(70+125+70) m跨鐵路轉(zhuǎn)體連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)

劉潤(rùn)舟

(南昌鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,南昌 330002)

1 概述

共安大橋全長(zhǎng)約750 m，雙向6車(chē)道，行車(chē)速度40 km/h，主橋?yàn)?70+125+70) m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋[1-2]，其平面位于半徑1 500 m的圓曲線上，橋面全寬26.5 m，主跨跨度為125 m，跨越(南)昌九(江)城際鐵路、京九鐵路，橋梁中心線與鐵路線路斜交，斜交角度為79°15′23″。橋下凈空滿足電力牽引區(qū)段雙層集裝箱橋梁建筑限界的要求，凈高不低于8.5 m，并考慮轉(zhuǎn)體半徑范圍內(nèi)可能存在有關(guān)設(shè)備影響，成橋后橋下凈高為9.65 m。該橋?yàn)閮煞鶚蛟谕粋€(gè)橋墩上轉(zhuǎn)體，其轉(zhuǎn)體總質(zhì)量達(dá)14 510 t，在我國(guó)目前在建及已建成的轉(zhuǎn)體連續(xù)梁橋[3-7]中較為罕見(jiàn)。

2 橋位、橋型比選

2.1 橋位比選

共安大橋位于江西省九江市德安縣開(kāi)發(fā)區(qū)，跨越德安站站場(chǎng)內(nèi)(南)昌九(江)城際鐵路及京九鐵路(共9股道)，分別為貨場(chǎng)線2股道，京九線3股道和昌九城際鐵路4股道。大里程方向有德安站高站臺(tái)、站房及雨棚等建(構(gòu))筑物，小里程方向?yàn)?-12 m排水框架橋，故擬定橋位在兩者之間，與京九下行線交叉里程為K1365+564。

2.2 橋型比選

由于橋型選擇關(guān)系到跨度組成、施工方法及工程投資等諸多因素，根據(jù)安全、適用、耐久、經(jīng)濟(jì)的橋梁設(shè)計(jì)原則及橋位處路基寬度達(dá)70 m以上的實(shí)際情況，并綜合考慮各種橋型結(jié)構(gòu)受力的合理性、技術(shù)先進(jìn)性且施工時(shí)橋梁結(jié)構(gòu)及模板、機(jī)具設(shè)備等不得侵入限界、不影響路基邊坡穩(wěn)定及線路排水側(cè)溝等因素，經(jīng)過(guò)(100+100) m掛籃施工后轉(zhuǎn)體平行雙索面獨(dú)塔斜拉橋、(54+90+54) m懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋、(35+125+35) m中承式鋼管混凝土拱橋和(70+125+70) m轉(zhuǎn)體預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋4個(gè)橋型方案的比選，最終確定采用(70+125+70) m轉(zhuǎn)體預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋方案。

3 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主橋計(jì)算跨度為(70+125+70) m，主梁采用雙幅單箱單室截面，中支點(diǎn)梁高7.0 m，邊支點(diǎn)梁高3.2 m，箱梁底寬7.0 m，兩側(cè)懸臂長(zhǎng)度均為3.0 m，箱梁頂寬13 m，翼緣懸臂板端部厚20 cm，根部厚70 cm，其間折線變化。梁體邊支點(diǎn)及中支點(diǎn)處設(shè)端橫梁及中橫梁，端橫梁厚1.5 m，中橫梁厚3.6 m。邊支座至梁端0.7 m，主梁?jiǎn)畏O(shè)3個(gè)合龍段，合龍段長(zhǎng)度2.0 m。箱梁支點(diǎn)底部為滿足放置支座的尺寸要求，底部加寬至7.6 m。主梁邊跨、中跨之比為0.56/1，中支點(diǎn)梁高與跨度之比為1/17.86，跨中梁高與跨度之比為1/39.1。梁頂設(shè)2.0%的橫坡，梁底板水平，梁底曲線及底板厚度均采用二次拋物線變化，曲線變化段長(zhǎng)度54 m。箱梁橫斷面頂板厚度為30 cm，底板厚度為30～80 cm，腹板厚度為50～80 cm，頂板、底板及腹板在支點(diǎn)及其附近截面局部加厚，其立面布置見(jiàn)圖1，跨中及中支點(diǎn)橫截面見(jiàn)圖2。

圖1 全橋立面布置(單位：m)

圖2 跨中及支點(diǎn)處橫斷面(單位：cm)

梁體采用三向預(yù)應(yīng)力體系?？v向預(yù)應(yīng)力鋼束主要采用15φs15.2抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為fpk=1 860 MPa的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，預(yù)應(yīng)力管道采用金屬波紋管成孔，張拉端及固定端錨具采用圓錐形錨具；橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用3φs15.2型預(yù)應(yīng)力束，扁形金屬波紋管成孔，單端張拉；豎向預(yù)應(yīng)力筋采用JL32精軋螺紋鋼筋，其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=930 MPa。

4 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算

4.1 計(jì)算原則及參數(shù)

(1)梁體自重：26.25 kN/m3。

(2)二期恒載：51.5 kN/m。

(3)汽車(chē)荷載：按城-A級(jí)采用。

(4)溫度荷載：結(jié)構(gòu)沿截面均勻溫度變化產(chǎn)生的內(nèi)力按結(jié)構(gòu)整體升、降溫20 ℃計(jì)算；非均勻溫度變化按照采用瀝青混凝土橋面鋪裝對(duì)應(yīng)溫度基數(shù)，即正溫差時(shí)梯度溫度T1=14 ℃，T2=5.5 ℃，反溫差為正溫差乘以-0.5。

(5)預(yù)應(yīng)力鋼筋參數(shù)：鋼束與管道壁間的摩阻系數(shù)μ取0.23，管道偏差系數(shù)κ取0.0015，錨具回縮量每端取6 mm，錨下控制應(yīng)力取1 395 MPa。

(6)不均勻沉降：每支點(diǎn)按20 mm考慮。

(7)混凝土收縮徐變：按10年采用。

4.2 計(jì)算方法

采用橋梁博士及BSAS兩套有限元軟件進(jìn)行整體計(jì)算，主梁劃分為83個(gè)單元，15個(gè)不同截面，邊支點(diǎn)及中支點(diǎn)處取其附近截面，不模擬橫隔板，其自重以集中力形式作用于支點(diǎn)處。根據(jù)不同施工階段，激活相應(yīng)單元、施加該階段荷載并張拉預(yù)應(yīng)力鋼束模擬施工過(guò)程，靜力計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 1/2計(jì)算模型節(jié)段劃分(單位：cm)

4.3 施工階段劃分

主要施工步驟為對(duì)稱(chēng)懸臂澆筑箱梁節(jié)段、張拉相應(yīng)節(jié)段的預(yù)應(yīng)力筋、稱(chēng)重、配重、轉(zhuǎn)體、封鉸、澆筑邊跨直線段、澆筑邊跨合龍段、張拉邊跨合龍鋼束、澆筑中跨合龍段，張拉中跨合龍鋼束、施工橋面系。據(jù)此共劃分為40個(gè)施工階段。

4.4 靜力計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，荷載短期效應(yīng)組合計(jì)算的長(zhǎng)期撓度為66 mm，在消除自重產(chǎn)生的長(zhǎng)期撓度后主梁的最大撓度為46 mm，不超過(guò)計(jì)算跨度的L/600=208 mm，符合規(guī)范要求。

計(jì)算結(jié)果表明在各控制組合作用下，梁體應(yīng)力分布較為均勻，箱梁頂、底板均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，并有一定的壓應(yīng)力儲(chǔ)備，主要靜力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1～表5，表中數(shù)據(jù)表明結(jié)構(gòu)能夠滿足全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的要求。

表1 長(zhǎng)期效應(yīng)組合下結(jié)構(gòu)正應(yīng)力 MPa

表2 短期效應(yīng)組合下結(jié)構(gòu)正應(yīng)力 MPa

表3 標(biāo)準(zhǔn)組合下結(jié)構(gòu)正應(yīng)力 MPa

表4 短期效應(yīng)組合下結(jié)構(gòu)主應(yīng)力 MPa

表5 標(biāo)準(zhǔn)效應(yīng)組合下結(jié)構(gòu)主應(yīng)力 MPa

5 轉(zhuǎn)體施工

5.1 系統(tǒng)組成

轉(zhuǎn)體[8-9]系統(tǒng)由轉(zhuǎn)動(dòng)、牽引和平衡系統(tǒng)組成，其核心部件是球鉸[10-12](圖4)，球鉸安裝在上下承臺(tái)中，在連續(xù)張拉千斤頂?shù)淖饔孟驴衫@橋墩中心的一根定位鋼軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)上部結(jié)構(gòu)整體旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)時(shí)由下部球鉸支承，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜時(shí)由球鉸和撐腳共同支承。

圖4 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)構(gòu)造(單位：cm)

球鉸選用725所設(shè)計(jì)生產(chǎn)的14 500 t轉(zhuǎn)體球鉸，平面直徑D=4.0 m。其中上球鉸鑲嵌于上轉(zhuǎn)盤(pán)，下轉(zhuǎn)盤(pán)埋入下承臺(tái)，通過(guò)型鋼支架與下承臺(tái)固定。

在上轉(zhuǎn)盤(pán)上設(shè)置8對(duì)D=90 cm的鋼管混凝土撐腳，管內(nèi)填充C50鋼纖維混凝土。撐腳中心與滑道中心一致，滑道為中心直徑12.4 m，寬度1.2 m的環(huán)形帶狀區(qū)域，滑道與撐腳之間留10 mm的間隙，以保證在轉(zhuǎn)體過(guò)程中發(fā)生傾斜時(shí)能夠支承于滑道上，不至于發(fā)生較大的位移。

牽引索埋于上轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)，采用15φs15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線穿過(guò)反力座，采用單端張拉，2根牽引索連接到同步張拉千斤頂，其平面布置見(jiàn)圖5。

圖5 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)平面(單位：cm)

5.2 轉(zhuǎn)體過(guò)程

施工時(shí)先在路基外順線路方向掛籃懸臂澆筑兩幅箱梁各節(jié)段，至形成轉(zhuǎn)體前長(zhǎng)達(dá)123 m最大懸臂狀態(tài)T構(gòu)[13-14]后，進(jìn)行稱(chēng)重以明確梁體施工過(guò)程中的不平衡狀態(tài)，同時(shí)確定轉(zhuǎn)體所需配置的平衡重。轉(zhuǎn)體速度約為0.02 rad/min，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為80°，單個(gè)T構(gòu)轉(zhuǎn)體用時(shí)約80 min。轉(zhuǎn)體到位后立即進(jìn)行封鉸，以避免球鉸再發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)引起梁體的較大位移。

6 結(jié)語(yǔ)

跨線橋跨度的確定除應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)受力合理性外，還應(yīng)滿足《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》有關(guān)限界、線路設(shè)備安全、路基邊坡穩(wěn)定及臨近既有線施工對(duì)既有線影響等諸多因素，需經(jīng)過(guò)全面調(diào)查并進(jìn)行方案比選后確定。而連續(xù)梁結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)剛度大，施工工藝成熟，外形曲線優(yōu)美等特點(diǎn)，結(jié)合跨越鐵路相關(guān)要求，且轉(zhuǎn)體施工方法能有效減少跨線橋?qū)扔芯€運(yùn)營(yíng)的影響，故轉(zhuǎn)體連續(xù)梁橋具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于上跨公路、鐵路立交橋中。

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