大跨度T構(gòu)橋轉(zhuǎn)體關(guān)鍵技術(shù)研究

任 輝 季新宇

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司鄭州設(shè)計院，河南 鄭州 450000)

橋梁平轉(zhuǎn)法施工是指在偏離設(shè)計位置將橋梁澆筑或拼裝成形，然后借助動力將橋梁轉(zhuǎn)動就位(設(shè)計線)的一種施工方法。平轉(zhuǎn)法施工在市政或公路橋梁上跨既有線路、河流或障礙物時得到了廣泛應(yīng)用，它不僅大大改善了施工條件，還減小了對既有線路或障礙物的影響，取得了良好的經(jīng)濟效益。隨著我國交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，轉(zhuǎn)體橋梁也向著大跨度、大噸位的方向發(fā)展。

1 工程概況

某城市市政快速通道采用橋梁形式上跨城際鐵路和普速鐵路路基段，城際與普速鐵路間距約40 m，該市政橋與城際鐵路和普速鐵路夾角分別為62°和61.8°。由于鐵路中間空間狹小，且現(xiàn)場無進出道路，施工設(shè)備操作空間受限，鐵路路基中間立墩困難。為減小上部結(jié)構(gòu)施工對鐵路行車安全的影響，最終采用85 m+147 m+85 m連續(xù)剛構(gòu)形式上跨鐵路，兩側(cè)轉(zhuǎn)體跨中合龍施工。

主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強度等級為C55。主梁采用單箱五室斜腹板截面，箱梁頂板寬38.70 m，中支點梁高8.5 m，跨中梁高3.5 m，梁底按1.8次拋物線變化。轉(zhuǎn)體段長度71.75 m，跨中合龍段長度為3.5 m，轉(zhuǎn)體角度為62°，轉(zhuǎn)體總重量約28 500 t。橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見圖1。

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)下轉(zhuǎn)盤上設(shè)有轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的下球鉸、直徑13 m的環(huán)形滑道及8組千斤頂反力座。球鉸直徑5.5 m，是轉(zhuǎn)體施工的轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的核心，采用40 mm厚上、下鋼面板和背部肋條整體鑄件成型。上轉(zhuǎn)盤底設(shè)8組撐腳，每組撐腳由2個φ1 000×30 mm鋼管混凝土組成，下設(shè)30 mm厚鋼板，鋼管內(nèi)灌注C55微膨脹混凝土。撐腳中心線直徑為14 m。

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)作為平轉(zhuǎn)法施工的核心，設(shè)計要求高、技術(shù)難度大，轉(zhuǎn)體過程是全橋施工的關(guān)鍵步驟，直接決定了轉(zhuǎn)體的成敗。本文結(jié)合該大跨度轉(zhuǎn)體橋，對球鉸類型及尺寸的選取、稱重試驗及配重方式、封固混凝土密實性控制、上下轉(zhuǎn)盤局部應(yīng)力分布等關(guān)鍵問題進行研究。

2 球鉸設(shè)計

2.1 球鉸類型選取

球鉸是轉(zhuǎn)體系統(tǒng)中直接受力構(gòu)件，球鉸類型的選取及尺寸的確定至關(guān)重要。橋梁水平轉(zhuǎn)體多采用球面轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，常用的球鉸類型有混凝土磨心、鋼制球鉸。由于混凝土磨心適用于噸位較小(轉(zhuǎn)體重量小于5 000 t)的轉(zhuǎn)體橋梁，目前工程中使用較少，鋼球鉸因其承載能力大、強度高、摩擦系數(shù)小等優(yōu)點被廣泛運用，適用于轉(zhuǎn)體噸位較大的橋梁工程。

目前鋼球鉸主要分為兩種，工廠焊接鋼球鉸和整體鑄件鋼球鉸，它們均由上、下球面板、背部徑向及環(huán)向肋板、中心銷軸和四氟乙烯滑片組成。工廠焊接鋼球鉸主要適用于轉(zhuǎn)體重量約20 000 t以下的轉(zhuǎn)體橋梁，整體鑄件球鉸由工廠鑄件軋制成型，成本費用較高，且制作工藝稍復(fù)雜，但其結(jié)構(gòu)設(shè)計比較合理，受力穩(wěn)定性和整體性更優(yōu)，多被用于轉(zhuǎn)體噸位20 000 t以上轉(zhuǎn)體橋梁。本橋梁轉(zhuǎn)體重量約為28 500 t，設(shè)計采用整體鑄件球鉸。

2.2 球鉸尺寸的確定

目前球鉸的設(shè)計相應(yīng)規(guī)范較少，體系化設(shè)計理念欠缺，球鉸尺寸的確定多參照以往設(shè)計經(jīng)驗和有限元分析。以往設(shè)計經(jīng)驗均采用球鉸下混凝土應(yīng)力控制法，其經(jīng)驗公式如下：

其中,D為球鉸直徑；N為最不利工況下球鉸的豎向承載力；K為考慮橫向荷載作用下球鉸與轉(zhuǎn)盤接觸面積的折減系數(shù)，一般取0.65[1]。

本橋轉(zhuǎn)體重量為28 000 t，考慮施工誤差及橫向風(fēng)荷載引起的橫向彎矩為43 820 kN·m，球鉸最不利工況下N=280 000 kN，球鉸直徑為5.5 m，根據(jù)經(jīng)驗公式，球鉸下混凝土應(yīng)力為18.1 MPa，滿足混凝土壓應(yīng)力要求。同時球鉸設(shè)計還需考慮上下鋼板間四氟乙烯滑片應(yīng)力要求[3]。

由于球鉸上、下鋼板厚度相對球鉸半徑幾乎可以忽略，可以假定上下球鉸半徑基本一樣，為保證上下球面板間應(yīng)力分布均勻，球鉸對應(yīng)圓心角不宜過大；同時從受力角度考慮，球鉸對應(yīng)圓心角也不宜過小(一般不宜小于10°)，因此文獻[3]給出了球鉸半徑R與球鉸支撐半徑R1宜滿足下式：

本項目城市橋梁轉(zhuǎn)體球鉸半徑R=10 m，球鉸支撐半徑R1=2.75 m，滿足要求(見圖2)。

3 稱重試驗及配重

3.1 稱重試驗

大跨度T型剛構(gòu)橋轉(zhuǎn)體法施工一般多為對稱結(jié)構(gòu)，但往往由于球鉸體系的制作或安裝誤差、施工誤差以及預(yù)應(yīng)力張拉的程度差異等，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動體兩側(cè)梁段剛度不同，質(zhì)量分布不同，從而產(chǎn)生不平衡力矩。為了保證轉(zhuǎn)體過程中體系平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，要求預(yù)先調(diào)整體系的質(zhì)量分布，使其質(zhì)量處于平衡狀態(tài)。因此，在轉(zhuǎn)體之前必須對轉(zhuǎn)體箱梁進行稱重試驗，測試轉(zhuǎn)動體的摩阻力矩、靜摩擦系數(shù)和不平衡力矩，進行橋梁轉(zhuǎn)體配重，從而實現(xiàn)橋梁安全平衡順利轉(zhuǎn)體[4]。

稱重試驗常用的方法是球鉸轉(zhuǎn)動法，其測試原理：視轉(zhuǎn)動體為剛體，通過推動轉(zhuǎn)動體使其球鉸面由靜摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽Σ?，并采用荷重傳感器和百分表測定轉(zhuǎn)動剛體突然發(fā)生位移時頂推力的大小，建立力學(xué)平衡方程來確定不平衡力矩。文獻[4]中給出了懸臂梁脫架后保持平衡的兩種形式，并給出了兩種情況下不平衡力矩、球鉸摩擦力矩和偏心距的計算公式。通常為保證轉(zhuǎn)體的平穩(wěn)性，轉(zhuǎn)動體的重心偏移量應(yīng)滿足不大于15 cm的要求，對于稱重結(jié)果偏心距大于15 cm的轉(zhuǎn)動體應(yīng)進行配重。

3.2 配重方案

通過稱重的結(jié)果，對轉(zhuǎn)動體進行配重以保證其順利平穩(wěn)轉(zhuǎn)體。目前對于縱向偏心，最常用的配重方式為橋面堆載糾偏處理法，其主要是根據(jù)稱重結(jié)果在偏心反向側(cè)，距離中墩一定距離的地方采用沙袋、混凝土塊、水箱等進行堆重，或者對重量較重側(cè)不澆筑防撞護欄等橋面設(shè)施來處理。

此外，對于位于曲線上橋梁，存在橫向偏心，曲線半徑較大橋梁可采用上述橋面堆載糾偏的方式來調(diào)整。對于小半徑曲線橋梁，在設(shè)計中應(yīng)計算曲線內(nèi)外不平衡彎矩引起的偏心，通過設(shè)置橫向偏心的方式來實現(xiàn)球鉸以上轉(zhuǎn)動體中心與球鉸的重心盡量重合。

本橋位于緩和曲線上，設(shè)計中計算橋梁橫向偏心僅為2.3 cm，因此本橋未設(shè)置橫向偏心，僅需根據(jù)縱向稱重結(jié)果對縱向進行配重。

4 封固混凝土密實性設(shè)計

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)作為轉(zhuǎn)體成敗的關(guān)鍵，而轉(zhuǎn)體完成后，上下承臺間混凝土的封固技術(shù)直接影響成橋下承臺的受力。由于上下承臺在封固位置均為水平面，且封固部位包含有千斤頂反力座、撐腳等，在封固時混凝土容易出現(xiàn)空腔、縫隙，因此在設(shè)計中應(yīng)進行封固混凝土密實性設(shè)計，確保成橋受力安全[5]。

為保證封固混凝土的密實性，設(shè)計階段提出了兩個解決方案。

第一個方案先對撐腳以內(nèi)、轉(zhuǎn)臺以下部分進行混凝土封堵，對于出現(xiàn)的大部分空腔和間隙通過一周設(shè)置的壓漿孔采用真空輔助壓漿的方式進行填滿，然后對撐腳外側(cè)部分混凝土進行封固，最后再壓漿以確?；炷撩軐?，如圖3所示。

第二個方案是在上轉(zhuǎn)盤設(shè)置16個振搗孔，振搗孔外側(cè)設(shè)置一圈壓漿孔，在后澆封固混凝土?xí)r通過預(yù)設(shè)的振搗孔對轉(zhuǎn)臺底面間隙混凝土振搗密實；混凝土澆筑完畢后并通過壓漿孔對易出現(xiàn)空腔部分進行壓漿，以保證封固混凝土的密實性，如圖4所示。

通過對比分析，本橋最終采用第二個方案作為上下承臺的封固方案，本方案施工較為簡單，可節(jié)約封固混凝土分批澆筑時間，同時通過振搗和壓漿相結(jié)合的方法，從更大程度滿足封固混凝土的密實性。

5 上下轉(zhuǎn)盤局部應(yīng)力分布

轉(zhuǎn)體橋梁施工過程中，轉(zhuǎn)體前上承臺與下承臺的接觸面是球鉸面，下承臺尺寸一般比球鉸尺寸大，且上部荷載主要通過球鉸往下傳遞，上下承臺會出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致承臺局部應(yīng)力偏大，影響承臺抗裂性能。

根據(jù)圣維南原理，設(shè)計中對結(jié)構(gòu)進行簡化，僅建立4 m高橋墩模型，將墩底荷載轉(zhuǎn)換成均布荷載施加在橋墩截面上，并采用空間分析軟件Midas FEA對上下承臺進行空間模型精細化分析。根據(jù)本項目上下承臺及球鉸具體尺寸建立有限元模型如圖5所示。

在上下承臺不張拉預(yù)應(yīng)力的情況下，球鉸附近應(yīng)力較為集中，上承臺球鉸附近最大主壓應(yīng)力為17.24 MPa，下承臺球鉸附近最大主壓應(yīng)力為19.09 MPa，局部應(yīng)力偏大。上下承臺主壓應(yīng)力云圖如圖6，圖7所示。

為優(yōu)化上下承臺應(yīng)力分布，在設(shè)計中對上下承臺均張拉預(yù)應(yīng)力鋼束，以避免承臺局部應(yīng)力過大。上下承臺在張拉預(yù)應(yīng)力下主壓應(yīng)力云圖如圖8，圖9所示。

由圖6～圖9可以看出：在未張拉預(yù)應(yīng)力的情況下，球鉸附近上、下承臺應(yīng)力集中較為顯著，而張拉預(yù)應(yīng)力后，上、下轉(zhuǎn)盤在各施工階段均保持良好受力狀態(tài)，正應(yīng)力、主拉應(yīng)力及主壓應(yīng)力均小于規(guī)范的容許值，且下轉(zhuǎn)盤豎向位移差值較不明顯，最大豎向位移差為1.2 mm。

本橋最終采用上下承臺均施加預(yù)應(yīng)力鋼束，并根據(jù)施工過程分批張拉鋼束。通過模擬分析計算結(jié)果來看，對上下承臺分批施加鋼束，能使其應(yīng)力分布較為均勻，避免了應(yīng)力集中。

6 結(jié)論及展望

某城市市政快速通道上跨城際鐵路和普速鐵路橋梁轉(zhuǎn)體跨度大、噸位大，對轉(zhuǎn)體系統(tǒng)要求較高，對施工工藝控制較為嚴(yán)格。本文通過對球鉸類型及尺寸的選取、上下轉(zhuǎn)盤局部應(yīng)力分布、稱重試驗及配重方式、封固混凝土密實性控制等關(guān)鍵問題進行研究，為該大跨度T構(gòu)橋轉(zhuǎn)體施工提供依據(jù)，并為后期類似橋梁的設(shè)計提供一定的參考借鑒。