淺談大噸位曲線轉(zhuǎn)體橋梁設(shè)計

■林信武

（海峽（福建）交通工程設(shè)計有限公司，福州 350004）

0 引言

近幾年我國高速鐵路快速發(fā)展，目前鐵路網(wǎng)已基本形成，隨著城市不斷的擴張，城市路網(wǎng)與鐵路網(wǎng)交叉的現(xiàn)象越來越多，為保證鐵路運輸安全，提高鐵路運輸效率，同時又不影響市政道路的正常建設(shè)，交叉節(jié)點的設(shè)計顯得格外重要。根據(jù)鐵路總公司的發(fā)文，在已建成的高速鐵路（含客運專線，城際鐵路）、新建設(shè)計時速200km鐵路及相關(guān)聯(lián)絡(luò)線、動車走行線的無咋軌道區(qū)段路基和有可能破壞地基加固效果的有咋軌道區(qū)段路基及各種過渡段，禁止框架頂進下穿；確須修建公路上跨鐵路立交橋時，應(yīng)采用上跨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體施工方案。

橋梁轉(zhuǎn)體施工是上世紀40年代以后發(fā)展起來的一種架橋工藝，因為它施工快速安全、不中斷通車等特點，在我國公鐵交叉中被廣泛采用，目前已建成200多座。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動方向，它可分為豎向轉(zhuǎn)體施工法、水平轉(zhuǎn)體施工法（簡稱豎轉(zhuǎn)法和平轉(zhuǎn)法）以及平轉(zhuǎn)與豎轉(zhuǎn)相結(jié)合的方法，其中以平轉(zhuǎn)法應(yīng)用最多，而平轉(zhuǎn)施工的連續(xù)梁橋通常為直線對稱結(jié)構(gòu)。福清市清繁大道跨杭深線立交橋平面位于半徑2500m的圓曲線上，本文對該橋的設(shè)計、計算進行了詳細的介紹說明。

1 工程概況

福清市清繁大道是連接沈海高速公路與長福高速公路的重要交通樞紐，而上跨杭深線立交橋是清繁大道的重要節(jié)點。本工程橋梁分左右幅上跨杭深線（交叉處鐵路樁號 K911+332，K911+370），交叉角度分別為 61°、60°，其中左線橋長581m，右線橋長552m，跨鐵半徑2500m?？缭教庤F路為杭深線標準路基段，雙線，為國鐵Ⅰ級雙線電氣化鐵路干線，為盡量減小對杭深線影響，經(jīng)過多種橋梁

方案的比較，最后選用2-85mT構(gòu)，轉(zhuǎn)體施工工藝。

2 結(jié)構(gòu)概況

清繁大道跨既有杭深線梁為85+85（m）兩跨T型剛構(gòu)，橋?qū)?18.95m，轉(zhuǎn)體長度為73.5+73.5（m），兩側(cè)邊支點現(xiàn)澆段為8.5m，合攏段長2.92m，球鉸噸位約15000t，采用水平轉(zhuǎn)體施工法。

上部結(jié)構(gòu)為變高連續(xù)箱梁，梁體各控制截面梁高分別為：邊跨直線段截面最低點處梁高為3.4m，中支點梁高為8.7m，梁底按1.6次拋物線變化；箱梁頂寬18.95m，根部底寬7.71m。箱梁橫截面為單箱雙室斜腹板截面。頂板厚 28cm，腹板厚分別為 45cm、65cm、80cm、100cm，底板厚由跨中的30cm按1.6次拋物線變化至中支點梁根部的140m，中支點處局部加厚到170cm；全橋共設(shè)4道橫隔梁，分別是中支點處2道、端支點處各1道。中支點處設(shè)置厚0.8m的橫隔梁，邊支點處設(shè)置厚1.5m的端隔梁，隔板設(shè)有孔洞，供檢查人員通過。

3 轉(zhuǎn)體橋設(shè)計要點

3.1 上部結(jié)構(gòu)

（1）設(shè)計荷載的選取

根據(jù) 《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB10621-2014）7.6節(jié)規(guī)定跨線橋及其相鄰兩跨的汽車設(shè)計荷載采用相應(yīng)標準設(shè)計荷載的1.3倍。因此跨鐵橋梁的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計要比常規(guī)公路橋梁更加嚴格，本工程采用大型有限元軟件midas civil建模分析，經(jīng)過檢算比較，本工程中最終支點梁高與跨徑的比值確定為1/9.77，邊支點梁高與跨徑的比值確定為1/25，結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)及正常施工極限狀態(tài)下均滿足規(guī)范要求。

（2）截面尺寸的設(shè)計

圖1 橋梁立面布置圖

圖2 橋梁平面布置圖

根據(jù)相關(guān)資料，在按規(guī)范設(shè)置橋梁護欄的情況下，即使是最高的SS防撞等級，車輛也仍有可能越出護欄，因此《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB10621-2014）要求須加強防撞護欄設(shè)計。結(jié)合本工程實際情況設(shè)置兩級防撞系統(tǒng)，第一道防護欄經(jīng)受沖逸車輛的首次碰撞，消耗其大部分或一部分能量，第二道防護欄經(jīng)受沖逸車輛的第二次碰撞，消耗其全部能量，阻止車輛和物品墜入橋下高鐵線路的可能性，保證高鐵運營的安全。

根據(jù)公路規(guī)范條文說明及相關(guān)研究成果，車輛在撞擊護欄后，一般情況沿護欄向前滑動或向左（向內(nèi)）側(cè)翻，同時還有越過護欄、向右（向外）可能性。當超載、超速貨運汽車與第一道防撞護欄發(fā)生碰撞后，由于劇烈的撞擊，車上的物品有可能往橋外散落，貨車也有向外（向右）側(cè)翻可能，考慮散落的物品或側(cè)翻的貨車仍留在橋面上，不至于跌下鐵路，因此兩道護欄間應(yīng)有一定的距離。根據(jù)我國車輛外輪廓尺寸，兩道護欄間距至少為1.5m，還需在外側(cè)防撞護欄頂上設(shè)置高防拋網(wǎng)。

3.2 轉(zhuǎn)動體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)主要由下幾個部分組成下轉(zhuǎn)盤、球鉸、上轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)體牽引系統(tǒng)等組成。

（1）下轉(zhuǎn)盤

圖3 標準橫斷面圖

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、環(huán)形下滑道及千斤頂反力座。

（2）球鉸的制造與安裝

球鉸由上下兩塊剛質(zhì)球面板組成，上面板為凸面，通過圓錐臺與上部的牽轉(zhuǎn)盤連接，上轉(zhuǎn)盤就位于牽轉(zhuǎn)盤上；下面板為為凹面，嵌固于下轉(zhuǎn)盤頂面。上、下面板均為40mm厚鋼板壓制而成的球面。球鉸噸位約15000t。

（3）上轉(zhuǎn)盤

上轉(zhuǎn)盤與橋墩連接，當混凝土達到設(shè)計強度后，進行整個轉(zhuǎn)體系統(tǒng)支承體系的轉(zhuǎn)換，使轉(zhuǎn)臺支承于球鉸上。

3.3 轉(zhuǎn)體球鉸偏心設(shè)計

本橋位于半徑2500m的圓曲線半徑上，轉(zhuǎn)體跨度大，橋梁寬度大，與鐵路斜交，主梁重心與橋墩中心偏離，因此如何保證轉(zhuǎn)體時結(jié)構(gòu)的平衡，是球鉸設(shè)計的重點，本次設(shè)計主要通過球鉸預(yù)偏心的方法，保持轉(zhuǎn)體時結(jié)構(gòu)的平衡。

本工程采用大型有限元軟件midas civil建立全橋模型，計算分析得出正常使用極限包絡(luò)狀態(tài)下兩肢橋墩中心處墩底合力N=140420kN,橫橋向彎矩M=54100kN·m，球鉸中心相對橋墩中心向曲線內(nèi)側(cè)橫橋向偏心距e=M/N=0.385m。

圖4 全橋計算模型

3.4 轉(zhuǎn)體牽引力設(shè)計

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50-2011）中15.5.3轉(zhuǎn)體的牽引力計算：

式中：T——牽引力（kN）；

G——轉(zhuǎn)體總重力（kN）；

R——鉸柱半徑（m）；

D——牽引力偶臂（m）；

f——摩擦系數(shù)。

根據(jù)計算得啟動時所需要的牽引力為T=7863kN；轉(zhuǎn)動時所需要的牽引力T=5897kN。

3.5 球鉸計算分析

采用fea建立實體模型，并做適當簡化。

按兩種工況建立模型：①轉(zhuǎn)體時的實際工況，上、下轉(zhuǎn)盤通過球鉸傳力，上、下轉(zhuǎn)盤建立豎向受壓剛性連接；②臨時支撐未拆除前的極端工況，球鉸脫空，完全不受力，全部荷載由沙箱等臨時支撐傳遞給下轉(zhuǎn)盤。

截取部分計算結(jié)果如下：

圖5 下轉(zhuǎn)盤主拉應(yīng)力

圖6 上轉(zhuǎn)盤底主拉應(yīng)力

從應(yīng)力分析結(jié)果來看，上下轉(zhuǎn)盤正應(yīng)力、主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

4 總結(jié)

清繁大道跨既有杭深線橋，不同于一般的市政橋梁，其橋梁設(shè)計需要根據(jù)鐵路規(guī)范進行專門的特殊設(shè)計，還應(yīng)根據(jù)線路及地形實際進行方案比選。本工程通過轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)偏心，有效解決了大曲線半徑大跨度橋梁轉(zhuǎn)體施工時的平衡和穩(wěn)定性問題，降低了施工風(fēng)險，在設(shè)計過程中，總結(jié)以下幾點經(jīng)驗：

（1）在已建成的高速鐵路修建公路上跨鐵路立交橋時，應(yīng)采用上跨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體施工方案。

（2）跨線橋及其相鄰兩跨的汽車設(shè)計荷載采用相應(yīng)標準設(shè)計荷載的1.3倍。

（3）跨線橋橋面應(yīng)考慮兩道防護，阻止車輛和物品墜入橋下高鐵線路的可能性，保證高鐵運營的安全。

（4）大曲線半徑大跨度橋梁，應(yīng)通過預(yù)設(shè)偏心有效平衡結(jié)構(gòu)自重偏心和扭轉(zhuǎn)。

[1]TB10621-2014，高速鐵路設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2014.

[2]JTG/T F50-2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[3]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4]袁娜,周志亮.大跨小曲線半徑轉(zhuǎn)體橋轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計要點[J].都市快軌交通,2014（1）:99-103.

[5]張聯(lián)燕.橋梁轉(zhuǎn)體施工[M].北京：人民交通出版社.

[6]陳寧，韓占春.大噸位單鉸雙幅同步轉(zhuǎn)體施工綜述[J].天津建設(shè)科技，2009（1）:25-28.