海青鐵路跨膠濟(jì)客運(yùn)專線(40+64+40)m連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工設(shè)計(jì)

王 東

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，濟(jì)南 250022)

國(guó)內(nèi)采用轉(zhuǎn)體法施工［1-2］的橋梁很多，公路上跨鐵路、高速鐵路上跨普通鐵路、鐵路上跨公路等，且橋式有連續(xù)梁、斜拉橋、T形剛構(gòu)橋、拱橋等，如哈大客運(yùn)專線采用(48+80+48)m連續(xù)梁上跨既有京哈鐵路［3］、北京市五環(huán)路采用(45+65+95+40)m獨(dú)塔斜拉橋跨石景山南站［4］、京化高速公路采用兩幅(67+67)m T形剛構(gòu)橋上跨京包鐵路［5］、滬杭高速鐵路采用主跨160 m自錨上承式混凝土拱橋上跨滬杭高速鐵路［6］等，其共同特點(diǎn)是轉(zhuǎn)體跨度大、質(zhì)量大、轉(zhuǎn)盤及球鉸大，對(duì)于小跨度、小直徑轉(zhuǎn)盤及球鉸的轉(zhuǎn)體橋梁，少有工程實(shí)例。

因此，結(jié)合海青鐵路跨膠濟(jì)客運(yùn)專線(40+64+40)m連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工設(shè)計(jì)，對(duì)小直徑轉(zhuǎn)盤及球鉸、且上跨客運(yùn)專線高速鐵路轉(zhuǎn)體橋梁轉(zhuǎn)體法施工方案進(jìn)行研究，希望對(duì)同類橋型設(shè)計(jì)有所裨益。

1 工程概述

新建海青鐵路為單線，國(guó)鐵I級(jí)鐵路，線路全長(zhǎng)約90.699 km。線路在DK80+805.90處跨越膠濟(jì)客運(yùn)專線鐵路，跨越處采用(40+64+40)m連續(xù)梁，全橋長(zhǎng)4051.44 m。膠濟(jì)客運(yùn)專線為雙線電氣化高速鐵路，跨越處路肩寬12.8 m，路基高約2 m，線路與橋梁軸線夾角62°。膠濟(jì)客運(yùn)專線列車時(shí)速高、發(fā)車密度大，對(duì)施工安全及施工工期要求高，為最大限度地減少施工對(duì)鐵路安全、運(yùn)營(yíng)的影響，跨線部分連續(xù)梁采用在111號(hào)墩墩底水平轉(zhuǎn)體法施工。該橋?yàn)槿€貫通的控制性工程。

2 總體布置

2.1 上部結(jié)構(gòu)

梁部采用單線(40+64+40)m連續(xù)梁，單箱單室、斜腹板變截面箱梁，中支點(diǎn)梁高5.0 m，跨中及端部梁高為3.0 m，箱梁頂寬7.5 m，箱寬4.0 m。施工方案采用在111號(hào)墩處平行于膠濟(jì)客運(yùn)專線在支架上分段現(xiàn)澆62.0 m轉(zhuǎn)體梁段;待現(xiàn)澆梁段脫架完成后，在鐵路部門提供的天窗時(shí)間段，實(shí)施轉(zhuǎn)體施工，將梁體逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)62°。轉(zhuǎn)體到位后，與采用原位現(xiàn)澆施工的112號(hào)墩頂對(duì)應(yīng)梁段進(jìn)行合龍段施工。

膠濟(jì)客運(yùn)專線車流密度大，施工天窗點(diǎn)少，設(shè)計(jì)考慮跨中合龍段施工時(shí)需避開(kāi)鐵路限界，因此，主跨不對(duì)稱膠濟(jì)客運(yùn)專線布置，轉(zhuǎn)體梁段跨中側(cè)梁端距臨近膠濟(jì)客運(yùn)專線中心線最小垂距為4.92 m。轉(zhuǎn)體梁段在111號(hào)墩頂對(duì)稱支架現(xiàn)澆62.0 m，主跨的跨中合龍段為2 m，邊跨預(yù)留2 m合龍段，剩余7.6 m原位支架現(xiàn)澆，梁體平面布置見(jiàn)圖1。同時(shí)，為減少橋面防拋網(wǎng)、電纜槽、避車臺(tái)、接觸網(wǎng)基座等施工對(duì)客運(yùn)專線的影響，連續(xù)梁全聯(lián)范圍內(nèi)在橋面兩側(cè)設(shè)置3 m高混凝土半封閉擋墻，將擋墻、避車臺(tái)、接觸網(wǎng)基座等與梁體一起澆筑完成后一同轉(zhuǎn)體，即可防止轉(zhuǎn)體中橋面落物，也可避免橋面二次施工對(duì)客運(yùn)專線運(yùn)營(yíng)安全產(chǎn)生影響，梁體橫向布置見(jiàn)圖2。

2.2 下部結(jié)構(gòu)

圖1 梁體轉(zhuǎn)體布置平面示意(單位:cm)

圖2 梁體橫向布置(單位:cm)

橋墩采用圓端形實(shí)體墩，基礎(chǔ)采用鉆孔樁。由于轉(zhuǎn)體需要，轉(zhuǎn)體橋墩承臺(tái)采用上、下兩層承臺(tái)方式，上承臺(tái)平面尺寸8 m×8 m，厚度為3.4 m(封鉸部分尺寸為8.9 m ×8.9 m，厚度 1.4 m);下承臺(tái)平面尺寸 12.5 m ×12.5 m，厚度為 2.8 m。樁基采用 16 根 φ1.25 m鉆孔灌注樁。為減小承臺(tái)施工對(duì)客運(yùn)專線路基邊坡的影響，承臺(tái)及樁基排列順客運(yùn)專線方向布置，為了保證鐵路路基的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)采用1排間距1.5 m、φ1.2 m挖孔樁進(jìn)行基坑防護(hù)，基礎(chǔ)平面布置見(jiàn)圖3，鐵路位置關(guān)系立面見(jiàn)圖4。

圖3 111號(hào)墩基礎(chǔ)平面示意(單位:cm)

3 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

平轉(zhuǎn)法轉(zhuǎn)動(dòng)體系主要由承重系統(tǒng)、助推及牽引系統(tǒng)和平衡系統(tǒng)三大部分構(gòu)成［7］。承重系統(tǒng)由上承臺(tái)、下承臺(tái)和轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸(采用3 000 t級(jí)的轉(zhuǎn)體成品球鉸)構(gòu)成，上承臺(tái)支撐轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，下承臺(tái)與樁基礎(chǔ)相連，通過(guò)上承臺(tái)相對(duì)于下承臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到轉(zhuǎn)體目的;助推及牽引系統(tǒng)由牽引設(shè)備、牽引反力支座、助推反力支座構(gòu)成;平衡系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)本身、上承臺(tái)6對(duì)φ600 mm的鋼管混凝土圓形撐腳、大噸位千斤頂及梁頂配重設(shè)施構(gòu)成，轉(zhuǎn)動(dòng)體系立面布置見(jiàn)圖5。

圖4 鐵路位置關(guān)系立面(單位:cm)

圖5 轉(zhuǎn)動(dòng)體系布置立面(單位:cm)

3.1 球鉸

球鉸主要有上球鉸、下球鉸、銷軸及套筒、下球鉸型鋼骨架組成，均為鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)。下球鉸成凹形，凹面向上;上球鉸成凸形，凸面向下;下球鉸頂面設(shè)置多個(gè)圓形凹槽，槽內(nèi)鑲嵌四氟滑片，上球鉸緊壓在滑片上。這種凸凹形球鉸在相同傾覆力作用下其傾覆力臂更小、安全性及穩(wěn)定性高、運(yùn)行可靠，而且上、下球鉸之間的潤(rùn)滑介質(zhì)不會(huì)溢出。

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)總重G=25 320 kN，考慮施工中風(fēng)荷載及施工誤差等因素，導(dǎo)致轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)失去平衡需進(jìn)行平衡配重，故應(yīng)有足夠的安全儲(chǔ)備，球鉸設(shè)計(jì)豎向承載能力采用G'=30 000 kN。按照下式計(jì)算球鉸直徑D'(m)［3］

計(jì)算求得球鉸直徑D'≥1.48 m，考慮綜合結(jié)構(gòu)及滑道的空間布置要求，選用D=2.3 m。

取偏壓效應(yīng)增大系數(shù)K=1.4，球鉸混凝土的計(jì)算壓應(yīng)力為［4］

σ =KG/(πD2/4)=8.5 MPa，小于 C40 混凝土的容許壓應(yīng)力 0.5fck=16.2 MPa。

上、下球鉸間布置243塊直徑為6 cm的聚四氟乙烯片，該聚四氟乙烯片設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度為100 MPa。

聚四氟乙烯片平均應(yīng)力為G/243(πd2/4)=37 MPa ＜100 MPa［7］，安全系數(shù)2.7，滿足轉(zhuǎn)體要求。

球鉸進(jìn)行廠制加工，上、下球鉸球面板均用δ=30 mm厚鋼板壓制而成，球面板背部設(shè)置8處加肋，防止在加工、運(yùn)輸過(guò)程中變形，并方便球鉸定位、加強(qiáng)與混凝土的連接。銷軸直徑270 mm、高830 mm。在出廠前、進(jìn)場(chǎng)后及安裝完后做試轉(zhuǎn)，在運(yùn)輸、安裝至正式轉(zhuǎn)體前保持轉(zhuǎn)動(dòng)面的清潔。

3.2 撐腳及滑道

(1)撐腳

為了增強(qiáng)轉(zhuǎn)體過(guò)程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生較大傾斜，在上承臺(tái)底面沿距轉(zhuǎn)動(dòng)半徑r=3.25 m的圓周均勻設(shè)置了6對(duì)φ600 mm圓形C40鋼管混凝土撐腳，當(dāng)轉(zhuǎn)體發(fā)生傾斜時(shí)，撐腳先支撐于下承臺(tái)的滑道上，防止轉(zhuǎn)體進(jìn)一步傾斜。為減小撐腳底面與滑道的摩擦，撐腳底面的走板應(yīng)由工廠加工定做，以保證鋼板表面的平整度，鋼板表面的磨光度不得低于6.3級(jí)。撐腳在下盤混凝土灌注完成上球鉸安裝就位時(shí)安裝，并在滑道范圍內(nèi)撐腳之間設(shè)置砂箱作為現(xiàn)澆墩、梁的支撐，轉(zhuǎn)體前卸掉砂箱。

撐腳主要起結(jié)構(gòu)傾斜時(shí)支撐作用，根據(jù)梁體落架時(shí)產(chǎn)生的不平衡彎矩對(duì)其進(jìn)行局部承壓檢算。檢算均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

(2)滑道

為了減小撐腳與下承臺(tái)的接觸摩擦，撐腳支撐面置于同一水平面內(nèi)，從而使轉(zhuǎn)體發(fā)生輕微傾斜時(shí)，仍能平穩(wěn)運(yùn)行。在下承臺(tái)頂面設(shè)置外徑 r'=3.75 m，寬0.95 m的環(huán)形滑道，滑道由5 mm厚的不銹鋼板及20 mm厚的鋼板貼面組成，滑道鋼板固定在環(huán)形滑道骨架上，并設(shè)有調(diào)位螺母，以調(diào)整其平整度。環(huán)道鋼板背面焊接加工后，頂面由工廠刨平，粗糙度6.3級(jí)。環(huán)道角鋼頂面相對(duì)高程高差小于5 mm，環(huán)道鋼板由螺母調(diào)整校平，頂面局部平面度0.5 mm。

3.3 牽引制動(dòng)

助推及牽引系統(tǒng)由牽引設(shè)備(2臺(tái)ZLD100型連續(xù)千斤頂及2臺(tái)普通 YCW100型助推千斤頂構(gòu)成)、牽引索、牽引反力支座、助推反力支座構(gòu)成。牽引索采用2束7-Φs15.24 mm低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線平行布置，其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1 860 MPa。澆筑上承臺(tái)前應(yīng)按設(shè)計(jì)位置將牽引索分別預(yù)埋，預(yù)埋端采用H型錨，本橋牽引索埋入轉(zhuǎn)盤3.47 m，并圓順地纏繞在轉(zhuǎn)盤上，施工時(shí)應(yīng)特別注意牽引索牽引方向。

(1)牽引力T

順梁體方向設(shè)有2對(duì)撐腳，考慮施工誤差產(chǎn)生的不平衡彎矩及不平衡配重，設(shè)計(jì)考慮按球鉸及1對(duì)撐腳組成的2點(diǎn)支撐系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體。

設(shè)計(jì)靜摩擦系數(shù) μ0為 0.1，動(dòng)摩擦系數(shù) μ1為0.06，撐腳分擔(dān)的重力為P1，球鉸分擔(dān)的重力為P2，球鉸直徑為D，撐腳摩阻力臂為Rm=3.25 m，牽引力臂為R=8 m，牽引力為T，則轉(zhuǎn)體啟動(dòng)時(shí):

球鉸牽引力T1=2μ0P2(D/2)/3R，參考《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ041-2000)式16.4.3;

撐腳牽引力 T2= μ0P1Rm/R［4］;

牽引力T=T1+T2。

計(jì)算啟動(dòng)牽引力為323 kN，實(shí)測(cè)啟動(dòng)牽引力為297 kN;計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)牽引力為194 kN，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)牽引力為184 kN。

(2)助推力T'

考慮球鉸動(dòng)摩擦力矩與靜摩擦力矩差值及撐腳啟動(dòng)牽引力與轉(zhuǎn)動(dòng)牽引力差值由撐腳處2臺(tái)YCW100型千斤頂承擔(dān)［3］:

球鉸動(dòng)摩擦力矩M1=2μ1P2(D/2)/3;

球鉸靜摩擦力矩M2=2μ0P2(D/2)/3;

故 T'=(M2-M1)/(2Rm)+(T2-μ1T2/μ0);

計(jì)算得T'=165 kN。

(3)牽引索

每束牽引索采用1束7-φs15.24 mm低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1 860 MPa，錨下控制應(yīng)力為σcon=1 395 MPa，1根鋼絞線截面面積A=140 mm2，故單束鋼絞線容許拉力為T'=7Aσcon=1 367.1 kN＞T=323 kN，安全系數(shù) K=T'/T=4.23 ＞2，滿足要求。

(4)千斤頂

一個(gè)牽引反力支座處選用2臺(tái)ZLD100型連續(xù)千斤頂作為牽引千斤頂，每臺(tái)提供外力F=1 000 kN，其動(dòng)力系數(shù)為［3］:η1=T/2F=0.162 ＜0.85，滿足要求。

一個(gè)助推反力支座選用1臺(tái)YCW100型助推千斤頂作為助推反力千斤頂，每臺(tái)提供外力F=1 000 kN，其動(dòng)力系數(shù)為［3］:η2=T'/F=0.165 ＜0.85，滿足要求。

4 傾覆穩(wěn)定及稱重

(1)傾覆穩(wěn)定

梁體預(yù)制完成落架后，稱重實(shí)驗(yàn)前，對(duì)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)傾覆穩(wěn)定性計(jì)算［8］，影響穩(wěn)定的主要因素是風(fēng)力，按百年一遇的基本風(fēng)速所產(chǎn)生的風(fēng)壓考慮［9］。結(jié)構(gòu)的傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)取決于結(jié)構(gòu)自重構(gòu)成的抗傾覆力矩與風(fēng)力構(gòu)成的傾覆力矩二者比值［10］，根據(jù)《鐵路橋涵鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002.3—2005)第 4.1.1 條，系數(shù)取不小于 1.3。計(jì)算縱橋向穩(wěn)定安全系數(shù)為7.25，橫橋向穩(wěn)定安全系數(shù)為4.52，均滿足要求。

(2)稱重

稱重試驗(yàn)主要測(cè)試轉(zhuǎn)動(dòng)體的不平衡力矩、摩阻力矩、偏心距，一方面根據(jù)測(cè)試情況進(jìn)行配重，使轉(zhuǎn)動(dòng)體處于球鉸和撐腳兩點(diǎn)支承的穩(wěn)定狀態(tài)，并使配重后的偏心距處于合理范圍［11］，保證轉(zhuǎn)體的平穩(wěn);另一方面根據(jù)摩阻力矩計(jì)算球鉸靜摩擦系數(shù)，為校核轉(zhuǎn)體牽引力、助推力等提供依據(jù)。

試驗(yàn)測(cè)得不平衡力矩Mg=6 711.7 kN·m，摩阻力矩 Mz=2 345.2 kN·m，偏心距 e=26.8 cm(偏向主跨側(cè))，體系呈現(xiàn)摩阻力矩小于不平衡力矩的情況。配重方案遵循球鉸與撐腳共同支撐的原則，配重采用80 kN，位置在邊跨側(cè)距梁端3 m處［12］，配重完成后，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)偏心為17.9 cm(偏向主跨側(cè))，全部轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重力主要由中心球鉸支承。

5 試轉(zhuǎn)體及正式轉(zhuǎn)體

5.1 試轉(zhuǎn)體

啟動(dòng)泵站，2臺(tái)張拉千斤頂同時(shí)施力試轉(zhuǎn)體，以克服靜摩阻力使橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)，試轉(zhuǎn)角度3°以內(nèi)。同時(shí)，做好轉(zhuǎn)速及梁端高程的測(cè)量工作，為精確定位提供操作依據(jù)。試轉(zhuǎn)過(guò)程中，應(yīng)做好兩項(xiàng)重要數(shù)據(jù)的測(cè)試工作。

(1)每分鐘轉(zhuǎn)速，即每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)主橋的角度及懸臂端所轉(zhuǎn)動(dòng)的水平弧線距離，應(yīng)將轉(zhuǎn)體速度控制在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi);嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)動(dòng)速度過(guò)快。

(2)控制采取點(diǎn)動(dòng)方式操作，測(cè)量組應(yīng)測(cè)量每點(diǎn)動(dòng)一次懸臂端所轉(zhuǎn)動(dòng)水平弧線距離的數(shù)據(jù)，以供轉(zhuǎn)體初步到位后，進(jìn)行精確定位提供操作依據(jù)。

應(yīng)檢查結(jié)構(gòu)是否平衡穩(wěn)定，關(guān)鍵受力部分是否出現(xiàn)裂紋等異常情況，如有異常，須停止試轉(zhuǎn)，查明原因整改后方可繼續(xù)試轉(zhuǎn)體。

5.2 正式轉(zhuǎn)體

根據(jù)鐵路部門批準(zhǔn)的線路封鎖作業(yè)時(shí)間進(jìn)行轉(zhuǎn)體施工，對(duì)梁體軸線偏位、梁端高程變化進(jìn)行反復(fù)測(cè)量，對(duì)牽引索、泵站、主控臺(tái)等實(shí)時(shí)觀察。轉(zhuǎn)體過(guò)程應(yīng)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)速度為0.018 23 rad/min，距設(shè)計(jì)位置3°時(shí)進(jìn)行 10、5、3、2、1 s點(diǎn)動(dòng)操作，并確認(rèn)點(diǎn)動(dòng)后梁端弧長(zhǎng)，距設(shè)計(jì)位置0.5°時(shí)制動(dòng)，測(cè)量軸線，根據(jù)差值，精確點(diǎn)動(dòng)控制定位，防止超轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)體就位后利用設(shè)置的限位措施對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行體位調(diào)整。橫橋向傾斜限位與微調(diào):在滑道外側(cè)上、下承臺(tái)間對(duì)稱布置4臺(tái)千斤頂，一側(cè)頂起，另一側(cè)預(yù)留限位，調(diào)整完畢后，用型鋼將上、下承臺(tái)抄死，撐腳與滑道間抄死。水平偏轉(zhuǎn)限位和微調(diào):利用設(shè)置在下承臺(tái)上的助推反力支座作為支點(diǎn)，助推上承臺(tái)，調(diào)整轉(zhuǎn)體軸線偏位，調(diào)整就位后設(shè)置限位梁，將撐腳與助推反力支座間抄死。

轉(zhuǎn)體固定后，焊接預(yù)留鋼筋，進(jìn)行封盤施工。后拆除墩梁固結(jié)措施，進(jìn)行梁體跨中、邊跨合龍段施工。

6 結(jié)語(yǔ)

該橋于2012年10月23日凌晨?jī)H用56 min一次順利轉(zhuǎn)體就位。該橋?yàn)闈?jì)南鐵路局范圍第一座轉(zhuǎn)體施工的鐵路橋梁，且上跨膠濟(jì)客運(yùn)專線，線路封鎖時(shí)間僅為110 min，最大程度地減少了對(duì)膠濟(jì)客運(yùn)專線運(yùn)營(yíng)的影響，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)類似小跨度跨線橋梁施工具有較高的參考價(jià)值。

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