跨茂湛鐵路T形剛構(gòu)橋轉(zhuǎn)體設(shè)計(jì)與分析

張 通 趙 磊

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院，河南鄭州 450001；2.中交第四公路工程局有限公司，北京 100025)

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跨茂湛鐵路T形剛構(gòu)橋轉(zhuǎn)體設(shè)計(jì)與分析

張 通1趙 磊2

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院，河南鄭州 450001；2.中交第四公路工程局有限公司，北京 100025)

云湛高速公路上跨茂湛鐵路主橋采用雙幅同步轉(zhuǎn)體施工(2-75) m掛籃懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土T形剛構(gòu)。對(duì)該橋主體結(jié)構(gòu)、平行轉(zhuǎn)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算分析，為同類橋梁的設(shè)計(jì)提供參考。

鐵路客運(yùn)專線 轉(zhuǎn)體施工 T形剛構(gòu) 設(shè)計(jì)

1 工程概況

汕(頭)湛(江)高速公路云浮至湛江段跨越茂湛鐵路，跨越處位于吳川市塘綴鎮(zhèn)附近，公路里程為K252+620.78，鐵路里程為K51+116.59，公路與鐵路中線交角為83.6°，平曲線半徑R=7 000 m，跨線橋梁上部結(jié)構(gòu)采用(2-75) m掛籃懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土T形剛構(gòu)。主橋平面布置見圖1。標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為雙向六車道，左右兩幅，標(biāo)準(zhǔn)段單幅橋?qū)?8.7 m，中央分隔帶0.8 m，全寬38.2 m。依據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10621—2014)7.7.2.第8條“上跨高速鐵路的公路橋應(yīng)設(shè)置防落物網(wǎng)和防護(hù)墻，當(dāng)防災(zāi)專業(yè)在公路橋上設(shè)置墜落物監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置時(shí)，應(yīng)在公路橋上預(yù)留相應(yīng)條件”[2]。為滿足此規(guī)定，故跨鐵路部分單幅橋加寬至19.7 m，中央分隔帶0.8 m，全寬40.2 m，橋面布置見圖2。加寬段范圍35.5 m。主橋下部結(jié)構(gòu)采用矩形空心橋墩，鉆孔樁基礎(chǔ)[1]。

圖1 主橋平面布置(單位：cm)

圖2 主橋橋面布置(單位：cm)

茂湛鐵路為雙線客貨共線鐵路，設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值為200 km/h，預(yù)留250 km/h平面及限界條件。目前鐵路的電氣化設(shè)備尚未安裝，鐵路運(yùn)營(yíng)臨時(shí)采用內(nèi)燃牽引。交叉處茂湛鐵路為塘綴河特大橋，該鐵路橋?yàn)?1-32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁橋，圓端形實(shí)體橋墩，鉆孔樁基礎(chǔ)。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)設(shè)計(jì)荷載：公路Ⅰ級(jí)荷載的1.3倍；

(2)道路等級(jí)：高速公路，雙向六車道，設(shè)計(jì)行車速度120 km/h；

(3)跨鐵路凈空標(biāo)準(zhǔn)：≥8.2 m；

(4)材料自重:混凝土自重取26 kN/m3，普通鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼束等鋼材自重78 kN/m3；

(5)地震動(dòng)峰值加速度系數(shù)0.10 g，按地震烈度Ⅶ度設(shè)防；

(6)橋墩不均勻沉降：主墩按15 mm計(jì)算，過(guò)渡墩按5 mm計(jì)算；

(7)全橋梯度溫度：按照規(guī)范要求，取11 cm厚瀝青鋪裝；

(8)全橋整體升溫25 ℃，整體降溫25 ℃。

3 主橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 上部結(jié)構(gòu)

上部結(jié)構(gòu)采用單箱雙室直腹板箱形截面，中支點(diǎn)中心梁高6.5 m，端部中心梁高2.6 m，梁底線形按二次拋物線變化，端部等高段長(zhǎng)11.92 m。標(biāo)準(zhǔn)段箱梁頂板寬18.7 m，底板寬度11.5 m，箱梁兩側(cè)懸臂板長(zhǎng)分別為3.5 m、3.7 m?？玷F路處橋面局部加寬段箱梁頂板寬19.7 m，底板寬度11.5 m，內(nèi)側(cè)懸臂板長(zhǎng)3.5 m，外側(cè)懸臂板長(zhǎng)4.7 m。

3.2 下部結(jié)構(gòu)

主橋橋墩采用矩形空心墩，墩頂縱橫向尺寸為6.0 m×11.5 m；墩底縱橫向尺寸為6.0 m×7.5 m；橫橋向過(guò)渡半徑為856.3 m，過(guò)渡高度為5.5 m，以下采用直坡。空心墩壁厚1.5 m。墩頂、墩底各有2 m實(shí)心段。左幅(62號(hào))主橋墩高11 m，右幅(60號(hào))橋墩高10 m。

4 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

根據(jù)公路橋涵相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。箱梁混凝土強(qiáng)度為C55，按部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件設(shè)計(jì)。波紋管管道摩阻系數(shù)：μ=0.15，k=0.001 5。

4.1 計(jì)算模型

利用有限元計(jì)算軟件“橋梁博士”v3.5.0，模型采用平面桿系單元，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)在各個(gè)施工階段進(jìn)行分析，將箱梁結(jié)構(gòu)縱橋向劃分為61個(gè)單元，63個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算模型見圖3。

計(jì)算得到結(jié)構(gòu)在施工階段(短暫狀況下)截面應(yīng)力、承載能力極限狀態(tài)下截面內(nèi)力和抗力，正常使用極限狀態(tài)下截面應(yīng)力和撓度。

圖3 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

4.2 箱梁計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)在使用階段(包括承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài))的計(jì)算結(jié)果見表1、表2。

表1 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

表2 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

5 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)受力分析及計(jì)算

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)由上轉(zhuǎn)盤、球鉸、下轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)體牽引系統(tǒng)等組成。

上轉(zhuǎn)盤是轉(zhuǎn)體時(shí)的重要結(jié)構(gòu)，在整個(gè)轉(zhuǎn)體過(guò)程中是一個(gè)多向、立體的受力狀態(tài)，受力較復(fù)雜，設(shè)計(jì)采用三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。上轉(zhuǎn)盤長(zhǎng)10 m，寬10 m，高2 m。轉(zhuǎn)臺(tái)直徑9 m，高0.8 m。轉(zhuǎn)臺(tái)是球鉸、撐腳與上轉(zhuǎn)盤相連接的部分，又是轉(zhuǎn)體牽引索直接施加的部位。

下轉(zhuǎn)盤為支撐轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)全部重量的基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)體完成后，與上轉(zhuǎn)盤共同形成基礎(chǔ)。下轉(zhuǎn)盤采用C40混凝土。下轉(zhuǎn)盤上設(shè)有轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的下球鉸、直徑8 m的環(huán)形下滑道及8組千斤頂反力座，見圖4、圖5。

圖4 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)立面(單位：cm)

圖5 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平面(單位：cm)

上轉(zhuǎn)盤球鉸直徑5.1 m，下轉(zhuǎn)盤球鉸直徑3.4 m，厚度均為40 mm。球鉸是平動(dòng)法施工的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，而轉(zhuǎn)動(dòng)球鉸是轉(zhuǎn)體施工的核心，是轉(zhuǎn)體施工的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，制作及安裝精度要求很高，必須精心制作，精心安裝。

5.1 球鉸計(jì)算

因本橋在鐵路范圍內(nèi)截面外側(cè)加寬1 m，致使結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)體前產(chǎn)生縱、橫向不平衡彎矩，需增加配重，使T構(gòu)兩側(cè)平衡，然后再進(jìn)行轉(zhuǎn)體施工。本橋設(shè)計(jì)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)體系的中心與結(jié)構(gòu)中心完全重合，轉(zhuǎn)動(dòng)體系處于完全平衡狀態(tài)。因風(fēng)荷載具有不確定性，假設(shè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體過(guò)程中由于風(fēng)荷載作用產(chǎn)生傾斜時(shí)，結(jié)構(gòu)的豎向荷載由球鉸與撐腳共同承擔(dān)。由此可知，球鉸設(shè)計(jì)時(shí)，不考慮水平向的風(fēng)荷載，球鉸設(shè)計(jì)直徑按105 000 kN豎向承載力設(shè)計(jì)。

球鉸的設(shè)計(jì)直徑為

式中D——球鉸平面直徑；

N——球鉸的設(shè)計(jì)豎向承載力；

K——球鉸接觸面積折減系數(shù)，取0.65；

[fck]——球鉸下混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

經(jīng)計(jì)算，D=2.77 m，設(shè)計(jì)取3.4 m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果知，球鉸選用105 000 kN轉(zhuǎn)體球鉸，球鉸平面直徑3.4 m，設(shè)計(jì)最大靜摩阻系數(shù)為0.1，最大動(dòng)摩阻系數(shù)為0.06。

5.2 撐腳的承載力計(jì)算[5]

撐腳承載力計(jì)算時(shí)，考慮以下兩種最不利因素：

(1)梁部考慮3%的施工誤差，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自重不平衡彎矩。計(jì)算時(shí)從梁部0號(hào)塊中心位置起到轉(zhuǎn)體一側(cè)最大懸臂處自重按設(shè)計(jì)理論重量增加3%，另一側(cè)自重減少3%，通過(guò)調(diào)整兩側(cè)的容重r值實(shí)現(xiàn)。

(2)考慮主體箱梁在風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的縱向不平衡彎矩，按照取最不利情況計(jì)算，一側(cè)懸臂端部按風(fēng)壓強(qiáng)度50%加載，另外一側(cè)懸臂端部按風(fēng)壓強(qiáng)度100%加載。

(3)橋墩在風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的縱向不平衡彎矩。

綜合上述三種不利因素，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)縱向承受最大不平衡彎矩為21 593.82 kN·m。撐腳承受壓力為21 593.82/5=4 318.76 kN。

撐腳按照鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，鋼管直徑800 mm，鋼管壁厚24 mm，鋼管截面積Aa=0.124 2 m2，鋼管抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fa=300 MPa，鋼管內(nèi)填充C50混凝土，截面積Ac=1.004 8 m2，混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=23.1 MPa。

撐腳(鋼管混凝土柱)的軸向受壓承載力設(shè)計(jì)值Nu=φ1φeN0，撐腳上端與上轉(zhuǎn)盤連接處按固結(jié)考慮，撐腳下端按自由考慮，撐腳長(zhǎng)度為0.99m，故Le=μkL=2×1×0.99=1.98m。Le/D=1.98/0.99=2.0<4，φ1=1.0；按軸心受壓考慮，φe=1.0。

Nu=8.09×104kN>4 318.76kN，撐腳豎向承載力滿足要求。

5.3 上轉(zhuǎn)盤計(jì)算[5]

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)盤的受力較復(fù)雜，設(shè)計(jì)采用三向預(yù)應(yīng)力體系，縱橋向、橫橋向上下緣均配置標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860MPa高強(qiáng)度低松弛17-φs15.2鋼絞線，錨下控制應(yīng)力1 339.2MPa(<0.75fpk)；豎向預(yù)應(yīng)力筋為φ32mm精軋螺紋鋼筋，錨下控制應(yīng)力675MPa(<0.9fpk)。

上轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，簡(jiǎn)化為球鉸中心支撐、撐腳支撐的簡(jiǎn)支外伸梁結(jié)構(gòu)，按平面桿系結(jié)構(gòu)計(jì)算，在不平衡彎矩作用下，上轉(zhuǎn)盤上緣最大應(yīng)力為9.65MPa(壓應(yīng)力)，上轉(zhuǎn)盤下緣最小應(yīng)力為3.1MPa(壓應(yīng)力)，上轉(zhuǎn)盤上下緣應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

5.4 四氟乙烯滑片計(jì)算

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)下球鉸內(nèi)球面鑲嵌584個(gè)四氟乙烯滑片，豎向力值為105 000kN，單個(gè)滑片的直徑為6cm，設(shè)計(jì)時(shí)考慮滑片承壓偏載系數(shù)為1.4，計(jì)算得到單個(gè)滑片的應(yīng)力為89.1MPa，小于四氟乙烯滑片的允許應(yīng)力值100MPa。

5.5 牽引力計(jì)算[6]

(1)平衡狀態(tài)下牽引力計(jì)算

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)在平衡狀態(tài)下，球鉸承受轉(zhuǎn)體系統(tǒng)全部重量，牽引力按以下公式計(jì)算

T=2/3×(R·W·μ)/D

式中 R——球鉸平面半徑，R=1.7m；

W——轉(zhuǎn)體總重量，W=105 000kN；

D——轉(zhuǎn)臺(tái)直徑，D=9m；

μ——球鉸摩擦系數(shù)，μ靜=0.1。

計(jì)算得到：轉(zhuǎn)體系統(tǒng)在完全平衡狀態(tài)下，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)克服靜摩阻力啟動(dòng)力為1 322kN。

(2)不平衡狀態(tài)下牽引力計(jì)算

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，因混凝土超方、施工機(jī)具堆放、人群荷載、風(fēng)荷載等因素，造成結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，往往處于不平衡狀態(tài)。此時(shí)，牽引力等于球鉸摩擦力、撐腳摩擦力之和。

撐腳摩阻力Tc=(Rc·Wc·μc)/D，其中，Rc=5m，Wc=4 318.76kN，μc=0.1。

計(jì)算得到啟動(dòng)牽引力為1 507.77kN(球鉸摩阻力為1 267.84kN、撐腳摩阻力為239.93kN)。牽引鋼束采用19-φs15.2鋼絞線，能夠提供的牽引力為4 807kN，牽引系統(tǒng)滿足要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)交通建設(shè)的快速發(fā)展，新建橋梁上跨既有鐵路的機(jī)會(huì)越來(lái)越多，采用轉(zhuǎn)體施工方法減少了鐵路“要點(diǎn)”次數(shù)，減輕了對(duì)既有鐵路的行車干擾，降低了結(jié)構(gòu)施工的安全風(fēng)險(xiǎn)，縮短了施工工期。采用此類方法施工，具有一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

[1] 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司.茂湛鐵路跨線橋茂湛鐵路跨線橋(主橋部分)施工圖設(shè)計(jì)[R].北京：中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，2015

[2] 國(guó)家鐵路局.TB10621—2014高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵路出版社，2014

[3] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTGD60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004．

[4] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTGD62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出社，2004

[5] 趙玲.南河川渭河特大橋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算分析[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2014(4)：33-36

[6] 延力強(qiáng).小曲線半徑T形剛構(gòu)轉(zhuǎn)體設(shè)計(jì)[J].鐵道勘察，2014(1)：78-81

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Design and Analysis of Swiveling Construction of T Type Rigid Frame Bridge Straddling the Maoming-Zhanjiang Railway

ZHANG Tong1ZHAO Lei2

2016-08-15

張 通(1982—)，男，2010年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

1672-7479(2016)06-0106-04

U448.23+1； U445.465

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