內(nèi)蒙古京包鐵路分離式立交轉(zhuǎn)體橋設(shè)計優(yōu)化研究＊

范振華 車曉軍 劉世清

（1.內(nèi)蒙古交通設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 呼和浩特 010010； 2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063；3.內(nèi)蒙古高等級公路建設(shè)開發(fā)有限責(zé)任公司第八分公司 呼和浩特 010010）

1 工程概況

轉(zhuǎn)體施工技術(shù)作為一種較為快捷的橋梁施工技術(shù)，在特定條件下具有很大的優(yōu)越性，甚至在某種特定條件下會成為必選的設(shè)計和施工方案［1］。京包鐵路分離式立交橋主橋為2×75m單T變截面連續(xù)剛構(gòu)橋，箱梁采用直腹板單箱雙室截面，跨中梁高3.3m，根部梁高8.1m，梁高按照1.8次拋物線變化。為減小橋梁施工對線下鐵路運(yùn)營的影響，主橋采用平面轉(zhuǎn)體施工，其中轉(zhuǎn)體段長度為69m，轉(zhuǎn)體重量12 000t，箱梁共分17個節(jié)段，采用平行鐵路搭設(shè)支架分8次澆筑完成。其中0～6號段為鋼管樁支架，7～17號段為碗扣式支架施工。

在工程實踐中發(fā)現(xiàn)，由于設(shè)計單位考慮施工因素不多或者更多考慮以理論分析為依據(jù)，導(dǎo)致部分設(shè)計存在不甚合理的現(xiàn)象。例如，考慮跨徑盡可能小而導(dǎo)致墩位與既有線之間的間距過小，從而工作面過小，大量機(jī)械不能使用致使鋼制模板吊裝存在重大安全隱患［2］；滑道上在大面積聚四氟乙烯滑板轉(zhuǎn)體前掏出沙子后常因翹起而失效［3－4］；支架現(xiàn)澆段因受傳統(tǒng)連續(xù)梁（剛構(gòu)）橋掛籃施工影響而節(jié)段長度短、澆筑次數(shù)多而延長施工工期［5］。

從京包鐵路分離立交轉(zhuǎn)體橋的設(shè)計角度出發(fā)，綜合考慮施工影響因素，結(jié)合大量跨線轉(zhuǎn)體橋施工實踐，提出涉及該橋選線方案、轉(zhuǎn)動體系構(gòu)造設(shè)計、施工方案等方面的設(shè)計優(yōu)化措施，為類似橋梁的設(shè)計提供參考。

2 選線方案優(yōu)化

通過對已建成的類似跨線轉(zhuǎn)體橋方案綜合分析，在方案初步設(shè)計階段可以從以下3個方面進(jìn)行優(yōu)化：

（1）轉(zhuǎn)體噸位的確定。本橋之所以選擇大噸位轉(zhuǎn)體施工方案，是由于在總體選線過程中未能避開較寬編組站的鐵路線，從而選擇大噸位的球鉸和橋跨形式，一定程度上增加了施工風(fēng)險和工程造價?？梢酝ㄟ^調(diào)整總體路線設(shè)計走向避開編組站從而減小轉(zhuǎn)體噸位，從而降低施工難度。

（2）與既有線控制間距的確定。本橋主墩位與既有線控制界限的間距只有3m左右，施工過程中由于工作面較小而影響工作效率，同時由于不能使用大型施工機(jī)械，導(dǎo)致箱梁澆筑大型側(cè)模吊裝時風(fēng)險陡增，建議將間距優(yōu)化控制在7～10 m是合適的，同時因跨徑增大而增加的施工成本與需要的大量臨邊鐵路鐵皮墻、施工風(fēng)險預(yù)防成本相比，幾乎可以持平。

3 轉(zhuǎn)動體系設(shè)計優(yōu)化

（1）承臺形狀的選擇。對于京包鐵路分離式立交橋，承臺采用圓形承臺，直徑15.3m，上承臺高3m，下承臺高3m，中間1m高的后澆段。施工過程中考慮左右幅及上下承臺的周轉(zhuǎn)使用，定制了2套3m高的環(huán)形鋼制模板，使用后即堆砌在場地，并無他用，同時考慮運(yùn)輸至其他工地或現(xiàn)場處理均難以減少投入的成本，造成了較大的浪費(fèi)。然而根據(jù)現(xiàn)場施工因素考慮，同時考慮承臺澆筑質(zhì)量符合規(guī)范要求，若將承臺構(gòu)造外形設(shè)計優(yōu)化改為矩形承臺，必要時可將四角設(shè)計成圓形倒角，則可重復(fù)使用常用外形的模板，經(jīng)對比核算可節(jié)約施工成本80%左右，約50萬元，對比分析見表1。

表1 承臺不同類型鋼制模板成本對比分析

（2）鋼制球鉸摩擦系數(shù)的修正?，F(xiàn)有研究成果中，鋼制球鉸的靜摩擦系數(shù)范圍推薦為0.01～0.02，而通過部分鋼制球鉸的轉(zhuǎn)體橋稱重實驗分析，大多數(shù)靜摩擦系數(shù)可維持在0.004～0.01，前提是嚴(yán)格遵照精度要求進(jìn)行球鉸制作與安裝，這將減小牽引力矩以及球鉸支撐半徑與尺寸。對于京包鐵路分離式立交橋，據(jù)現(xiàn)場稱重試驗，可以計算球鉸靜摩擦系數(shù)：μ＝0.003 4；轉(zhuǎn)動體偏心距：e＝0.225。

同時，依據(jù)稱重的計算數(shù)據(jù)，即可計算轉(zhuǎn)體所需要的牽引力矩，與設(shè)計中所需要的牽引力矩進(jìn)行對比分析，見表2。發(fā)現(xiàn)設(shè)計中因考慮摩阻系數(shù)過大，而采用過分保守的牽引設(shè)備，造成了一定程度上的浪費(fèi)。

表2 不同摩擦系數(shù)下牽引力矩對比分析表

（3）滑道構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計。京包鐵路分離式轉(zhuǎn)體橋滑道設(shè)計采用在鋼制滑道上安裝一整圈的聚四氟乙烯板，以減少轉(zhuǎn)體過程中撐腳與滑道之間的摩擦阻力，以保證轉(zhuǎn)體的順利進(jìn)行，然而由于聚四氟乙烯板材料特性，以及安裝時粘合劑不均勻等因素的影響，長時間處于潮濕沙子環(huán)境下，將導(dǎo)致其在轉(zhuǎn)體前翹起（或相對高差不符合精度要求）甚至整體失效。見圖1、圖2。

圖1 撐腳下的聚四氟乙烯翹起

圖2 滑道上的四氟乙烯板翹起失效

通過工程實踐分析可以采用以下優(yōu)化方案：除去整正圈滑道的聚四氟乙烯滑板，而在撐腳下局部區(qū)域內(nèi)粘貼聚四氟乙烯板，優(yōu)點(diǎn)在于面積小而易于黏貼牢固，同時對滑道摩擦效果沒有很大影響，但總造價將節(jié)約90%以上，而且可以大大減少聚四氟乙烯板失效的概率。

（4）牽引索布置的優(yōu)化設(shè)計。在轉(zhuǎn)體牽引系統(tǒng)施工過程中，牽引工作均由專門的液壓千斤頂廠家配合完成，為了保證牽引鋼索受力均勻，建議先圍繞承臺纏繞1圈后再按照計算長度纏繞鋼束。通過現(xiàn)場牽引實踐發(fā)現(xiàn)，這樣設(shè)計牽引系統(tǒng)雖然可以保證受力相對均勻，但是需要較大的預(yù)張拉力，容易出現(xiàn)左右幅相對啟動同步性差的現(xiàn)象。同時在轉(zhuǎn)體即將就位時，多余的鋼束將受到牽引索錨固段與轉(zhuǎn)動止塊之間空隙減小的擠壓，導(dǎo)致點(diǎn)動就位階段牽引索應(yīng)力集中而存在安全隱患，具體情形見圖3。

圖3 轉(zhuǎn)體點(diǎn)動階段牽引鋼索受到擠壓圖示

4 支架現(xiàn)澆段施工方案優(yōu)化

為了分析不同分段長度對橋梁受力的影響，將轉(zhuǎn)體施工段分別采用了3種分段方案進(jìn)行有限元建模，見圖4，對線形和應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

方案1。0號塊5m，1～3號段各3m，4～6號段各3.5m，7～11號段各4m，12～17號段各4.5m。其中：0～2號段17m一次性澆筑，其他2個節(jié)段一次性澆筑，共計分9次澆筑。

方案2。0～2號塊段17m，3～11號段33.5 m，12～17號段27m，分3次混凝土澆筑。

方案3。不分段，1次性澆筑完混凝土，長度為138m。

圖4 不同分段方案對比分析有限元模型

通過分析得出不同分段長度下轉(zhuǎn)體段最大懸臂狀態(tài)各截面上、下緣應(yīng)力見圖5，圖6。

圖5 最大懸臂狀態(tài)上緣應(yīng)力

圖6 最大懸臂狀態(tài)下緣應(yīng)力

在不同分段長度下，轉(zhuǎn)體段最大懸臂狀態(tài)各節(jié)點(diǎn)累計水平及豎向位移見圖7，圖8。

圖7 最大懸臂狀態(tài)水平位移

圖8 最大懸臂狀態(tài)豎向位移

通過優(yōu)化方案對比分析，可知：

（1）在不同分段長度下，轉(zhuǎn)體段在最大懸臂狀態(tài)時各單元截面上下緣應(yīng)力相差均很小，但累計水平位移和豎向位移均不相同，且距離懸臂端越近、分段數(shù)量越少，懸臂端的水平位移越大，而下?lián)衔灰圃叫　?/p>

（2）對于豎向累積位移，不同分段方案數(shù)值差別較大，相應(yīng)地在施工過程中預(yù)拱度的設(shè)置也有較大區(qū)別，為此現(xiàn)澆段主梁施工需要根據(jù)實際設(shè)置相應(yīng)的預(yù)拱度。

（3）在充分考慮減小現(xiàn)澆梁與底模支架之間的摩阻力及大體積混凝土澆筑水化熱影響的前提下，轉(zhuǎn)體段混凝土一次性澆筑方案具有可行性。

（4）隨著分段長度的增加，搭設(shè)支架的長度也隨著增長，對于支架的穩(wěn)定性安全驗算十分必要，與此同時在施工過程中要加強(qiáng)對支架搭設(shè)情況及雨季排水設(shè)施的處理，防止支架變形過大或失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生。同時，落架過程需要進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控，在保證兩側(cè)同時同步落架的基本條件下，合理選擇支架落架方向和順序，密切監(jiān)測梁頂高程變化也十分必要。

5 結(jié)語

（1）京包鐵路分離式立交橋的施工，將對線下具有京包鐵路運(yùn)煤線的影響降到了最低，充分發(fā)揮了轉(zhuǎn)體施工的特點(diǎn)和優(yōu)勢。

（2）基于施工因素提出的京包鐵路分離式立交橋選線方案、轉(zhuǎn)體橋噸位的降低為確定轉(zhuǎn)體設(shè)計方案提供了參考，作為轉(zhuǎn)體橋梁最重要部件的轉(zhuǎn)動體系，其承臺形狀的選擇、球鉸摩阻系數(shù)的確定、聚四氟滑板的安裝以及牽引索的布置等設(shè)計需充分考慮施工因素而進(jìn)行優(yōu)化選擇，確定現(xiàn)澆段分段長度及相關(guān)施工優(yōu)化措施等，對設(shè)計方案的優(yōu)化具有一定的參考和借鑒，同時也可以充分發(fā)揮工程經(jīng)濟(jì)效益，縮短工期，確保轉(zhuǎn)體施工安全。

（3）對于京包鐵路分離式立交橋，在采用鋼箱梁組裝提高現(xiàn)澆段的施工進(jìn)度，運(yùn)用可視化智能同步轉(zhuǎn)體監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)等方面值得進(jìn)一步研究，也對豐富和發(fā)展轉(zhuǎn)體橋的設(shè)計理論和施工水平提供了參考。

［1］程 飛.我國橋梁轉(zhuǎn)體施工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與前景［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2011（6）：67－71.

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［3］袁定安.武咸城際鐵路連續(xù)梁跨武廣高速鐵路轉(zhuǎn)體施工技術(shù)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2012（4）：63－69.

［4］曲樹強(qiáng).鐵路客運(yùn)專線橋梁V形墩連續(xù)剛構(gòu)轉(zhuǎn)體施工技術(shù)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2009（4）：46－49.

［5］吳海軍，王 楨，張 雷.現(xiàn)澆分段長度對平轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋受力的影響［J］.重慶交通大學(xué)報，2012（6）：32－35.