楊水秀

（中國(guó)華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司,廣東 廣州 510030）

0 引言

根據(jù)《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)）[1]，公路、城市軌道交通和道路上跨高速鐵路及其相關(guān)聯(lián)絡(luò)線和動(dòng)車走行線的路基、橋涵地段，以及上跨開行客車的普速鐵路的路基、橋涵地段橋梁施工應(yīng)優(yōu)先采用轉(zhuǎn)體施工方案。

隨著我國(guó)鐵路、公路交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，地方上跨鐵路采用轉(zhuǎn)體法施工的橋梁也越來越多，轉(zhuǎn)體施工技術(shù)可減少橋梁建設(shè)對(duì)鐵路營(yíng)運(yùn)的干擾，并有效降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

該文以茂名市北組團(tuán)主干路網(wǎng)新建工程?hào)|環(huán)大道上跨深湛鐵路T形剛構(gòu)轉(zhuǎn)體橋梁為工程背景，較全面地總結(jié)了該橋轉(zhuǎn)體系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，供類似工程參考。

1 工程概況

茂名市北組團(tuán)主干路網(wǎng)新建工程?hào)|環(huán)大道位于茂名市境內(nèi)，路線全長(zhǎng)7.6 km，為雙向八車道一級(jí)公路，設(shè)計(jì)行車速度80 km/h，路基標(biāo)準(zhǔn)寬40 m。在K6+420處與3條鐵路相交，分別為廣茂疏解線（K354+781）、深湛鐵路（K390+694）、廣茂線（K354+790）。上跨鐵路左、右幅橋梁跨徑組合均為2×90 m，采用T形剛構(gòu)體系，單幅橋面寬20.75 m。雙幅同步平面轉(zhuǎn)體法施工，轉(zhuǎn)體重量為1.9萬t。橋型布置（左幅）如圖1所示。

圖1 橋型布置圖（左幅）（單位：m）

2 轉(zhuǎn)體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

（1）轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)：T形剛構(gòu)，跨徑組合2×90 m，轉(zhuǎn)體最大懸臂長(zhǎng)度組合2×82 m，單幅橋?qū)?0.75 m，轉(zhuǎn)體重量190 000 kN。

（2）球鉸承載力：設(shè)計(jì)承載力228 000 kN。

（3）球鉸尺寸：平面半徑2.25 m，球面半徑16.0 m。

（4）轉(zhuǎn)體角度：左、右幅橋均為順時(shí)針?biāo)睫D(zhuǎn)體，左福橋平轉(zhuǎn)角度為89.3°，右幅橋平轉(zhuǎn)角度為87.3°。

（5）轉(zhuǎn)體速度：最大角速度0.02 rad/min，最大懸臂端線速度1.64 m/min，理論轉(zhuǎn)體作業(yè)時(shí)間左幅橋?yàn)?7.9 min，右幅橋?yàn)?6.2 min。

（6）牽引參數(shù)：牽引半徑6.0 m，靜摩擦系數(shù)取0.1，球鉸單側(cè)啟動(dòng)牽引力2 850 kN，最大啟動(dòng)牽引力3 076 kN。

（7）結(jié)構(gòu)偏心：轉(zhuǎn)體前調(diào)整結(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)）。

3 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

平轉(zhuǎn)體系主要由轉(zhuǎn)動(dòng)支承系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動(dòng)牽引系統(tǒng)和平衡系統(tǒng)組成，其中轉(zhuǎn)動(dòng)支承系統(tǒng)是平轉(zhuǎn)法的核心。按轉(zhuǎn)動(dòng)支承時(shí)的平衡條件，轉(zhuǎn)動(dòng)支承可分為中心支承、撐腳支承及中心與撐腳共同支承3種。中心支承即由中心承壓面承受全部轉(zhuǎn)動(dòng)重量，該橋轉(zhuǎn)體系統(tǒng)按中心支承進(jìn)行設(shè)計(jì)，撐腳作為轉(zhuǎn)體時(shí)保持轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平穩(wěn)的保險(xiǎn)措施，起抗傾覆作用。

3.1 總體布置

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)由上承臺(tái)、下承臺(tái)、上轉(zhuǎn)盤、下轉(zhuǎn)盤、上球鉸、下球鉸、滑道、球鉸骨架、滑道骨架、撐腳、砂箱及牽引系統(tǒng)等組成。

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)平、立面圖如圖2、圖3所示。

圖2 2×90 m T形剛構(gòu)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)平面圖（單位：cm）

圖3 2×90 m T形剛構(gòu)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)立面圖（單位：cm）

根據(jù)混凝土球鉸與鋼制球鉸的性能對(duì)比及實(shí)際應(yīng)用情況，轉(zhuǎn)體重量大于100 000 kN時(shí)嚴(yán)禁使用混凝土球鉸，該橋轉(zhuǎn)體重量達(dá)190 000 kN，因此采用鋼制球鉸作為轉(zhuǎn)動(dòng)支撐體系的核心部件。

3.2 設(shè)計(jì)荷載

3.2.1 轉(zhuǎn)體重量

轉(zhuǎn)體重量包含以下結(jié)構(gòu)：梁體、防撞墻、墩身、上轉(zhuǎn)盤、上球鉸、撐腳，以及配重、臨時(shí)荷載、防拋網(wǎng)等其他荷載。該橋設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)體重量為190 000 kN。

考慮實(shí)際施工誤差及配重，轉(zhuǎn)體重量取調(diào)整系數(shù)1.2，轉(zhuǎn)體重量計(jì)算值為N=1.2G=228 000 kN。

3.2.2 梁體施工誤差不平衡彎矩

梁體考慮1.5%的施工誤差導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自重失衡，節(jié)段不平衡彎矩（kN·m）=節(jié)段重量（kN）×1.5%×節(jié)段中心至墩中心距離（m）。該橋轉(zhuǎn)體最大懸臂梁體共劃分23個(gè)節(jié)段（0#~22#），結(jié)構(gòu)不平衡彎矩合計(jì)32 860.91 kN·m。

3.2.3 風(fēng)荷載

我國(guó)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]（以下簡(jiǎn)稱《抗風(fēng)規(guī)》）針對(duì)主梁及橋墩分別采用以下公式計(jì)算風(fēng)荷載。

根據(jù)《抗風(fēng)規(guī)》5.3.1條規(guī)定，橫橋向風(fēng)作用下，主梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的順風(fēng)向等效靜陣風(fēng)荷載Fg按式（1）計(jì)算：

根據(jù)《抗風(fēng)規(guī)》5.4.1條規(guī)定，橋墩上的等效靜陣風(fēng)荷載按式（2）計(jì)算：

施工時(shí)要求不大于5級(jí)風(fēng)，按6級(jí)風(fēng)計(jì)算轉(zhuǎn)體抗傾覆穩(wěn)定，風(fēng)速為13.8 m/s。

（1）主梁風(fēng)荷載計(jì)算：橫橋向風(fēng)作用下主梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的橫向靜陣風(fēng)荷載為：

順橋向風(fēng)作用下主梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的橫向靜陣風(fēng)荷載為：

（2）橋墩風(fēng)荷載計(jì)算：

橋墩的橫橋向風(fēng)荷載為：

橋墩的順橋向風(fēng)荷載為：

（3）風(fēng)荷載組合：

1）橋梁橫橋向風(fēng)荷載為：

2）橋梁順橋向風(fēng)荷載為：

3.2.4 球鉸荷載組合

球鉸荷載組合如表1所示。

表1 球鉸荷載組合計(jì)算結(jié)果

3.3 球鉸驗(yàn)算

3.3.1 球鉸豎向承載力計(jì)算

工況1：球鉸中心支承時(shí)，球鉸承擔(dān)全部結(jié)構(gòu)豎向力，N=22 800 kN。

工況2：球鉸中心與撐腳共同支承時(shí)，球鉸和撐腳共同承擔(dān)結(jié)構(gòu)豎向力，N=228 000?（32 860.91+1 081.4）

/5=221 211.5 kN。

可見球鉸豎向承載力由工況1控制，球鉸的設(shè)計(jì)豎向承載力N=228 000 kN。

3.3.2 球鉸平面直徑設(shè)計(jì)

根據(jù)《橋梁水平轉(zhuǎn)體法施工技術(shù)規(guī)程》[3]，球鉸所受壓應(yīng)力應(yīng)滿足式（11）要求：

式中，σ—球鉸所受壓應(yīng)力；D—球鉸平面直徑；N—球鉸的設(shè)計(jì)豎向承載力；[σa]—球鉸下混凝土軸心抗壓強(qiáng)度值。

根據(jù)式（11）可知，球鉸平面直徑需滿足：取球鉸平面直徑D=4.5 m，算得σ=14.34 MPa，小于C50混凝土[σa]=22.4 MPa，故球鉸平面直徑滿足要求。

3.3.3 球鉸其他設(shè)計(jì)參數(shù)

結(jié)合已有轉(zhuǎn)體橋的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定球鉸的其他設(shè)計(jì)參數(shù)，如表2所示。

表2 球鉸設(shè)計(jì)參數(shù)

3.4 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

球鉸發(fā)生豎向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，撐腳與滑道接觸，此時(shí)為球鉸及滑道共同支撐狀態(tài)，撐腳中心線為抗傾覆轉(zhuǎn)動(dòng)中心，結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算如下：

（1）轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)抗傾覆荷載組合1：自重?？箖A覆穩(wěn)定系數(shù)為：

（2）轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)抗傾覆荷載組合2：自重+縱風(fēng)+梁體誤差?？箖A覆穩(wěn)定系數(shù)為：

3.5 球鉸受力驗(yàn)算

中心支承時(shí)，在偏心荷載作用下，球鉸為偏心受壓構(gòu)件，應(yīng)力按式（15）驗(yàn)算：σmax小于球鉸下C50混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值22.4 MPa，故承載力滿足要求。

3.6 撐腳受力驗(yàn)算

撐腳是轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的最后一道抗傾覆防線，因此必須保證撐腳的承載力滿足要求，并有相當(dāng)大的安全儲(chǔ)備。該橋采用鋼管混凝土撐腳。

最不利情況下考慮單個(gè)撐腳受力，按式（16）計(jì)算：

根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4]，鋼管混凝土柱承載力按式（17）計(jì)算：

撐腳直徑D3=0.7 m，鋼板厚度16 mm，鋼管內(nèi)混凝土為C50，F(xiàn)c=22.4 MPa，fa=215 MPa，θ=0.98，[θ]=1.0，φ1=2.0。

單個(gè)支撐腳鋼管混凝土設(shè)計(jì)承載力驗(yàn)算結(jié)果如式（18）所示：

綜上，撐腳承載能力滿足要求。

3.7 撐腳位置上承臺(tái)抗沖切驗(yàn)算

轉(zhuǎn)體時(shí)，考慮十年一遇風(fēng)荷載的不平衡彎矩，此時(shí)將撐腳看成上承臺(tái)的樁基共同受力，對(duì)上轉(zhuǎn)盤進(jìn)行類似于邊樁抗沖切驗(yàn)算。撐腳向上沖切示意圖如圖4所示。

圖4 撐腳向上沖切示意圖（單位：cm）

沖切力設(shè)計(jì)值為：

上轉(zhuǎn)盤抗沖切力為：

N＞F，故轉(zhuǎn)體施工過程中上轉(zhuǎn)盤的沖切承載力滿足要求。

3.8 牽引力及牽引索應(yīng)力計(jì)算

（1）中心支承時(shí)，結(jié)構(gòu)的牽引力矩為：

對(duì)國(guó)內(nèi)外轉(zhuǎn)體橋梁的大量測(cè)試結(jié)果表明，靜摩擦系數(shù)μ一般為0.07~0.08。牽引力計(jì)算時(shí)，取靜摩擦系數(shù)μ=0.1，則轉(zhuǎn)體啟動(dòng)所需的牽引力矩為：

上轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)直徑為12 m，兩側(cè)同時(shí)牽引時(shí)，單端牽引力為：

（2）當(dāng)球鉸與撐腳共同受力，偏心距取最大值時(shí)，撐腳阻力矩為：

球鉸阻力矩為：

兩側(cè)同時(shí)牽引時(shí)，則單端牽引力為：

（3）單側(cè)啟動(dòng)牽引力取二者的較大值3 076 kN。牽引索設(shè)計(jì)為2對(duì)（4束）13-φ15.2鋼絞線，鋼絞線抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa，轉(zhuǎn)體時(shí)牽引索拉應(yīng)力為：

綜上，轉(zhuǎn)體施工中牽引索拉應(yīng)力滿足要求。

3.9 定位銷軸抗剪驗(yàn)算

由定位軸銷的作用可知，對(duì)定位軸銷的驗(yàn)算主要是抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算。根據(jù)剛體慣性運(yùn)動(dòng)理論知識(shí)，以勻角速度繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的剛體，若做慣性運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)軸沒有反力。否則，若結(jié)構(gòu)“偏心”，盡管剛體以勻角速度繞固定軸旋轉(zhuǎn)，但由于它并非慣性云頂，轉(zhuǎn)軸處仍存在反力。[5]下面考慮結(jié)構(gòu)“偏心”、風(fēng)荷載及不平衡牽引力的影響，驗(yàn)算定位軸銷的抗剪強(qiáng)度。

（1）風(fēng)荷載。風(fēng)荷載嘗試的總水平剪力：

（2）不平衡牽引力。此處考慮反向水平牽引力的最不利影響：

（3）非慣性運(yùn)動(dòng)影響力。轉(zhuǎn)體重量計(jì)算值為22 800 t，偏心距取5 cm（偏保守考慮），轉(zhuǎn)體角速度為1.2 rad/s，根據(jù)離心力公式可得轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)非慣性運(yùn)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)軸的剪力：

綜合考慮以上三種因素，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)對(duì)水平轉(zhuǎn)軸的最大水平剪力：

定位銷軸采用45號(hào)鍛鋼，銷軸直徑30 cm，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為160 MPa，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為：

T＞F，故定位軸銷抗剪滿足要求。

3.10 牽引反力座檢算

一套轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)兩個(gè)牽引反力座，單個(gè)牽引反力座設(shè)計(jì)反力為3 076.1 kN。反力座的長(zhǎng)為2.5 m，寬為1.5 m，高為1.6 m，反力作用點(diǎn)高度取1.4 m。按間距10 cm布置直徑為32 mm（HRB400）鋼筋，共16排。

千斤頂反力座采用MidasCivil建立有限元元模型，如圖5所示。計(jì)算結(jié)果表明，鋼筋最大拉應(yīng)力30.15 MPa，小于HRB400鋼筋抗拉強(qiáng)度330 MPa，故反力座承載力滿足要求。

反力座最大位移為0.19 mm。

3.11 聚四氟乙烯板應(yīng)力驗(yàn)算

球鉸共布置3環(huán)10 mm厚聚四氟乙烯板，聚四氟乙烯板接觸面積A=11.26 m2，采用螺釘固定于下球鉸上。聚四氟乙烯板設(shè)計(jì)承載力≥100 MPa。

球鉸中心支承不考慮撐腳受力時(shí)，當(dāng)不平衡荷載作用于球鉸上，球鉸為偏心受壓構(gòu)件，此時(shí)為最不利受力狀態(tài)。

假設(shè)承壓面為小偏心受壓，聚四氟乙烯板最大應(yīng)力：

可見聚四氟乙烯板承載力滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)仍處于較快發(fā)展階段，轉(zhuǎn)體橋梁施工技術(shù)在實(shí)踐中不斷創(chuàng)新，得到了很大的發(fā)展，轉(zhuǎn)體橋梁也隨著施工技術(shù)的成熟朝著大跨徑及大轉(zhuǎn)體重量方向發(fā)展。但是我國(guó)對(duì)轉(zhuǎn)體技術(shù)的理論認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)落后于實(shí)踐，目前還未頒布完善的轉(zhuǎn)體設(shè)計(jì)規(guī)范以指導(dǎo)轉(zhuǎn)體橋梁設(shè)計(jì)，理論研究是轉(zhuǎn)體橋梁技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。

該橋轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全可靠，希望該文總結(jié)的球鉸主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法能為橋梁建設(shè)者提供參考。