(72+128+72)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁平面轉(zhuǎn)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

王偉男

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

1 工程概況

京雄城際鐵路固安特大橋在DK54+894.5～DK55+168.5處(26～29#墩)采用(72+128+72) m連續(xù)梁跨越廊涿高速公路，公路與京雄鐵路交叉角度為45°，立交凈空要求為50 m×5.5 m(凈寬×凈高)。京雄鐵路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為正線雙線，線間距為5 m,設(shè)計(jì)速度為350 km/h,設(shè)計(jì)活載為ZK活載,最大坡度6‰。為減少施工過程對(duì)公路通行、安全的影響，對(duì)該段 “樁基礎(chǔ)+圓端形實(shí)體橋墩+變截面單箱單室連續(xù)箱梁”結(jié)構(gòu)按A0-A1-A3-A2的順序分節(jié)段在廊涿高速公路兩側(cè)支架現(xiàn)澆完成后，采用針對(duì)該橋研發(fā)的“下滑道連續(xù)牽引不平衡轉(zhuǎn)體法”工藝[1]，雙向并行逆時(shí)針轉(zhuǎn)體40°完成梁體合龍，總體布置如圖1所示。該工程特點(diǎn)和面臨的主要問題如下：

(1)為節(jié)約工期，采用邊跨合龍后再進(jìn)行平面轉(zhuǎn)體，就位后安裝主墩支座，澆筑中跨合龍段，完成全橋連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。

(2)主跨跨越廊涿高速公路，臨近北京，車流量大，交通管制難度大，施工過程安全風(fēng)險(xiǎn)高。

(3)本段地層為第四系全新統(tǒng)人工堆積層(Q4ml)、第四系全新統(tǒng)沖積層(Q4al)和上更新統(tǒng)沖積層(Q3al)，以黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂為主，承載能力差。

圖1 總體布置

轉(zhuǎn)體總重為82 000 kN，必須選擇合適的轉(zhuǎn)體方案以保證施工質(zhì)量、安全和進(jìn)度。

2 轉(zhuǎn)體方案

轉(zhuǎn)體梁段長度長、重量大、平衡重量，其梁段支撐集中荷載達(dá)7 000 kN，不適用平衡配重轉(zhuǎn)體方案[2]。既有的不平衡轉(zhuǎn)體方案多采用上環(huán)道墩頂轉(zhuǎn)體方式，利用預(yù)埋在上環(huán)道上的一系列千斤頂反力座，分多次將轉(zhuǎn)體梁沿環(huán)道頂推就位。但當(dāng)轉(zhuǎn)體走行距離較長時(shí)，上環(huán)道施工工序復(fù)雜、工期長、成本高，且轉(zhuǎn)體過程中操作繁瑣，轉(zhuǎn)體時(shí)間過長,有必要研發(fā)新的轉(zhuǎn)體方式以適應(yīng)項(xiàng)目實(shí)際，提出了新的平面轉(zhuǎn)體系統(tǒng)——下滑道連續(xù)牽引不平衡轉(zhuǎn)體體系[3]。

下滑道連續(xù)牽引轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)置在臨時(shí)支點(diǎn)處，連續(xù)牽引轉(zhuǎn)體系統(tǒng)由臨時(shí)支撐、導(dǎo)向系統(tǒng)、下滑道和連續(xù)牽引系統(tǒng)組成。在距梁端支承中心線3.828 m處設(shè)置2根外徑1.6 m的鋼管柱作為臨時(shí)支撐，其內(nèi)部灌注混凝土，頂端采用?32 mm精軋螺紋鋼與梁體固結(jié)，臨時(shí)支撐柱底焊接走行板、安設(shè)四氟乙烯板，支撐于下滑道頂面；滑道由CFG樁基、扇形滑道、牽引反力座及導(dǎo)向裝置組成；牽引動(dòng)力由200 t連續(xù)牽引千斤頂、液壓泵站、主控臺(tái)及高壓油管組成。CFG樁基及扇形滑道布置如圖2所示，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)布置如圖3所示。

圖2 滑道平面布置(單位：mm)

圖3 牽引體系三維效果圖

轉(zhuǎn)體的基本原理是利用設(shè)置的鋼管混凝土臨時(shí)支撐和橋墩墩頂?shù)那蜚q構(gòu)成的支撐體系待轉(zhuǎn)體梁段，通過牽引系統(tǒng)牽引臨時(shí)支撐帶動(dòng)梁體在導(dǎo)向系統(tǒng)的引導(dǎo)下，沿滑道繞墩頂球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使梁體轉(zhuǎn)動(dòng)到位。采用下滑道連續(xù)牽引不平衡轉(zhuǎn)體法有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)牽引，避免了上環(huán)道頂推轉(zhuǎn)體時(shí)反復(fù)啟動(dòng)停止對(duì)結(jié)構(gòu)造成傷害的風(fēng)險(xiǎn)；節(jié)省了轉(zhuǎn)體作業(yè)時(shí)間，減少了轉(zhuǎn)體施工中橋下高速公路交通管控難度。

(2)實(shí)現(xiàn)了滑道施工和應(yīng)用的地面作業(yè)，簡(jiǎn)化了施工工藝，改善了作業(yè)環(huán)境，在降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，節(jié)省了工程造價(jià)。

(3)取消了上滑道梁結(jié)構(gòu)的施工，降低了建設(shè)成本，壓縮了建設(shè)工期。

為使轉(zhuǎn)體梁沿滑道平穩(wěn)移動(dòng)，牽引點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在臨時(shí)支撐上下兩端摩擦力的合力處，以保證轉(zhuǎn)體過程中臨時(shí)支撐的穩(wěn)定及走板與滑道接觸應(yīng)力均勻分布。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 球鉸

本橋轉(zhuǎn)動(dòng)體系采用鑄鋼球鉸，分上下兩片；球體半徑分別為6 007 mm和7 008 mm，球面直徑為2 800 mm。設(shè)計(jì)豎向承載力為82 000 kN。轉(zhuǎn)體球鉸由上球鉸、PTFE滑塊、下球鉸、銷軸等部件組成。上球鉸為頂平下凸的球冠狀體，頂面?3 040 mm；上球鉸與梁底用螺栓連接，隨轉(zhuǎn)動(dòng)體一起旋轉(zhuǎn)。下球鉸為底平上凹的球體，下球鉸的上凹面沿環(huán)形刻有890個(gè)?60 mm、深10 mm的嵌槽，用以嵌放PTFE滑塊；銷軸為?450 mm的鑄鋼柱。

利用ANSYS Workbench軟件建模，對(duì)球鉸應(yīng)力分布進(jìn)行有限元分析。模型由27 301個(gè)節(jié)點(diǎn)和5 484個(gè)單元組成，單元采用SOLID186，接觸采用CONTA174。由有限元模型分析得到球鉸最大應(yīng)力出現(xiàn)在上球鉸底面最外側(cè)邊緣，為14.99 MPa，滿足Q345鋼材料要求。

3.2 臨時(shí)支撐

沿滑道方向布設(shè)2根?1.6 m、壁厚2 cm、間距5.4 m的鋼管混凝土臨時(shí)支撐，采用?32 mm精軋螺紋鋼與預(yù)應(yīng)力混凝土梁段底部剛性連接，在鋼管頂部梁內(nèi)布設(shè)?16 mm鋼筋網(wǎng)片對(duì)混凝土局部進(jìn)行加強(qiáng)。鋼管混凝土柱間采用I40C工字鋼進(jìn)行橫向連接，在立柱下部設(shè)置兩排[20b槽鋼作為牽引鋼絞線錨頭的錨固點(diǎn)，錨點(diǎn)中心離滑道頂面1.5 m，如圖4所示。

圖4 臨時(shí)支撐與CGF樁(單位：mm)

用Midas Civil軟件建立梁?jiǎn)卧Ｐ?，結(jié)構(gòu)由18個(gè)節(jié)點(diǎn)、28個(gè)梁?jiǎn)卧M成。對(duì)臨時(shí)支撐進(jìn)行有限元分析，模擬其變形和應(yīng)力，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 臨時(shí)結(jié)構(gòu)變形 圖6 臨時(shí)支撐應(yīng)力

由圖5可以得到臨時(shí)支撐在牽引時(shí)最大變形為2.12 mm。由圖6得出臨時(shí)支撐與梁接觸截面最大壓應(yīng)力為9.7 MPa，聯(lián)結(jié)系工字鋼受到的最大拉應(yīng)力為33.3 MPa，所以要在接觸處埋置鋼筋以保證結(jié)構(gòu)安全。

3.3 環(huán)形滑道及地基

在26#、29#邊墩側(cè)施工滑道梁CFG樁基礎(chǔ)，CFG樁呈扇形布設(shè)3排，樁徑0.5 m，樁長17 m，間距1.5 m?；A(chǔ)完成后，預(yù)留10 cm樁頭嵌入滑道梁內(nèi)。基礎(chǔ)上設(shè)置滑道梁，滑道梁為鋼筋混凝土?；懒簝?nèi)設(shè)置滑道支架，用以確?；冷摪迤秸?。正式轉(zhuǎn)體時(shí)需清理滑道，在滑道板與臨時(shí)支撐走板間放置厚1 cm聚四氟乙烯，并在PTFE板與滑道板間涂抹黃油以減少阻力。

3.3.1 滑道承載力計(jì)算

CFG樁沿滑道平均間距為1.5 m，在滑道橫向間距也是1.5 m，2根臨時(shí)支撐中心間距5.4 m。將CFG樁和粉土共同作用考慮為平均比例系數(shù)m= 30 000 kPa/m2的彈性地基，利用Midas Civil 2019建立板單元模型，對(duì)滑道和地基承重狀態(tài)進(jìn)行分析。模型由196個(gè)節(jié)點(diǎn)、152個(gè)單元構(gòu)成。計(jì)算可知滑道上最大壓應(yīng)力為0.3 MPa，C30混凝土的抗壓強(qiáng)度滿足要求。

3.3.2 彈性地基承載力計(jì)算

由計(jì)算可知最大位移為1.1 mm，由彈性地基梁理論可得到地基承受的最大應(yīng)力σ=C·Δ=45 000 kPa/m×1.1×10-3m=49.5 kPa<72.4 kPa，滿足要求。其中，C為豎向地基系數(shù)；Δ為土豎向壓縮量。

3.4 導(dǎo)向系統(tǒng)

為確保轉(zhuǎn)體過程中牽引線的位置，沿滑道內(nèi)側(cè)設(shè)置8根?400 mm鋼管混凝土立柱并利用工字鋼撐增強(qiáng)其抗傾覆性，通過在每根鋼管混凝土立柱間焊接?10 mm鋼板來增強(qiáng)整體性，每根立柱后斜撐I40c工字鋼與預(yù)埋的I20b工字鋼相連，如圖7所示。

圖7 導(dǎo)向立柱截面示意(單位：mm)

利用Midas Civil軟件建立模型，對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8所示。?400 mm鋼管處拉應(yīng)力最大，為7.25 MPa；I40c處壓應(yīng)力最大，為13.1 MPa，Q345鋼材滿足要求。

圖8 導(dǎo)向立柱最大應(yīng)力(單位：MPa)

3.5 牽引系統(tǒng)

在該預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁轉(zhuǎn)體過程中，需克服主墩墩頂球鉸及臨時(shí)支撐滑道摩阻力，所以牽引力由此兩部分組成。

3.5.1 球鉸摩阻力計(jì)算

轉(zhuǎn)體時(shí)球鉸承受重力為W=76 507 kN，球鉸啟動(dòng)時(shí)靜摩擦系數(shù)μ1=0.1，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)動(dòng)摩擦系數(shù)μ2=0.06，因此，F(xiàn)靜=W×μ1=76 507 kN×0.1=7 651 kN，F(xiàn)動(dòng)=W×μ2=76 507 kN×0.06=4 590 kN。

3.5.2 臨時(shí)支撐與滑道摩阻力計(jì)算

轉(zhuǎn)體時(shí)，臨時(shí)支撐處反力為F′= 5 270 kN，臨時(shí)支撐自重為W′= 1 456 kN，所以克服臨時(shí)支撐與滑道摩阻力需要的牽引力T2=(F′+W′)×μ，有T2,靜=(F′+W′)×μ靜=(5 270 kN+1 456 kN)×0.1=673 kN，T2,動(dòng)=(F′+W′)×μ動(dòng)=(5 270 kN+1 456 kN)×0.06=447 kN

平轉(zhuǎn)牽引力T=T1+T2。所以計(jì)算啟動(dòng)時(shí)所需最大牽引力766.6 kN,計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需牽引力503.1 kN。

轉(zhuǎn)體牽引設(shè)備應(yīng)按最大牽引力的兩倍配置，所以選用兩組液壓、同步、自動(dòng)連續(xù)千斤頂，每套提供牽引力2 000 kN。

3.5.3 牽引點(diǎn)的計(jì)算

4 結(jié)束語

針對(duì)該橋研發(fā)的下滑道連續(xù)牽引墩頂轉(zhuǎn)體系統(tǒng)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁平面轉(zhuǎn)體首次采用，該設(shè)計(jì)解決了以下問題：

(1)通過精確計(jì)算得到的牽引點(diǎn)位置，有效降低了臨時(shí)支撐與梁體固結(jié)處的應(yīng)力水平，保證了牽引轉(zhuǎn)體過程的穩(wěn)定與安全。

(2)本橋使用的球鉸尺寸較常規(guī)小，但由于采用實(shí)體鑄鋼數(shù)控機(jī)床整體加工而成，提高了加工精度，更重要的是消除了承載力風(fēng)險(xiǎn)。

(3)通過設(shè)置導(dǎo)向立柱，分擔(dān)徑向壓力，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)牽引，保證了結(jié)構(gòu)的安全性，確保了臨時(shí)支撐平穩(wěn)移動(dòng)。

2019年5月25日凌晨，項(xiàng)目順利完成轉(zhuǎn)體施工，僅用約7 h完成了上環(huán)道法需幾天完成的工作量，平均走行速度0.15 m/min。大大簡(jiǎn)化了施工過程，具有建設(shè)成本低、施工工藝簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)體過程控制簡(jiǎn)單、就位精度高、安全風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)，為連續(xù)梁的平面轉(zhuǎn)體提供了一種新的解決方案。