò)對(duì)該轉(zhuǎn)體主橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定了轉(zhuǎn)體施工方法，同時(shí)在施工過(guò)程中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，結(jié)果表明轉(zhuǎn)體施工各項(xiàng)指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，施工安全。