張文進(jìn)，曹 文

（1.中國(guó)華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510062；2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731）

0 引言

根據(jù)鐵路管理部門(mén)要求，上跨鐵路橋梁應(yīng)充分考慮施工對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的影響，一般有3 種可行的建設(shè)方案：

（1）架橋機(jī)施工，搭設(shè)防護(hù)棚防護(hù)；

（2）掛籃懸臂施工，搭設(shè)防護(hù)棚防護(hù)；

（3）轉(zhuǎn)體法施工。

根據(jù)《中國(guó)鐵路總公司運(yùn)輸局關(guān)于穿（跨）越高速鐵路營(yíng)業(yè)線和臨近工程等方案審查有關(guān)問(wèn)題的通知》（運(yùn)工橋隧函[2013]316 號(hào)）及《國(guó)鐵集團(tuán)工電部關(guān)于加強(qiáng)穿（跨）越鐵路營(yíng)業(yè)線和鄰近營(yíng)業(yè)線工程方案等審查和施工安全管理的通知》（工電橋房函[2020]48 號(hào)），上述3 個(gè)可行方案中，應(yīng)優(yōu)先選用轉(zhuǎn)體施工方案，當(dāng)受場(chǎng)地條件限制，無(wú)法采用轉(zhuǎn)體施工方案時(shí)，需經(jīng)專家論證。因此，越來(lái)越多的上跨鐵路橋梁采用轉(zhuǎn)體法施工，相關(guān)行業(yè)從業(yè)人員亟需學(xué)習(xí)該工法的設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)。

本文以深圳市外環(huán)高速公路上跨廣深鐵路橋轉(zhuǎn)體橋梁為依托，總結(jié)該轉(zhuǎn)體橋梁設(shè)計(jì)及施工的關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

深圳市外環(huán)高速公路位于深圳市北部，西起沿江高速，東至鹽壩高速，全長(zhǎng)93.2 km，由深圳段75.8 km，東莞段17.4 km 組成，雙向6 車(chē)道。沿線與沿江、廣深、南光、龍大、梅觀、清平、博深、深惠、深汕、東部沿海等10 條高速，以及南坪三期相接，往西通過(guò)虎門(mén)大橋與佛山、中山、番禺等市相連；路線穿過(guò)東莞鳳崗，向北通過(guò)莞深、龍大、博深等縱向高速與東莞相連；往東通過(guò)深汕、深惠高速與惠州、汕尾等市相連。

該項(xiàng)目在K40+893.3 處與現(xiàn)狀廣深鐵路交叉，道路中心與鐵路斜交72.3°，交叉點(diǎn)廣深鐵路里程為K119+273，位于樟木頭站至平湖站區(qū)間。

廣深鐵路共有4 股道，Ⅰ、Ⅱ線通行廣深城際動(dòng)車(chē)組，運(yùn)營(yíng)速度200 km/h，按高速鐵路管理；Ⅲ、Ⅳ線通行貨運(yùn)鐵路，運(yùn)營(yíng)速度140 km/h，按普速鐵路管理。上跨處位于直線段，鐵路為路堤段，路堤寬度約23 m，東側(cè)為農(nóng)田，西側(cè)為塘天南路。

為減小橋梁施工對(duì)鐵路的影響，經(jīng)過(guò)多輪方案比選，擬建上跨橋梁采用2×82.5 m 預(yù)應(yīng)力混凝土T 形剛構(gòu)體系，平面轉(zhuǎn)體法施工，橋面整幅布置，主墩設(shè)在廣深鐵路東側(cè)，一跨跨越廣鐵鐵路和塘天南路。橋下最小凈高為9.72 m，公路橋墩外邊緣距離外側(cè)鐵路中心最小距離為19.90 m，梁體預(yù)制時(shí)梁體結(jié)構(gòu)距離外側(cè)鐵路中心最小距離為10.11 m。主橋橋型布置如圖1 所示。

圖1 橋型布置圖（單位：m）

該轉(zhuǎn)體橋梁于2020 年9 月18 日完成轉(zhuǎn)體施工，深圳市外環(huán)高速公路于2020 年12 月28 日全線通車(chē)。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級(jí)：高速公路。

（2）設(shè)計(jì)行車(chē)速度：100 km/h。

（3）汽車(chē)荷載等級(jí)：1.3×公路-I 級(jí)。

（4）地震動(dòng)峰值加速度0.05g，抗震設(shè)防基本烈度為6 度，按Ⅶ度設(shè)防。

（5）橋面寬度：33 m = 0.5 m（SS 級(jí)防撞墻）+15.25 m（行車(chē)道）+0.5 m（內(nèi)防撞墻）+0.5 m（中分帶）+0.5 m（內(nèi)防撞墻）+15.25 m（行車(chē)道）+0.5 m（SS 級(jí)防撞墻）。

2.2 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

（1）轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)：T 構(gòu)，跨徑2×82.5 m，轉(zhuǎn)體懸臂長(zhǎng)度2×73.5 m，橋?qū)?3m，轉(zhuǎn)體重量240 000 kN。

（2）球鉸承載力：設(shè)計(jì)承載力252 000 kN。

（3）球鉸尺寸：平面半徑2.25 m，球面半徑16.95 m。

（4）轉(zhuǎn)體角度：順時(shí)針?biāo)睫D(zhuǎn)體72.342°。

（5）轉(zhuǎn)體速度：角速度0.02 rad/min，最大懸臂端線速度1.49 m/min，理論轉(zhuǎn)體作業(yè)時(shí)間為63.1 min。

（6）牽引參數(shù)：牽引半徑6.25 m，靜摩擦系數(shù)取0.1，單側(cè)啟動(dòng)牽引力3 024 kN。

（7）結(jié)構(gòu)偏心：轉(zhuǎn)體施工前調(diào)整后結(jié)構(gòu)偏心值不大于0.05 m。

（8）風(fēng)荷載：基本風(fēng)速為13.8 m/s（相當(dāng)于6 級(jí)風(fēng)），基本風(fēng)壓取0.13 kN/m2。

3 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上部結(jié)構(gòu)為（82.5+82.5）m 變高度T 形剛構(gòu)箱梁橋，采用C55 混凝土，三向預(yù)應(yīng)力體系，縱向按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件計(jì)算。主橋箱梁采用直腹板單箱四室結(jié)構(gòu)，中支點(diǎn)梁高9 m，高跨比為1/9.167；邊支點(diǎn)梁高3.0 m，高跨比為1/27.5。箱梁頂板寬33 m，底板寬25 m，翼緣板懸臂長(zhǎng)為4 m。箱梁高度從距墩中心3.5 m 處到合龍?zhí)幇? 次拋物線變化，箱梁在主墩墩頂0 號(hào)塊梁段、邊直段分別設(shè)置了2 道厚2 m 和1 道厚1.9 m的橫隔板。頂板厚28 cm，底板厚度30~100 cm，腹板厚度50~80 cm。主梁共利用8 106.3 m3C55 混凝土，522 t 鋼絞線，1 730 t 普通鋼筋。

主橋連續(xù)箱梁（轉(zhuǎn)體段）采用支架現(xiàn)澆法施工。轉(zhuǎn)體梁段分段長(zhǎng)度為21 m（0 號(hào)塊）、18 m（1 號(hào)塊）、24 m（2 號(hào)塊）、21 m（3 號(hào)塊），邊跨現(xiàn)澆長(zhǎng)6.44 m，合龍段長(zhǎng)2.5 m。主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖（單位：cm）

主墩采用矩形空心墩，墩身橫橋向頂部寬度為25 m，墩底寬度為16 m，順橋向總寬7 m。主墩頂部與梁體固結(jié)，底部與轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的上承臺(tái)固結(jié)。上承臺(tái)高3 m，平面尺寸為14 m×17 m。上承臺(tái)下為上轉(zhuǎn)盤(pán)，上轉(zhuǎn)盤(pán)高1 m，直徑12.5 m。

主墩承臺(tái)厚度為5.0 m，承臺(tái)平面尺寸為20 m×22 m?；A(chǔ)采用5×5 根鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)，樁基直徑為2 m，樁間距4.7 m。

反力座設(shè)置在主墩承臺(tái)，并與主墩承臺(tái)一起澆筑。

4 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該工程轉(zhuǎn)體重量較大，采用鋼制球鉸作為轉(zhuǎn)體施工的轉(zhuǎn)心和承重體系，按中心支撐體系設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)體系統(tǒng)總圖如圖3 所示。

圖3 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)總圖（單位：cm）

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)由上下承臺(tái)、上下轉(zhuǎn)盤(pán)、上下球鉸、撐腳、滑道、定位骨架、牽引系統(tǒng)等組成，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)以球鉸支承為主，撐腳起抗傾覆作用。轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)承載力252 000 kN，采用雙側(cè)同步液壓連續(xù)千斤頂作為牽引動(dòng)力施加轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

該橋轉(zhuǎn)體噸位較大，球鉸結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)中采用專利技術(shù)《一種轉(zhuǎn)體球鉸》（ZL 201420224156.3）[1]。

球鉸包括上球鉸、下球鉸、定位銷(xiāo)軸、型鋼定位骨架、耐磨聚四氟乙烯滑板等構(gòu)件，為轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，同時(shí)承受并傳遞轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)全部重量。

上球鉸位于上轉(zhuǎn)盤(pán)底部，為凸面，下球鉸位于下轉(zhuǎn)盤(pán)上，為凹面。球鉸平面半徑2.25 m，球面半徑16.95 m。為防止球鉸在加工、運(yùn)輸過(guò)程中變形，同時(shí)加強(qiáng)與上、下盤(pán)之間的混凝土連接，球鉸背面設(shè)置環(huán)形及放射形加勁肋。球鉸中心設(shè)置φ300 mm 鋼制定位銷(xiāo)軸，定位軸套穿透于上下球鉸。球面板采用40 mm 厚Q345B 鋼板，加強(qiáng)肋板采用Q235B 鋼板，銷(xiāo)軸采用45# 鍛鋼。

上下球鉸之間設(shè)耐磨聚四氟乙烯滑板，容許壓應(yīng)力不小于100 MPa，黏結(jié)在下球鉸的凹球面上，板上設(shè)儲(chǔ)脂坑，坑內(nèi)充滿潤(rùn)滑硅脂?，F(xiàn)場(chǎng)安裝如圖4 所示。

圖4 下球鉸滑板安裝

撐腳共8 個(gè)，中心位于R=5.25m 的圓環(huán)上，采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，鋼管采用Q345B 鋼材，厚度16 mm，外徑100 cm，內(nèi)填C50 微膨脹混凝土。鋼管下設(shè)3 cm厚走板，走板底面加工精度為3 級(jí)。

滑道環(huán)形鋼板厚2.4 cm，通過(guò)螺栓與骨架連接，安裝就位后通過(guò)螺栓精確調(diào)整環(huán)形滑板高度，保證撐腳走板與滑道間的縫隙為15 mm。

上轉(zhuǎn)盤(pán)直徑6.25 m，采用C50 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，施工前首先安裝臨時(shí)支撐。臨時(shí)支撐含砂箱及混凝土臨時(shí)支墩，砂箱均勻布置于滑道上方的撐腳之間，共8 個(gè)；混凝土臨時(shí)支墩設(shè)置于上轉(zhuǎn)盤(pán)四周，共4個(gè)。轉(zhuǎn)體施工前拆除砂箱和混凝土臨時(shí)支墩。

牽引系統(tǒng)由牽引索、牽引反力座及牽引動(dòng)力設(shè)備三部分組成。 該橋單側(cè)啟動(dòng)牽引力設(shè)計(jì)值為T(mén)1=3 024 kN，牽引索采用4 束13Φs15.24 的鋼絞線，抗拉強(qiáng)度1 860 MPa，以P 錨形式預(yù)埋在上轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)。牽引反力座采用C50 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)于下轉(zhuǎn)盤(pán)承臺(tái)上，共2 個(gè)，尺寸為2.5 m×1.5 m×1.6 m（1.4 m）。牽引動(dòng)力設(shè)備采用連續(xù)張拉千斤頂，為保證兩臺(tái)千斤頂同步工作，要求千斤頂油泵并聯(lián)，并同時(shí)具備自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種功能。

5 轉(zhuǎn)體施工

應(yīng)盡量選擇無(wú)風(fēng)或微風(fēng)天氣轉(zhuǎn)體施工，風(fēng)力高于5 級(jí)時(shí)不得轉(zhuǎn)體。

轉(zhuǎn)體前應(yīng)進(jìn)行稱重試驗(yàn)，測(cè)定結(jié)構(gòu)平衡情況，如不滿足平衡要求須配重。轉(zhuǎn)體施工前應(yīng)進(jìn)行試轉(zhuǎn)體，檢查平轉(zhuǎn)牽引系統(tǒng)的性能、整體平衡狀況、測(cè)試摩擦系數(shù)、最大啟動(dòng)力，為正式平轉(zhuǎn)做準(zhǔn)備，并應(yīng)記錄點(diǎn)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果[2]。

5.1 現(xiàn)場(chǎng)稱重試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)稱重采用規(guī)范[2]建議的球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)法測(cè)定。解除上下承臺(tái)的臨時(shí)固結(jié)后，支墩及撐腳和滑道鋼板有接觸，說(shuō)明球鉸摩阻力矩小于不平衡力矩，千斤頂布置在較重一側(cè)，如圖5 所示。

圖5 平衡稱重試驗(yàn)千斤頂及位移計(jì)布置圖（單位：mm）

測(cè)試得知：千斤頂同步均勻加載，當(dāng)總荷載P 升逐級(jí)加載到26 040 kN 時(shí)，球鉸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)；千斤頂逐漸回落過(guò)程中，當(dāng)總荷載P落逐級(jí)減載到6 500 kN時(shí)，球鉸發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)。由此分析得出不平衡力矩：

式中：MG為不平衡力矩，kN·m；P 升為梁體頂升時(shí)的千斤頂反力，kN；P 落為梁體回落時(shí)的千斤頂反力，kN；L 為千斤頂與球鉸的中心距，m。

轉(zhuǎn)動(dòng)體摩阻力矩：

式中：MZ為轉(zhuǎn)動(dòng)體的摩阻力矩，kN·m。

轉(zhuǎn)動(dòng)體偏心距:

式中：N 為轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)承載力，kN。

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果可知，轉(zhuǎn)動(dòng)體偏心距為38.5 cm＞5 cm，因此需要在較輕側(cè)配重。經(jīng)計(jì)算在距離梁端2 m 處，沿腹板位置均勻布置50 塊混凝土立方體，每塊重2.6 t，配置總重量1 293 kN，調(diào)整后計(jì)算偏心距約為0 cm，可滿足平衡轉(zhuǎn)體要求。

5.2 試轉(zhuǎn)試驗(yàn)

試轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)體系的啟動(dòng)牽引力和轉(zhuǎn)動(dòng)牽引力，然后計(jì)算靜、動(dòng)摩擦系數(shù)，通過(guò)三次牽引力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 牽引力測(cè)試記錄表

通過(guò)三次測(cè)試結(jié)果，轉(zhuǎn)動(dòng)體系的平均啟動(dòng)牽引力為2 356 kN，平均轉(zhuǎn)動(dòng)牽引力為907 kN。

由轉(zhuǎn)體牽引力計(jì)算公式[3]：

式中：T 為轉(zhuǎn)體牽引力，kN；f 為摩擦系數(shù)；R 為球鉸平面半徑，m，R=2.25 m；D 為上轉(zhuǎn)盤(pán)直徑，m，D=12.5 m；G 為轉(zhuǎn)體重量，kN，G=240 000 kN。

可得：?jiǎn)?dòng)時(shí)靜摩擦系數(shù)為f 靜=0.082，動(dòng)摩擦系數(shù)為f動(dòng)=0.031。設(shè)計(jì)時(shí)靜摩擦系數(shù)選用0.1，動(dòng)摩擦系數(shù)選用0.06 符合實(shí)際情況，參數(shù)選用合理。

5.3 行程點(diǎn)動(dòng)試驗(yàn)

行程點(diǎn)動(dòng)試驗(yàn)用于測(cè)定牽引鋼絞線與梁端行程之間的相互關(guān)系，為轉(zhuǎn)體最后階段的精確就位提供依據(jù)。該項(xiàng)目進(jìn)行1 mm、3 mm、5 mm、10 mm、20 mm行程點(diǎn)動(dòng)試驗(yàn)，相應(yīng)懸臂端行程為0.012 m、0.035 m、0.059 m、0.118 m、0.235 m。

5.4 轉(zhuǎn)體精確定位控制

（1）轉(zhuǎn)體動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)具有自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種功能，當(dāng)主梁端部即將到達(dá)設(shè)計(jì)位置前100 cm時(shí)，采用點(diǎn)動(dòng)操作，并與測(cè)量人員密切配合，獲取點(diǎn)動(dòng)操作時(shí)最大弧長(zhǎng)轉(zhuǎn)體數(shù)據(jù)。

（2）點(diǎn)動(dòng)操作、精確定位前，先對(duì)上部轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平校正。

（3）設(shè)置轉(zhuǎn)體限位裝置，以防超轉(zhuǎn)。

（4）在梁端設(shè)置水平微調(diào)裝置，在上轉(zhuǎn)盤(pán)下方設(shè)置豎向千斤頂調(diào)整縱橫向標(biāo)高。

該工程轉(zhuǎn)體過(guò)程中撐腳未著地，豎向轉(zhuǎn)動(dòng)得到有效控制，轉(zhuǎn)體完成后水平偏差約1 cm，豎向偏差約0.5 cm。轉(zhuǎn)體完成后照片如圖6 所示。

圖6 轉(zhuǎn)體完成后照片

6 結(jié)語(yǔ)

該橋是深圳市外環(huán)高速公路的控制性工程，橋面寬度及轉(zhuǎn)體重量均刷新了中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)管轄范圍內(nèi)記錄，施工難度大，通過(guò)該工程的建設(shè)，得到如下經(jīng)驗(yàn)：

（1）因路線縱坡、施工誤差等因素影響，對(duì)稱施工同樣會(huì)產(chǎn)生較大偏心距。正式轉(zhuǎn)體前必須重視稱重試驗(yàn)及平衡配重工序；

（2）該項(xiàng)目在較輕側(cè)懸臂梁體端部附近配置重量1 293 kN 的混凝土塊，結(jié)構(gòu)達(dá)到平衡狀態(tài)，滿足平衡轉(zhuǎn)體要求；

（3）通過(guò)試轉(zhuǎn)試驗(yàn)，測(cè)得靜摩擦系數(shù)為0.082，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.031，說(shuō)明設(shè)計(jì)時(shí)靜摩擦系數(shù)選用0.1，動(dòng)摩擦系數(shù)選用0.06 較為合理；

（4）轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中，撐腳全程未接觸滑道，與中心支撐的設(shè)計(jì)理念相符，說(shuō)明中心支撐體系同樣適用于寬橋面、大重量轉(zhuǎn)體橋設(shè)計(jì)。