跨石太客專小半徑曲線鋼箱梁轉(zhuǎn)體施工技術(shù)

夏生祥

摘 要：太原市北中環(huán)澗河立交工程SE匝道，因受地形條件限制，采用小半徑鋼箱梁轉(zhuǎn)體的方式跨越石太客專鐵路。鋼箱梁在場外加工，在現(xiàn)場臨時(shí)支架上拼裝，拼裝完成后轉(zhuǎn)體施工。轉(zhuǎn)體橋曲線半徑小，橫向偏心較大，為確保轉(zhuǎn)體施工安全，需按照偏心設(shè)計(jì)稱重配重來平衡橋梁橫向扭轉(zhuǎn)力矩。本文重點(diǎn)對(duì)工程概況、鋼箱梁拼裝安全性檢算，轉(zhuǎn)體施工控制要點(diǎn)、平衡偏心的稱重配重方案等方面進(jìn)行論述，供類似工程借鑒。

關(guān)鍵詞：小半徑;鋼箱梁;T構(gòu)轉(zhuǎn)體

中圖分類號(hào)：U445.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）13-0100-03

1 工程概況

該工程為太原市北中環(huán)澗河互通立交橋工程。SE匝道橋?yàn)榱⒔挥赡舷驏|通行的匝道，道路上跨鐵路四股道，從西往東依次分別為石太鐵路下行線、石太客運(yùn)專線上行線、石太客運(yùn)專線下行線和石太鐵路上行線。石太上下行鐵路等級(jí)為國鐵Ⅰ級(jí)，石太客專鐵路為客運(yùn)專線，四股道的線間距分別為5.32m、5.08m、5.31m。因上跨既有鐵路石太客專及石太線，為保證既有鐵路的行車安全，采用平面轉(zhuǎn)體法進(jìn)行施工，轉(zhuǎn)體角度為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)97°。

SE匝道轉(zhuǎn)體橋主墩位于鐵路西側(cè)，下部結(jié)構(gòu)主墩采用矩形墩，截面尺寸為4×5m，墩柱下接轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、承臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑1.5m，5根，長度為65m。承臺(tái)基坑深約7m，采用鉆孔樁及旋噴樁進(jìn)行全封閉防護(hù)，鉆孔樁樁徑1.2m，樁長15m，樁頂設(shè)冠梁;旋噴樁止水帷幕樁徑0.6m，間距0.4m，樁長14m，基坑內(nèi)設(shè)置橫撐。防護(hù)樁距鐵路中心最小距離為9.7m。

主橋上部結(jié)構(gòu)箱梁采用單箱雙室截面，轉(zhuǎn)體部分跨徑組合為42.5+42.496m，預(yù)留后拼裝段2.5m。T構(gòu)鋼箱梁底線形按二次拋物線變化，中間支點(diǎn)處梁高4.5m，邊支點(diǎn)梁高1.8m。箱梁頂板寬10m，采用直腹板;箱梁頂板厚16mm;底板厚度為16mm～60mm;中、邊腹板厚度為12～20mm。邊腹板的高差形成橋面橫坡。

本橋位于半徑R=55m的曲線上，縱橋向坡度為2.4%，橫橋向?yàn)槠露葹?%。由于橋梁存在橫向扭轉(zhuǎn)的力矩，為了平衡，轉(zhuǎn)體的中心與橋梁的結(jié)構(gòu)中心設(shè)有1.7m的偏心，確保轉(zhuǎn)體時(shí)結(jié)構(gòu)處于一個(gè)自平衡的狀態(tài)。此外為平衡扭轉(zhuǎn)力矩，上轉(zhuǎn)臺(tái)在外側(cè)加寬了1m作為配重。

2 施工難點(diǎn)

（1）曲線半徑小，受地形條件限制，SE匝道橋設(shè)計(jì)曲線半徑為R=55m，且為滿足鐵路限界要求，橋梁孔跨較大，梁部采用鋼箱梁。

（2）跨既有鐵路，需確保運(yùn)營安全。橋梁跨越的石太客專和石太鐵路運(yùn)營繁忙，需采取有效的措施盡可能做到對(duì)鐵路影響最小，確保施工及運(yùn)營安全。

（3）鋼箱梁需進(jìn)行現(xiàn)場拼裝。通過計(jì)算，鋼箱梁需在加工廠內(nèi)分成18個(gè)小拼裝段，運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進(jìn)行二次拼裝焊接成型，再進(jìn)行分段吊裝。

（4）橋梁偏心較大，由于該橋位于曲線上，橋梁橫向存在扭轉(zhuǎn)的力矩，在實(shí)施轉(zhuǎn)體前必須對(duì)其不平衡扭轉(zhuǎn)力矩設(shè)置配重來平衡。

3 鋼箱梁拼裝安全性檢算

鋼箱梁支架的安全性設(shè)計(jì)，主要考慮鋼箱梁在拼裝過程中保證支架正常的強(qiáng)度和變形，每組支架鋼立柱下分別有一個(gè)獨(dú)立混凝土基礎(chǔ)。鋼立柱采用Φ630mm鋼管柱，每組臨時(shí)支架設(shè)置4根，縱向采用法蘭螺栓進(jìn)行連接。柱間支撐采用直縫焊管，并用角鋼呈十字交叉狀加固。柱頂橫梁由兩根工字鋼拼接組成。根據(jù)安裝時(shí)的受力狀態(tài)，需進(jìn)行承載力、剛度、穩(wěn)定性的檢算。

3.1 建立計(jì)算模型

采用MIDAS程序進(jìn)行空間仿真模擬，支架布置采用梁單元模擬，同時(shí)由于上部鋼箱梁曲線半徑小（R=55m）對(duì)上部結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了計(jì)算，以求解傳遞給下部支架的反力;并驗(yàn)證結(jié)構(gòu)在未形成體系前不會(huì)出現(xiàn)側(cè)傾。下部支架計(jì)算時(shí)采取最不利的工況及最不利支架位置進(jìn)行計(jì)算加載。上部鋼箱梁模型示意圖，見圖1。

3.2 支架承載力計(jì)算

上部構(gòu)造計(jì)算鋼管樁反力最大651KN;

下部基礎(chǔ)2.3*2.3m矩形基礎(chǔ)自重為100KN，考慮荷載系數(shù)1.2;基礎(chǔ)底部的荷載為：651+100*1.2=771KN;

基礎(chǔ)底面積為2.3*2.3=5.29m2;

地基承載力為771/5.29=146KPa。

3.3 支架穩(wěn)定性計(jì)算，支架受力檢算（圖2）

最小臨界荷載系數(shù)8.03大于規(guī)范規(guī)定的5.0。鋼管樁穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

4 施工控制要點(diǎn)

4.1 施工順序

場地平整—管線改移、防護(hù)—止水帷幕及護(hù)樁施工—主墩樁基施工—基坑開挖—下承臺(tái)施工—轉(zhuǎn)體系統(tǒng)安裝—上承臺(tái)施工—轉(zhuǎn)體主墩施工—鋼箱梁拼裝—試轉(zhuǎn)—轉(zhuǎn)體施工—承臺(tái)固封—后拼段施工。

4.2 施工控制要點(diǎn)

4.2.1 鋼箱梁拼裝

由于施工場地狹窄，拼裝時(shí)為保證各段連接質(zhì)量及箱梁拼裝完畢后線型美觀，采用在加工廠分段加工，運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場整拼分吊的方式進(jìn)行拼裝及吊裝施工。拼裝順序?yàn)椋篈段整體→B段整體→C段整體，吊裝順序?yàn)椋篈-1→A-2→A-3，B-1→B-2，C-1→C-2，轉(zhuǎn)體后拼段。鋼梁分段平面示意見圖3。

（1）臨時(shí)支架制作。鋼箱梁拼裝時(shí)，設(shè)置臨時(shí)支架以確保鋼箱梁吊裝就位后的整體穩(wěn)定性，并提供拼裝相應(yīng)的作業(yè)平臺(tái)。臨時(shí)支架高度分別為1、2號(hào)支架為13.7m，3、5號(hào)支架為14.6m，4、6號(hào)支架為14.7m。支架管中心間距橫橋向4.6m，順橋向4m。支架結(jié)構(gòu)形式見圖4。

（2）臨時(shí)支架安裝。鋼梁轉(zhuǎn)體前現(xiàn)場共需6組支架，其中橫橋向兩鋼管柱中心間距4.6m，順橋向中心間距4m，分別設(shè)置在A-2/B-1段、B-1/B-2段接口處、B-2段南端、A-3/C-1段、C-1/C-2段接口處、C-2段北端。待整橋轉(zhuǎn)體就位后，在兩個(gè)邊墩附近設(shè)置兩組支架（用已拆除的前6組支架）用來安裝兩個(gè)后吊段。由于場地限制，先安裝1、2號(hào)支架，然后安裝3、4號(hào)支架，最后安裝5、6號(hào)支架。

支架安裝時(shí)采用50T吊車吊裝，最重臨時(shí)支架為4、6號(hào)支架約15T，吊裝時(shí)最不利工況為2、3#支架吊裝就位，距鐵路回流線最近距離為6.9m，距鐵路最近距離為9.9m。吊裝前對(duì)地面平整夯實(shí)并硬化處理。吊裝支架時(shí)，吊車應(yīng)避開易傾覆方向進(jìn)行施工，并設(shè)置專人進(jìn)行盯控防護(hù)，必須做到“一機(jī)一人”防護(hù)。保證鐵路行車安全。

（3）鋼箱梁吊裝。鋼箱梁在加工廠制作完成后，運(yùn)送至施工現(xiàn)場拼裝成吊裝段，按確定的吊裝順序進(jìn)行吊裝。將鋼箱梁分為7個(gè)吊裝段，采用2臺(tái)500T吊車進(jìn)行吊裝。由于臨近既有鐵路，嚴(yán)格按照太原鐵路局批復(fù)的吊裝方案，并采取足夠的安全措施后進(jìn)行施工。

4.2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)體系

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)體下盤、球鉸、上轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)動(dòng)牽引系統(tǒng)組成。施工順序?yàn)椋恨D(zhuǎn)體下盤施工→滑道、球鉸安裝→撐腳、砂箱及轉(zhuǎn)臺(tái)施工→上轉(zhuǎn)盤施工、預(yù)埋牽引索。

鋼球鉸是轉(zhuǎn)體施工的轉(zhuǎn)動(dòng)體系，是平轉(zhuǎn)法施工轉(zhuǎn)動(dòng)體系的核心和關(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。

4.2.3 轉(zhuǎn)體前稱重、配重

由于該橋位于曲線上，橋梁橫向存在扭轉(zhuǎn)的力矩，在實(shí)施轉(zhuǎn)體前必須對(duì)其不平衡扭轉(zhuǎn)力矩設(shè)置配重進(jìn)行平衡，以確保鋼箱梁穩(wěn)定安全進(jìn)行轉(zhuǎn)體。

（1）建模計(jì)算不平衡彎矩。墩中心線到轉(zhuǎn)盤中心的距離為1.7m;上轉(zhuǎn)盤重4400kN，上轉(zhuǎn)盤中心線到轉(zhuǎn)盤中心的距離為0.5m。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行了建模計(jì)算分析，分別得出了橋轉(zhuǎn)盤中心位置處的不平衡彎矩值：M不平衡=1200kN·m;（向曲線內(nèi)側(cè)）。橋梁MIDAS模型見圖5。

墩底內(nèi)力：FN=13300kN，M1=26000kN·m（向曲線內(nèi)側(cè)）

墩底豎向力產(chǎn)生的彎矩：

M2=FN·L=13300×1.7=22600kN·m（向曲線外側(cè)）

上轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生的彎矩：M3=4400×0.5=2200kN·m（向曲線外側(cè)）

M不平衡=M1-M2-M3=1200kN·m

以上不平衡彎矩采用有限元模型理論計(jì)算，由于施工后受結(jié)構(gòu)重量誤差以及轉(zhuǎn)盤球鉸摩阻力等多因素的影響，最終轉(zhuǎn)體前的實(shí)際不平衡扭矩需通過稱重試驗(yàn)確定。

（2）配重設(shè)置方案。由于本橋位于小半徑曲線上，橋梁存在橫向扭轉(zhuǎn)力矩，且不平衡彎矩使得T構(gòu)整體具有向曲線內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，為了平衡這一力矩所以在正式轉(zhuǎn)體前需進(jìn)行配重。為獲得最大的配重效率，并考慮到安全因素，配重壓力設(shè)置在上轉(zhuǎn)盤配重臺(tái)。通過理論計(jì)算，需在配重臺(tái)4.8m2范圍內(nèi)設(shè)置50kN/m2的均布力，共計(jì)24噸。

（3）轉(zhuǎn)體前的稱重試驗(yàn)方案。稱重試驗(yàn)采用“剛體位移突變”的方法進(jìn)行測試。在轉(zhuǎn)盤內(nèi)側(cè)頂起T構(gòu)時(shí)，整個(gè)T構(gòu)由于受結(jié)構(gòu)不平衡扭矩作用將發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，通過位移測量裝置（百分表）來確定對(duì)應(yīng)的起頂力，即確定出實(shí)際結(jié)構(gòu)的不平衡力大小。

全部支架與梁體完全脫架后開始稱重;稱重前需對(duì)脫架前后的梁體變形和應(yīng)力進(jìn)行測量;根據(jù)上轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸及理論不平衡力的大小，確定稱重千斤頂設(shè)置在上轉(zhuǎn)盤的滑道位置處進(jìn)行稱重，采用兩臺(tái)350t的千斤頂可滿足起頂要求。在起頂千斤頂處設(shè)置壓力傳感器，對(duì)實(shí)際頂升力的大小進(jìn)行跟蹤測試。本試驗(yàn)需壓力傳感器兩個(gè)（量程200t）。頂升過程嚴(yán)格按照分級(jí)加載進(jìn)行，根據(jù)理論起頂力的20%開始，按照10%的級(jí)差加載直至T構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)為止。

（4）轉(zhuǎn)體前配重。當(dāng)主梁完成全部懸臂階段施工，相應(yīng)部位橋面防撞護(hù)欄已施工完成，橋面荷載及雜物全部清理干凈;根據(jù)稱重試驗(yàn)確定最終需要施加的配重量，完成配重塊的施加。由于梁結(jié)構(gòu)的特殊性，因此配重由兩部分組成：第一部分橫向配重經(jīng)理論計(jì)算后設(shè)置在墩臺(tái)上，另一部分是稱重后用預(yù)制好的混凝土配重塊在梁頂進(jìn)行配重。

4.2.4 轉(zhuǎn)體施工

（1）轉(zhuǎn)體施工準(zhǔn)備。 轉(zhuǎn)體前要拆除砂箱，進(jìn)行清理滑道，在撐腳底與滑道頂?shù)拈g隙中墊5mm厚四氟乙烯板，并涂抹黃油。轉(zhuǎn)體設(shè)備安裝就位并進(jìn)行測試和空載試運(yùn)行，安裝牽引索。全面檢查轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵受力部位。

（2）試轉(zhuǎn)。正式轉(zhuǎn)體前，進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體試運(yùn)轉(zhuǎn)，以確定牽引動(dòng)力系統(tǒng)及轉(zhuǎn)體體系、位控體系、防傾保險(xiǎn)體系等是否狀態(tài)良好。通過試轉(zhuǎn)主要取得以下數(shù)據(jù)：一是每分鐘轉(zhuǎn)速;二是每次點(diǎn)動(dòng)后產(chǎn)生的水平弧線距離為精確定位提供依據(jù);三是轉(zhuǎn)體角速度控制。本工程根據(jù)轉(zhuǎn)體橋和鐵路線的位置關(guān)系，為確保安全，確定試轉(zhuǎn)時(shí)的橫向轉(zhuǎn)動(dòng)距離為8.8m，試轉(zhuǎn)角度為12°。

（3）正式轉(zhuǎn)體。轉(zhuǎn)體主要參數(shù)見表1。

轉(zhuǎn)體前要成立轉(zhuǎn)體的指揮體系統(tǒng)一指揮，按照太原鐵路局批準(zhǔn)的封鎖點(diǎn)做好對(duì)營業(yè)線的現(xiàn)場防護(hù)。轉(zhuǎn)體中監(jiān)控人員加強(qiáng)對(duì)設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行觀察，保持勻速旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)5°向指揮人員匯報(bào)一次，接近設(shè)計(jì)位置時(shí)，改為點(diǎn)動(dòng)操作，確保精確就位。并立即鎖定上下轉(zhuǎn)盤，進(jìn)行封盤混凝土澆筑施工，對(duì)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行固封。

4.2.5 后拼段施工

轉(zhuǎn)體完成后，進(jìn)行兩端2.5m的后拼段吊裝。后拼段支架在轉(zhuǎn)體前進(jìn)行搭設(shè)安裝，T3邊墩處因場地限制采用三角形支架。由于支架距鐵路回流線較近，支架安裝時(shí)需將支架處前后20m范圍內(nèi)回流線進(jìn)行外包絕緣皮處理并向鐵路部門要封鎖點(diǎn)，在吊裝過程中嚴(yán)格“一機(jī)一人”的安全防護(hù)制度，保證行車安全。

本工程的順利實(shí)施表明，采用小半徑鋼箱梁T構(gòu)轉(zhuǎn)體的方式可成功跨越既有的鐵路、公路。對(duì)鐵路或公路的運(yùn)輸干擾小，安全可靠，為受各種條件限制的類似城市改造工程，提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

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