轉(zhuǎn)體橋梁設(shè)計研究

王維宇

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600）

1 大噸位轉(zhuǎn)體橋梁設(shè)計研究

1.1 工程概況及設(shè)計方案

廣西某新建高速公路上跨國鐵Ⅰ級高速鐵路橋梁，主橋采用（80+80）m 預(yù)應(yīng)力混凝土T 構(gòu)，轉(zhuǎn)體部分跨徑為 2×75m，單幅橋，大節(jié)段現(xiàn)澆、轉(zhuǎn)體法施工。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用單箱四室斜腹板截面；沿箱梁結(jié)構(gòu)中心線中支點處梁高8.823m，邊支點等高段梁高4.323m。箱梁頂板寬32.33m，底板寬18.175m～22.266m。本橋采用360MN鑄鋼球鉸，轉(zhuǎn)體質(zhì)量約27860.5t，轉(zhuǎn)體球鉸安全系數(shù)1.29。球鉸摩擦副采用2788 片填充聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑片。

兩側(cè)懸臂長度為3.5m；懸臂板端部厚0.2m，根部厚0.7m，橫橋向懸臂厚度線性變化；箱梁頂板厚0.30m～0.52m，邊支點及中支點處均增厚0.3m；底板厚度為0.3m～1.1m，邊支點處增至0.6m；邊腹板厚0.5m、中腹板厚1.2m。中支點處對應(yīng)墩身設(shè)置中橫梁，橫梁厚為5.0m；邊支點處端橫梁厚2m。在梁端底板設(shè)置進人孔，人孔須設(shè)置內(nèi)翻門。

中墩采用矩形板式墩，墩身截面尺寸為4.8m×14m～4.8m×12m（順橋向×橫橋向），上承臺（上轉(zhuǎn)盤）截面尺寸為14.6m×14.6m×3.5m（順橋向×橫橋向×厚度），上承臺設(shè)置縱、橫向預(yù)應(yīng)力體系，采用Ⅱ級低松弛高強鋼絞線，下承臺（下轉(zhuǎn)盤）成橋尺寸為21.0m×21.0m×5.5m（順橋向×橫橋向×厚度），基礎(chǔ)采用25 根直徑1.8m 的鉆孔灌注樁，行列式布置，樁間距順橋及橫橋向均為4.5m。主橋上、下部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 主橋上、下部結(jié)構(gòu)示意圖（尺寸單位：cm）

每個上盤下設(shè)有8 組撐腳，每組撐腳為三圓柱形，下設(shè)30mm 厚鋼板。三圓柱為3 個?800mm×24mm 的鋼管，全橋撐腳鋼管內(nèi)及撐腳間灌注C50 補償收縮混凝土。撐腳在工廠整體制造后運進工地，在下盤混凝土灌注完成、上球鉸安裝就位時安裝撐腳[1]。上盤撐腳即為轉(zhuǎn)體時支撐轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平穩(wěn)的保險腿。從轉(zhuǎn)體時保險腿的受力情況考慮，轉(zhuǎn)臺對稱的2 個保險腿之間的中心線與上盤縱向中心線重合，使8 個保險腿對稱分布與縱軸線的兩側(cè)。在撐腳的下方設(shè)110cm 寬的環(huán)形滑道，滑道半徑為600cm。

轉(zhuǎn)臺直徑?13.6m，高度為1.1m。轉(zhuǎn)臺內(nèi)預(yù)埋轉(zhuǎn)體牽引索，預(yù)埋端采用P 型錨具，同一對索的錨固端在同一直徑線上并對稱于圓心，注意每根索的預(yù)埋高度和牽引方向一致，每根索埋入轉(zhuǎn)盤長度大于700cm，每對索的出口點對稱于轉(zhuǎn)盤中心。

1.2 轉(zhuǎn)體牽引系統(tǒng)設(shè)計方案

為滿足跨越鐵路及高速公路車道要求，該轉(zhuǎn)體橋梁梁長達到了2×75m，橋?qū)掃_到了32.33m，因此設(shè)計轉(zhuǎn)體噸位較大，不僅需要更大噸位的轉(zhuǎn)體球鉸，而且對牽引設(shè)備及施工也提出了更高的要求[2]。

摩擦系數(shù)按公式（1）測算。

式中：μ為摩擦系數(shù)；M為轉(zhuǎn)動力矩（kN·m）；G為轉(zhuǎn)臺總質(zhì)量（kN）。

設(shè)計靜摩擦系數(shù)為0.1，動摩擦系數(shù)為0.06[3]。

轉(zhuǎn)體總質(zhì)量W為278605.3kN。

啟動時靜摩擦力F=W×μ=27860.5kN。

轉(zhuǎn)動過程中動摩擦力F=W×μ=16716.3kN。

轉(zhuǎn)體拽拉力如公式（2）所示。

式中：R為球鉸平面半徑，R=2.6m。W為轉(zhuǎn)體總質(zhì)量，W=278605.3kN；D為轉(zhuǎn)臺直徑，D=13.6m；

牽引索破斷力如公式（3）所示。

式中：n為每根牽引索的1860 鋼絞線根數(shù)。

采用2 套牽引系統(tǒng)時，啟動時所需最大牽引力T=2/3×（R·W·μ靜）/D=3550.9 kN；轉(zhuǎn)動過程中所需牽引力T=2/3×（R·W·μ動）/D=2130.5 kN。此時啟動轉(zhuǎn)動需要配置不少于355t 的千斤頂，對千斤頂、錨墊板等設(shè)備要求較高，施工難度較大。

采用4 套牽引系統(tǒng)時，啟動時所需最大牽引力T=2/3×（R·W·μ靜）/D/2=1775.4kN；轉(zhuǎn)動過程中所需牽引力T＝2/3×（R·W·μ動）/D/2=1065.3kN。此時啟動轉(zhuǎn)動需要配置不少于178t 的千斤頂。

由于轉(zhuǎn)體噸位較大，該工程采用加大轉(zhuǎn)臺直徑的方法減少啟動轉(zhuǎn)體橋梁所需的牽引力，同時本橋采用四套ZLD300 型液壓、同步、自動連續(xù)牽引系統(tǒng)（牽引系統(tǒng)由連續(xù)千斤頂、液壓泵站、25－?s15.2 鋼絞線），以兩對力偶提供轉(zhuǎn)體所需的牽引動力，與傳統(tǒng)的兩套千斤頂?shù)膯瘟ε荚O(shè)計方案相比，大幅度減少了所需千斤頂噸位以及牽引索鋼絞線的拉力，降低了大噸位轉(zhuǎn)體過程中由于牽引力較大而帶來的潛在施工風(fēng)險。4 套牽引系統(tǒng)的牽引索破斷力F破=1860×n×140/1000=6510.0kN，鋼絞線安全系數(shù)6510.0/1775.4=3.7，與2 套牽引系統(tǒng)相比，只用25 股?s15.2的鋼絞線即可滿足大于3 的安全系數(shù)，配套的錨墊板等施工設(shè)備更普遍，經(jīng)濟合理。

同時，需要對轉(zhuǎn)體球鉸施工精度進行嚴格控制，避免因施工誤差導(dǎo)致球鉸摩擦系數(shù)增大，從而導(dǎo)致需要更大的轉(zhuǎn)體啟動牽引力。

1.3 下承臺后澆混凝土設(shè)計方案

由于梁部及橋墩結(jié)構(gòu)恒載較大，下承臺尺寸往往做的很大，增加了基坑開挖施工的難度。在轉(zhuǎn)體完成后，需要在下承臺上澆筑一層混凝土，將球鉸密封并將上、下承臺連接成整體。后封混凝土包括以下2 種形式：1）后封混凝土布滿下承臺頂面，如圖2（a）所示，下承臺厚度加大，對成橋狀態(tài)承臺受力有力，但是會增加埋深，對美觀要求更高的市政橋梁往往需要將下承臺頂面埋入地下，大噸位的轉(zhuǎn)體橋梁承臺很容易形成深基坑，增加基坑施工的難度和造價。2）后封混凝土沿上承臺輪廓澆筑，如圖2（b）所示，這種方案不會增加下承臺成橋狀態(tài)的厚度，基坑開挖深度較淺，對下承臺尺寸較大的大噸位轉(zhuǎn)體橋梁，可以減少后澆混凝土量，節(jié)約材料，同時減少樁基礎(chǔ)樁頭力[4]。

圖2 下承臺后封混凝土方案（尺寸單位：cm）

2 曲線轉(zhuǎn)體橋梁設(shè)計研究

2.1 工程概況

天津某新建高速公路上跨國鐵Ⅰ級鐵路橋梁，主跨上部結(jié)構(gòu)采用（65+65）m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，轉(zhuǎn)體部分跨徑為 2×60m，大節(jié)段現(xiàn)澆、轉(zhuǎn)體法施工。本橋平面位于半徑2100m 的圓曲線上，雙向十二車道，雙幅橋設(shè)置，橋面橫坡均為2%左高右低的單向坡，橋面高點位于曲線外側(cè)，如圖3 所示。箱梁采用單箱四室截面，箱梁中支點處梁高 6m，邊支點梁高 3.0m，梁底線形按2.0 次拋物線變化。箱梁頂板寬26.655m，兩側(cè)懸臂長各2.5m，懸臂板端部厚20cm，根部厚 60cm；斜腹板設(shè)置，橋面橫坡由腹板不等高形成，底板水平。腹板加厚段厚度為 90cm，正常段厚度為50cm。下部結(jié)構(gòu)采用矩形板式墩、承臺樁基礎(chǔ)。主墩墩高12.5m，板式墩，墩身截面尺寸為4.0×15.7m～4.0×11.0m（順橋向×橫橋向）。主梁中支點設(shè)3 個支座，轉(zhuǎn)體過程中墩梁固結(jié)。主墩采用25 根直徑1.5m 的鉆孔灌注樁，樁間距順橋及橫橋向均為3.8m，樁基采用矩形布置。本橋采用ZTQZ-200MN 型轉(zhuǎn)體支座，轉(zhuǎn)體質(zhì)量約13704.5t，轉(zhuǎn)體支座安全系數(shù)1.46。

圖3 主橋梁部結(jié)構(gòu)示意圖（尺寸單位：cm）

下轉(zhuǎn)盤采用C50 混凝土，橫截面尺寸17.7m×17.7m，高4m，下轉(zhuǎn)盤后封混凝土厚1.65m。下轉(zhuǎn)盤上設(shè)置轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)體支座、保險撐腳環(huán)形滑道及轉(zhuǎn)體拽拉千斤頂反力座。上轉(zhuǎn)盤撐腳即為轉(zhuǎn)體時支撐轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平穩(wěn)的保險腿，設(shè)置8 組撐腳，沿梁縱軸線對稱布置。撐腳下方設(shè)110cm 寬的環(huán)形滑道，滑道半徑500cm，轉(zhuǎn)體時保險撐腳可在滑道內(nèi)滑動，以保持轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平穩(wěn)。上轉(zhuǎn)盤布有縱、橫兩向預(yù)應(yīng)力鋼筋。上轉(zhuǎn)盤邊長 12.0m×12.0m，高2.5m；牽引盤直徑Φ11.0m，高0.8m。

主墩基坑設(shè)計采用鉆孔樁防護，鉆孔樁樁徑1.0m，間距1.2m，樁縫間噴射混凝土封閉。左幅主墩承臺基坑深6.8m，防護樁長 15m；右幅主墩承臺基坑深5.8m，防護樁長13m。

2.2 曲線橋轉(zhuǎn)體偏心設(shè)計研究

在轉(zhuǎn)體橋梁施工過程中，連續(xù)梁未合龍前，在曲線梁部恒載作用下，會對下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向曲線內(nèi)側(cè)傾覆的彎矩，對小半徑曲線梁，可以采用設(shè)置轉(zhuǎn)體球鉸偏心的方法減少恒載傾覆彎矩的影響[5-6]。

該工程雙幅橋的橋面橫坡均為2%左高右低的單向坡，橋面高點位于曲線外側(cè)，通過橋梁博士V4.4.1 分別建立本橋單向橫坡和平坡的梁部有限元模型，如圖4 所示，對梁部恒載產(chǎn)生的彎矩進行分析，見表1。

圖4 梁部有限元模型

表1 不同梁部橫坡模型合龍前中支點恒載反力對比

根據(jù)有限元模型計算結(jié)果，單向橫坡曲線梁較平坡曲線梁的恒載彎矩減少1575.6kN·m，相差11.6%，恒載偏心相差12.9%，因此在偏心設(shè)計上應(yīng)注意單向橫坡的影響。

3 結(jié)語

該文分析了大噸位及曲線偏心對轉(zhuǎn)體橋梁的不利影響，并總結(jié)了解決方案，有利于相關(guān)轉(zhuǎn)體橋梁設(shè)計過程中吸取經(jīng)驗：1）對大噸位轉(zhuǎn)體橋梁來說，可以采用加大轉(zhuǎn)臺直徑、采用四套牽引系統(tǒng)的方法減少橋梁轉(zhuǎn)體所需的牽引力，降低施工風(fēng)險。2）轉(zhuǎn)臺對稱的兩個保險腿之間的中心線與上盤縱向中心線重合，8 個保險腿（撐腳）沿梁縱軸線對稱布置，使橋梁在不平衡彎矩狀態(tài)下至少有兩組撐腳著地，對抵抗施工階段的不平衡彎矩有利。3）根據(jù)基坑開挖深度及下承臺受力要求，可選擇不同形式的下承臺后澆混凝土方案，滿足設(shè)計及施工要求。4）對橋?qū)捿^大的單幅橋，可以通過在上跨鐵路處設(shè)置成雙幅橋的形式減少轉(zhuǎn)體噸位。5）對設(shè)置為曲線外側(cè)橋面高而曲線內(nèi)側(cè)橋面低的單向橫坡形式的曲橋梁，應(yīng)同時考慮梁部單向橫坡產(chǎn)生的恒載彎矩和曲線梁自重下的傾覆彎矩這兩種因素，合理設(shè)置轉(zhuǎn)體處偏心。