李 燁

（中鐵西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054）

1 概述

1.1 工程概況

該工程上跨包西鐵路處，包西鐵路為雙線，線間距為6.03 m，為路基形式；上跨西延高鐵（在建）處，西延高鐵為32 m簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)，橋墩高度約12.0 m，摩擦樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)20 m，線間距為5.0 m，公路采用上跨包西鐵路、西延高鐵（在建）的形式［1］。

1.2 工程地質(zhì)條件

本工程地形、地貌及地層巖性條件：橋梁沿黃土溝壑布設(shè)，橫跨沖溝，屬于黃土溝壑工程區(qū)地貌。橋址段的地基土共包括6個(gè)工程地質(zhì)面，自上而下分別為硬塑粉質(zhì)黏土、軟塑（可塑）粉質(zhì)黏土、圓礫土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化泥巖。

2 橋型方案確定

由于大橋跨鐵路股道，所以在方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意減少施工對(duì)橋軌道整體運(yùn)行的干擾，盡可能實(shí)現(xiàn)無(wú)干擾、無(wú)障礙的速度設(shè)計(jì)。由于包西鐵路與西延高鐵二條鐵路線間隔較小，鐵道的設(shè)計(jì)紅線限制距離也小于90 m，而且該橋與軌道中心線的相交點(diǎn)包西鐵路、西延高鐵（在建）鐵路中心線交角很大（78.2°），因此如果選擇小跨徑橋型時(shí)，應(yīng)在軌道設(shè)計(jì)紅線的限制距離內(nèi)建造立墩，這使小跨徑橋的立墩界限達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。所以，應(yīng)當(dāng)選擇大跨橋梁的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)一孔跨一條鐵路股道的方式保證橋梁主墩柱基礎(chǔ)的落腳位置。最終對(duì)各因素進(jìn)行考量，選取跨徑布置為2×70 m。橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖（單位：cm）

大跨橋的主澆筑技術(shù)主要有懸臂澆筑法、頂推法和轉(zhuǎn)體法。如果使用懸臂澆筑技術(shù)進(jìn)行施工，則需要向鐵路主管部門對(duì)施工天窗點(diǎn)進(jìn)行咨詢，因此技術(shù)上比較復(fù)雜；如果通過(guò)頂推法進(jìn)行安裝，需要在鐵路股道中央設(shè)置臨時(shí)橋墩，但在鐵路股道中央并不能實(shí)現(xiàn)臨時(shí)橋墩的安裝。所以，出于對(duì)施工期間鐵路的安全運(yùn)營(yíng)及后期維修的考慮，選用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱型T型鋼構(gòu)梁，并選取轉(zhuǎn)體法進(jìn)行施工［2-5］。先在包西鐵路西側(cè)平行包西鐵路、西延高鐵（在建）方向掛籃懸澆，后轉(zhuǎn)體施工就位。該施工方法周期短、方法簡(jiǎn)單且對(duì)鐵路安全運(yùn)營(yíng)影響較小。

該橋位于半徑R=1 120 m的緩和曲線上，主橋橋式為2×70 m預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱型T構(gòu)，橋長(zhǎng)140 m，整幅設(shè)置，整幅寬33.6 m，基礎(chǔ)采用樁徑28根1.8 m的端承樁，從包西鐵路K579+071.2處和西延高鐵DK292+345.86處（西延高鐵簡(jiǎn)支箱梁段）上跨通過(guò)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 主梁設(shè)計(jì)

主橋上部構(gòu)件采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁，為單箱四室斜腹梁橫截面，箱梁采用吊籃懸澆和支架混凝土現(xiàn)澆法施工。梁部設(shè)置縱坡，與右線坡率一致（-0.783%）。橋梁位于左右設(shè)計(jì)線分叉和曲線地段，采用整體截面形式包絡(luò)車行道、防撞墻和檢測(cè)電網(wǎng)。考慮梁端橋墩徑向布置，梁頂平面為梯形，梁縱向中心線為梁端截面的中心連線，與左右設(shè)計(jì)線有一定偏離。箱梁長(zhǎng)度和樓板厚采用二次拋物線方式控制，中心支點(diǎn)橫隔板箱梁長(zhǎng)度和樓板厚采用二次拋物線方式控制，中心支點(diǎn)橫隔板厚度為1.5 m，兩邊支點(diǎn)橫隔板厚度為1.5 m，橋端到支承中心的間距為0.7 m，箱梁均為三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

使用Midas Civil程序，對(duì)外部預(yù)應(yīng)力混凝土變橫截面箱梁段進(jìn)行結(jié)構(gòu)估算，根據(jù)計(jì)算模型按照梁段分類、施工次序和工藝流程，對(duì)每個(gè)梁段均充分考慮了掛籃活動(dòng)安裝就位、混凝土水泥施工、外預(yù)應(yīng)力鋼束張拉施工等3個(gè)主要施工節(jié)點(diǎn)。計(jì)算荷載包括：自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力荷載（縱向預(yù)應(yīng)力荷載、豎向預(yù)應(yīng)力荷載、橫向預(yù)應(yīng)力荷載、掛籃自重、混凝土自重、支座沉降、溫度荷載、可變荷載），計(jì)算內(nèi)容包括以下三點(diǎn)。一是對(duì)主橋上部結(jié)構(gòu)作出了縱向計(jì)算，并分別作出了成橋狀況下恒載、內(nèi)部活載、外部預(yù)應(yīng)力、混凝土壓縮徐變、支座沉降、高溫變化等因素的估計(jì)。計(jì)算中根據(jù)承載能力的限制狀況與一般使用極限狀況下執(zhí)行最大作用效果配合，以最不利效應(yīng)組合控制設(shè)計(jì)。二是對(duì)箱梁及橫向橋面板按框架的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行截面選擇。三是主橋上部結(jié)構(gòu)施工階段計(jì)算，對(duì)全橋每個(gè)施工階段中的內(nèi)力、應(yīng)力、撓度進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)算。結(jié)果表明，在不同情況下的截面內(nèi)力、應(yīng)力比和抗拉強(qiáng)度都符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。主橋上部結(jié)構(gòu)施工嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)范要求執(zhí)行。

3.2 主墩設(shè)計(jì)

主橋墩3#墩為空心墩，單箱雙室橫向截面，承臺(tái)頂部均為箱梁膠結(jié)結(jié)構(gòu)，墩墻厚度為1.1 m，承臺(tái)頂部橫橋向墩頂寬19 m，墩底寬12 m，承臺(tái)頂部順橋向墩頂寬16.4 m，墩底寬8 m，轉(zhuǎn)體下橋墩墩底設(shè)置6.0 m實(shí)體段，墩高為54.5 m。由于在墩中設(shè)置轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，轉(zhuǎn)體上橋墩高5 m，采用實(shí)心，轉(zhuǎn)體下橋墩設(shè)置6.0 m厚實(shí)體段。最后，利用Midas Civil程序?qū)︻A(yù)應(yīng)力混凝土單箱雙室主墩進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，其中計(jì)算荷載除了梁部所考慮的全部荷載之外，還有溫度荷載、風(fēng)荷載和離心力。

設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)最大承載能力的極限狀態(tài)與對(duì)正常性能極限狀態(tài)的作用綜合考慮，用最大影響因素進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)主墩承載能力、主墩裂縫驗(yàn)算和主墩承臺(tái)、樁基、轉(zhuǎn)體過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明主墩均滿足各個(gè)相關(guān)規(guī)范的設(shè)計(jì)要求。對(duì)于轉(zhuǎn)體過(guò)程中主墩的計(jì)算，采用Midas FEA對(duì)轉(zhuǎn)體過(guò)程中主墩應(yīng)力進(jìn)行實(shí)體分析。

3.3 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)

該橋梁的轉(zhuǎn)換體制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由承載體系、旋轉(zhuǎn)牽引力體系和平衡體系構(gòu)成。其中，承載體系主要由下轉(zhuǎn)盤和上轉(zhuǎn)盤構(gòu)成，下轉(zhuǎn)盤安裝于下段橋墩上，以支承轉(zhuǎn)換體制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體載荷，上轉(zhuǎn)盤為轉(zhuǎn)體的主要支撐構(gòu)件，該橋梁的上轉(zhuǎn)盤和該橋梁連為整體，在上、下轉(zhuǎn)盤之間均設(shè)有雙球鉸裝置，利用上、下轉(zhuǎn)盤的相對(duì)旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)，使在整個(gè)轉(zhuǎn)換體制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中形成了一個(gè)多向、立體的整體承載網(wǎng)絡(luò)。旋轉(zhuǎn)牽引力體系主要由連續(xù)螺旋千斤頂、液壓泵車和主控臺(tái)等構(gòu)成，為整個(gè)轉(zhuǎn)換體系施工過(guò)程提供了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力；均衡體系主要由梁本身和實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定轉(zhuǎn)體的配重構(gòu)成，T構(gòu)為完全自平衡體系，需要實(shí)現(xiàn)橫橋向和順橋向各轉(zhuǎn)盤重心的力矩均衡，在轉(zhuǎn)體前需要通過(guò)承重能力的檢驗(yàn)，如不能均衡則可通過(guò)調(diào)整梁上配筋的方式改變均衡情況，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)布置如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)布置圖（單位：cm）

該橋?yàn)槎罩修D(zhuǎn)體，下轉(zhuǎn)盤設(shè)置在下段墩身上，上轉(zhuǎn)盤設(shè)置在上段墩身上，上段墩身又與梁部直接連接。由于轉(zhuǎn)體需要，墩身主筋將被截?cái)?，但主筋在同一截面處截?cái)嗔坎怀^(guò)50%。轉(zhuǎn)體完成后，需用套筒將截?cái)嗟闹鹘钸B接起來(lái)，并采用自密實(shí)混凝土澆筑這部分墩身（封固轉(zhuǎn)體球鉸），待混凝土澆筑完成到達(dá)強(qiáng)度后，張拉預(yù)埋在墩身中的豎向預(yù)應(yīng)力鋼束，最終形成完整橋墩和墩梁剛性連接結(jié)構(gòu)。施工時(shí)，應(yīng)注意上下段墩身預(yù)埋鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼束及其管道的精確位置，保證轉(zhuǎn)體完成后上下墩身間預(yù)埋鋼筋能準(zhǔn)確連接、預(yù)應(yīng)力穿索順利張拉。

下轉(zhuǎn)盤設(shè)置于下段墩之上，承載了轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的全部重量，在墩空心頂部附近設(shè)置了縱橫向預(yù)應(yīng)力鋼束。下轉(zhuǎn)盤上設(shè)有回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的下球鉸、保險(xiǎn)撐腳環(huán)式滑道，以及回轉(zhuǎn)體的牽引千斤頂反作用力座、豎向連接鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼束等。球鉸由上下二個(gè)鋼質(zhì)球板構(gòu)成，上板呈凸型，并透過(guò)圓錐臺(tái)和上面的誘導(dǎo)轉(zhuǎn)盤相連，上轉(zhuǎn)盤則設(shè)在誘導(dǎo)轉(zhuǎn)盤旁；下表面均為凹面，并嵌固在下轉(zhuǎn)盤頂墊石上，中心轉(zhuǎn)盤直徑均為5.28 m。上、下表面均是由40 mm厚度鋼管擠壓而成的結(jié)構(gòu)球面。旋轉(zhuǎn)體的基礎(chǔ)為旋轉(zhuǎn)球鉸，這是旋轉(zhuǎn)體施工的基礎(chǔ)構(gòu)件，其生產(chǎn)和施工質(zhì)量要求較高，需要精心制作，細(xì)心施工。鋼珠鉸面由工廠生產(chǎn)，在下球鉸表面按規(guī)定方向銑鉆聚四氟乙烯鋼板鑲嵌鉆孔，并在下球鉸表面設(shè)置適當(dāng)?shù)匿摻钫駬v口，以便于球鉸表面下鋼筋的澆筑。

上轉(zhuǎn)盤布有縱、橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋。轉(zhuǎn)臺(tái)直徑為1 180 cm，高度為100 cm。轉(zhuǎn)臺(tái)是球鉸、撐腳與上轉(zhuǎn)盤相連接的部分，又是轉(zhuǎn)體牽引力直接施加的部位。上轉(zhuǎn)盤平臺(tái)內(nèi)設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)牽拉索，預(yù)埋施工端為P型錨具。同一對(duì)索的錨固定在同一直徑線上并對(duì)稱于圓心，注意各對(duì)索的預(yù)埋施工標(biāo)高與牽引位置要一致。每對(duì)索的轉(zhuǎn)盤直徑超過(guò)300 cm時(shí)，每對(duì)索的出口點(diǎn)對(duì)稱于轉(zhuǎn)盤中心。牽引索外露部分圓順地纏繞在轉(zhuǎn)盤周圍，互不干擾地?cái)R置于預(yù)埋鋼筋上，并做好保護(hù)，避免在安裝過(guò)程中鋼筋絞路損壞和嚴(yán)重銹蝕。待上盤鋼筋滿足設(shè)計(jì)承載力后，完成整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)與支承構(gòu)件的轉(zhuǎn)換。抽去的擠壓板使旋轉(zhuǎn)平臺(tái)支撐在球鉸上，從而增加旋轉(zhuǎn)扭矩，使旋轉(zhuǎn)平臺(tái)繞球鉸的中心軸線旋轉(zhuǎn)。同時(shí)檢測(cè)球鉸的工作方向是否正確，計(jì)算其摩擦系數(shù)，為回轉(zhuǎn)體施工奠定基礎(chǔ)。

從上述工程概況中不難看出，該橋的轉(zhuǎn)體重量（W=245 000 kN）及角度（77.5°）較大。在該橋施工過(guò)程中，轉(zhuǎn)體施工是施工的關(guān)鍵步驟，關(guān)系到整個(gè)施工質(zhì)量的好壞。轉(zhuǎn)換啟動(dòng)時(shí)的靜摩擦系數(shù)μ=0.1，而轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.06，由式F=W×μ可得靜摩擦力約為24 500 kN；動(dòng)摩擦力是14 700 kN?？梢酝ㄟ^(guò)式（1）對(duì)轉(zhuǎn)體的拽拉力進(jìn)行計(jì)算。

式中：R為球鉸平面半徑，R=264 cm；D為轉(zhuǎn)臺(tái)直徑，D=1 180 cm。

計(jì)算后得出，轉(zhuǎn)體啟動(dòng)時(shí)所需最大驅(qū)動(dòng)力T=3 654 kN，轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中所需牽引力T=2 193 kN。

限制實(shí)際轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)沿不均勻的體系運(yùn)動(dòng)，或通過(guò)人為限制實(shí)際轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)傾向后側(cè)運(yùn)動(dòng)，使一支持腿更靠近滑道，使該支持腿的最大反作用力不大于2 000 kN。在上述規(guī)定的轉(zhuǎn)動(dòng)情況下，計(jì)算牽引力公式如式（2）。

式中：N為轉(zhuǎn)體時(shí)支撐腿主要的支撐力，N=2 000 kN；R撐為支撐腿半徑，R=5 m。最后經(jīng)過(guò)運(yùn)算確定起步和轉(zhuǎn)彎時(shí)所需要的最大驅(qū)動(dòng)力T＇1=3 739.0 kN，T＇2=2 243.3 kN。故該橋通過(guò)牽引錨固且纏繞于直徑為1 180 cm的轉(zhuǎn)臺(tái)周圍上的38-Φs15.2 mm鋼絞線，使得轉(zhuǎn)動(dòng)體系轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

延安東繞城高速公路上跨包西鐵路、西延高鐵立交工程主橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱型T構(gòu)，采用轉(zhuǎn)體施工法進(jìn)行施工，合計(jì)工期550 d。通過(guò)對(duì)主橋梁結(jié)構(gòu)，主墩和轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、計(jì)算、驗(yàn)算，得到了合理、經(jīng)濟(jì)的工程施工方案。該方案最大程度地保證了施工期間鐵路運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)營(yíng)安全，可為其他工程提供經(jīng)驗(yàn)及借鑒。