大跨度雙幅T構(gòu)鋼箱連續(xù)梁同步轉(zhuǎn)體跨越既有鐵路設(shè)計

王礪文

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津 300308)

引言

現(xiàn)階段我國公路、鐵路等公共交通建設(shè)領(lǐng)域發(fā)展勢頭迅猛，新建公路與既有鐵路交叉情況越來越普遍[1-3]。新建公路橋梁上跨既有鐵路時，常采用轉(zhuǎn)體法進行施工，可將鐵路營運線的影響降到最低[4-6]。

轉(zhuǎn)體懸臂長度是轉(zhuǎn)體橋梁設(shè)計與施工的重要控制參數(shù)之一[7-8]，特別是對于T構(gòu)連續(xù)梁橋，轉(zhuǎn)體懸臂長度往往與主橋跨度基本相同。大跨度T構(gòu)橋在轉(zhuǎn)體落位前，主梁根部截面負(fù)彎矩較大，控制截面和板厚尺寸，材料用量較大；且成橋后結(jié)構(gòu)體系及受力狀態(tài)發(fā)生改變，主梁根部截面負(fù)彎矩減小，造成材料浪費。此外，大跨度T構(gòu)橋成橋前梁端撓度較大，成橋線形難以控制，施工風(fēng)險也比較大[9-11]。近年來，有代表性的轉(zhuǎn)體T構(gòu)橋梁跨度統(tǒng)計如表1所示。

表1 部分轉(zhuǎn)體施工T構(gòu)連續(xù)梁跨度統(tǒng)計

1 工程概況

青島市新機場高速連接線(雙埠-夏莊段)工程自西向東依次跨越膠濟貨線、膠濟客專雙線、青榮城際雙線、機場專用線共6條既有鐵路。其中，膠濟貨線為貨運線，膠濟客專、青榮城際為鐵路客運專線，機場專用線為一般貨運鐵路，鐵路大致呈南北向。上跨結(jié)構(gòu)采用2×120 m鋼箱梁T構(gòu)，為國內(nèi)目前最大轉(zhuǎn)體懸臂T構(gòu)連續(xù)梁。為減小轉(zhuǎn)體質(zhì)量，采用分幅設(shè)計，錯孔布置，同步轉(zhuǎn)體[12-13]，主橋平面如圖1所示。上部結(jié)構(gòu)箱梁寬24.58 m，位于R=6 500 m的圓弧豎曲線上。箱梁梁高在邊墩處為4.5 m，主墩墩頂處為7.0 m，除墩頂直線段外，梁高按二次拋物線變化，梁高變化段長39.9 m。下部結(jié)構(gòu)主墩采用實心墩，墩底設(shè)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)；邊墩采用門架墩結(jié)構(gòu)形式；下部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。本橋采用的2×120 m鋼箱梁T構(gòu)方案梁高較低，滿足機場及鐵路限界要求，同時基礎(chǔ)尺寸小、質(zhì)量輕，造成鐵路路基變形變位較小。

圖1 上跨6條既有鐵路線主橋平面

上跨公路橋主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下。

(1)道路等級：城市快速路。

(2)設(shè)計速度：100 km/h。

(3)橋梁設(shè)計荷載：1.3×城-A級(鐵路孔)。

(4)橋面橫坡：2.0%。

(5)橋梁基本寬度：單幅橋?qū)?4.58 m。

(6)橋梁安全等級：一級。

(7)橋梁設(shè)計基準(zhǔn)期：100年。

(8)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：地震基本烈度為7度，地震動峰值加速度0.1g，特征周期0.4 s。

(9)運營階段風(fēng)速重現(xiàn)期100年；施工階段風(fēng)速重現(xiàn)期20年；與汽車荷載組合的風(fēng)荷載，橋面處風(fēng)荷載25 m/s。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

主橋采用2×120 m T構(gòu)橋，采用墩梁固結(jié)體系，轉(zhuǎn)體施工，立面布置如圖2所示。主梁采用變截面鋼箱連續(xù)梁，分幅設(shè)置，頂板為正交異性板結(jié)構(gòu)。鋼箱梁主體結(jié)構(gòu)采用Q345qDNH耐候鋼，鋼結(jié)構(gòu)連接采用全焊接方式。

圖2 上跨公路橋左幅T構(gòu)立面布置(單位：cm)

2.1 主梁設(shè)計

鋼箱梁梁寬24.58 m，中墩墩頂4.2 m區(qū)段鋼箱梁梁高7 m，墩頂?shù)雀吡憾蝺蓚?cè)各39.9 m區(qū)段，梁高從7 m按二次拋物線變化至4.5 m，其余區(qū)段梁高為4.5 m。跨中梁高與跨徑比值為1/26.667，中墩支點梁高與跨徑比值為1/17.143。主梁一般橫斷面如圖3所示。

圖3 主梁一般橫斷面(單位：mm)

2.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

主墩基礎(chǔ)為承臺+群樁基礎(chǔ)，承臺平面采用帶倒角的六邊形，平面尺寸為17.90 m×10 m，下承臺厚3.5 m。承臺下設(shè)13根鉆孔灌注樁，均按嵌巖樁設(shè)計，樁徑1.5 m。主墩立面如圖4所示。

圖4 主墩立面(單位：cm)

2.3 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本橋2×120 m T構(gòu)的轉(zhuǎn)體懸臂較長，選用更為成熟的墩底轉(zhuǎn)體方式。

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)體下盤、球鉸、上轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)動牽引系統(tǒng)等組成。轉(zhuǎn)體下盤為支承轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)全部質(zhì)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)盤上設(shè)置轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的下球鉸、保險撐腳環(huán)形滑道及轉(zhuǎn)體拽拉千斤頂反力座等。轉(zhuǎn)動球鉸是轉(zhuǎn)動體系的核心，是轉(zhuǎn)體施工的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，設(shè)計豎向承載力為1.1×105kN。鋼球鉸面在工廠制造，運輸至工地后，首先安裝下球鉸并進行鎖定；下球鉸混凝土灌注完成后，將轉(zhuǎn)動中心軸鋼棒放入下轉(zhuǎn)盤預(yù)埋套筒中，并安裝上球鉸及聚四氟乙烯滑動片，各滑動片頂面應(yīng)位于同一球面上；檢查合格后，在球面上滑動片間涂抹黃油聚四氟乙烯粉，最后進行上球鉸精確定位并臨時鎖定限位。轉(zhuǎn)體上盤撐腳即為轉(zhuǎn)體時支撐轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平穩(wěn)的保險腿，在撐腳下方設(shè)有滑道，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)。轉(zhuǎn)體上盤是轉(zhuǎn)體的重要結(jié)構(gòu)，在整個轉(zhuǎn)體過程中形成一個多向、立體的受力狀態(tài)，上盤布有縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力鋼筋。轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)示意(單位：cm)

2.4 臨時索塔結(jié)構(gòu)設(shè)計

本橋2×120 m T構(gòu)的轉(zhuǎn)體懸臂較長，若不采取一定的輔助措施，轉(zhuǎn)體前結(jié)構(gòu)根部梁高需9 m，但轉(zhuǎn)體后成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)根部梁高僅需7 m即可滿足運營期承載要求。此時，常規(guī)方案僅保證轉(zhuǎn)體施工的臨時短期需求，卻將主梁的整體用鋼量增加約22.7%，將造成極大浪費。同時，由于此橋需同時跨越6條既有鐵路線，主跨箱梁跨度較大，轉(zhuǎn)體前處于長懸臂狀態(tài)的主梁端部下?lián)现导s1 m。大幅度的梁端下?lián)?，將在轉(zhuǎn)體后梁體合龍體系轉(zhuǎn)換時給二次頂升作業(yè)帶來極大的困難。

為解決上述問題，提出臨時索塔結(jié)構(gòu)輔助轉(zhuǎn)體施工方案，轉(zhuǎn)體前在T構(gòu)墩頂設(shè)置臨時桁架塔，并通過臨時斜拉索連接主梁，轉(zhuǎn)體后拆除，如圖6所示。采用臨時索塔結(jié)構(gòu)輔助施工后，轉(zhuǎn)體過程中梁端下?lián)蟽H55 mm，在安全、效率和經(jīng)濟性上有極大提高。

圖6 臨時索塔結(jié)構(gòu)示意(單位：cm)

2.5 耐久性設(shè)計

為降低鋼橋維修養(yǎng)護頻率及異物墜落概率，減少鐵路上方異物侵限，本橋除設(shè)置異物侵限監(jiān)控系統(tǒng)外，還使用了全焊接耐候鋼施工工藝，確保既有鐵路運營安全。

普通鋼材隨著銹蝕的進展，銹層膨脹變厚，并開始產(chǎn)生裂縫；隨后銹層發(fā)生剝離，進一步加劇銹蝕向內(nèi)部發(fā)展[14]。耐候鋼在干燥、潮濕的環(huán)境交替變化中，鋼材表面上形成由Cu、Cr、P等元素濃縮后的致密且連續(xù)的安定銹層。使用耐候鋼不僅可以降低鋼結(jié)構(gòu)維修養(yǎng)護的頻率和費用，還降低了異物墜落的概率[15-17]。本橋鋼箱梁主體結(jié)構(gòu)采用Q345qDNH耐候鋼，施工完成后，進行澆水處理，每天澆水1次，持續(xù)時間3個月，確保耐候鋼表面形成穩(wěn)定的銹層。

此外，上跨鋼橋如果采用螺栓連接，存在螺栓斷裂、脫落的風(fēng)險，因此，本橋主體及附屬結(jié)構(gòu)全部采用焊接連接方式。焊接材料與母材的性能和成分匹配，焊接材料除滿足常規(guī)高強度鋼材焊接時的性能要求外，還保證焊接接頭裸露使用要求，焊接材料的熔敷金屬耐大氣腐蝕指數(shù)I≥6.0。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 靜力分析

本橋設(shè)計荷載考慮恒載、汽車、制動力、風(fēng)荷載、溫度荷載及施工臨時荷載。其中，恒載包括自重、二期恒載、基礎(chǔ)變位等，基礎(chǔ)沉降按中墩2.0 cm，邊墩1.0 cm計算[18]。對于溫度荷載，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件，考慮鋼結(jié)構(gòu)整體升溫35 ℃，整體降溫31 ℃，溫度梯度按照英國規(guī)范(BS5400 Steel， concrete and composite bridges)相應(yīng)條文執(zhí)行。成橋階段風(fēng)荷載按照J(rèn)TG/T 3360—01—2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》執(zhí)行，運營階段風(fēng)速重現(xiàn)期為100年，施工階段風(fēng)速重現(xiàn)期為20年；與汽車荷載組合的風(fēng)荷載按橋面處風(fēng)速25 m/s計算。

全橋總體靜力分析采用MIDAS空間有限元程序，并根據(jù)施工過程形成各階段計算圖式，分析結(jié)構(gòu)各階段的內(nèi)力和位移變化情況，建立有限元模型，如圖7、圖8所示。

圖7 施工階段模型

圖8 成橋階段模型

3.1.1 上部結(jié)構(gòu)

鋼箱梁的正交異性橋面板是由相互垂直的縱、橫向加勁肋和橋面頂板焊接成整體，以承受車輪荷載的橋面結(jié)構(gòu)，一般將正交異性橋面板分為3個基本體系進行研究：第一體系，即全橋體系，橋面板作為主梁的上翼緣，參與全橋整體受力；第二體系，即橋面體系，由縱肋、橫隔板和頂板組成，該體系彈性支承在主梁或縱腹板上，其邊界條件為縱梁和橫梁，承受橋面車輪荷載；第三體系，即頂板體系，帶有縱向加勁肋的面板彈性支承于橫隔板上，在輪軸荷載作用下，頂板和縱肋主要產(chǎn)生橫向應(yīng)力和變形。在荷載作用下，鋼橋面板任意點的應(yīng)力可由上述3個基本體系的應(yīng)力通過適當(dāng)方式疊加而求得，同時其容許應(yīng)力值可適當(dāng)提高。經(jīng)分析，在汽車活載作用下，跨中最大豎向下?lián)蠟?63 mm，撓跨比1/736，滿足JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》要求。

本橋各體系應(yīng)力疊加結(jié)果見表2，滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》要求。

表2 橋面板各體系應(yīng)力疊加結(jié)果 MPa

疲勞采用疲勞荷載計算模型Ⅰ，考慮多車道影響[19]。頂板正應(yīng)力幅最大為16.2 MPa，位于跨中附近；底板正應(yīng)力幅最大為34.2 MPa，位于跨中附近；腹板剪應(yīng)力幅最大為9.0 MPa，位于鋼箱梁端部附近；疲勞應(yīng)力幅均小于規(guī)范限值。

3.1.2 下部結(jié)構(gòu)

主墩墩頂、墩底截面配筋按縱筋φ32 mm，間距150 mm，雙筋并置，采用HRB400鋼筋。在持久狀況承載能力極限狀態(tài)下，主墩在最不利工況下(基本組合)，最小安全系數(shù)為4.75，滿足承載力要求；在持久狀況正常使用極限狀態(tài)下，主墩墩身在最不利工況下(頻遇組合)，裂縫寬度小于0.2 mm，滿足規(guī)范要求。

主墩樁基截面配筋按照縱筋φ28 mm，間距14.8 cm，單排布置。樁基截面承載能力最小安全系數(shù)為1.5；樁基豎向承載力驗算最小安全系數(shù)為1.38；最大裂縫寬度為0.055 mm，均滿足規(guī)范要求。

在持久狀況承載能力極限狀態(tài)下，主墩承臺抗剪驗算，順橋向安全系數(shù)為2.57，橫橋向安全系數(shù)為3.18；橋墩下沖切驗算安全系數(shù)為2.72；邊樁上沖切驗算安全系數(shù)為2.08，角樁上沖切驗算安全系數(shù)為2.89，均滿足規(guī)范要求。

3.2 動力分析3.2.1 結(jié)構(gòu)動力特性

結(jié)構(gòu)固有頻率和振型是最基本的動力特性。根據(jù)CJJ 166—2011《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》，考慮的振型階數(shù)應(yīng)在計算方向獲得90%以上的有效質(zhì)量，本橋計算取前90階振型，可滿足要求[20]。其中，前5階振型計算結(jié)果見表3。

表3 主橋前5階振型

3.2.2 抗震分析

橋址區(qū)地震基本烈度為7度，地震動峰值加速度0.10g，特征周期0.4 s，根據(jù)CJJ 166—2011《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，本工程橋梁屬乙類橋，抗震設(shè)計方法為A類，E1地震調(diào)整系數(shù)為0.61，E2地震調(diào)整系數(shù)為2.2。

在E1、E2地震作用下，各組合工況主橋橋墩截面及樁基礎(chǔ)最不利單樁截面地震彎矩小于其初始屈服彎矩，截面保持為彈性工作狀態(tài)，滿足預(yù)期性能目標(biāo)要求。在基本組合下，主墩墩底最大扭矩為2 409 kN·m；E2地震作用下，主墩墩底最大扭矩為15 089 kN·m，小于主墩墩底截面最大扭轉(zhuǎn)抗力77 495 kN·m，滿足規(guī)范要求。

3.3 轉(zhuǎn)體穩(wěn)定性分析

本橋2×120 m T構(gòu)的轉(zhuǎn)體懸臂較大，且主梁設(shè)有2%橫坡，抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)和抗滑動穩(wěn)定安全系數(shù)均應(yīng)大于1.3，并考慮2.5 m防護屏的風(fēng)荷載。經(jīng)核算，各項結(jié)果均滿足要求，如表4所示。

表4 轉(zhuǎn)體穩(wěn)定性分析

4 施工與監(jiān)控方案

本橋采用墩底轉(zhuǎn)體的施工方式，首先，施工主墩、轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤、上轉(zhuǎn)盤，試運行轉(zhuǎn)動裝置并臨時鎖定轉(zhuǎn)動裝置；其次，使用龍門吊進行鋼箱梁的節(jié)段拼裝焊接，安裝臨時索塔及拉索，并張拉索力至設(shè)計索力；然后，拆除支架，對轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)稱重，確保轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平衡后先試轉(zhuǎn)3°，最后進行轉(zhuǎn)體作業(yè)：左右幅同步轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)體速度保持一致以免碰撞；水平轉(zhuǎn)動梁體至成橋位置，就位于已搭設(shè)完成的支架上；在支架上進行上頂，鎖定上下轉(zhuǎn)盤，并對轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)進行封固，完成轉(zhuǎn)體施工。

為確保T構(gòu)轉(zhuǎn)體過程和成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)接近設(shè)計期望，全橋施工過程中進行嚴(yán)格的施工監(jiān)控。轉(zhuǎn)體施工監(jiān)控方案的監(jiān)測內(nèi)容主要有：①轉(zhuǎn)速監(jiān)測；②轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測；③轉(zhuǎn)體加速度和豎向振幅監(jiān)測；④應(yīng)力監(jiān)測，主要包括箱梁根部截面應(yīng)力監(jiān)測、橋墩底部截面應(yīng)力監(jiān)測和臨時索塔截面應(yīng)力監(jiān)測等內(nèi)容。監(jiān)控數(shù)據(jù)表明，施工過程中的結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力與計算結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)論

本橋以青島市新機場高速連接線主橋2×120 m鋼箱T構(gòu)連續(xù)梁上跨膠濟鐵路、青榮城際等鐵路方案設(shè)計為背景，對采用大跨度雙幅T構(gòu)同步轉(zhuǎn)體跨越既有鐵路全套技術(shù)進行深入研究，得到如下結(jié)論。

(1)本橋采用的臨時索塔輔助鋼箱梁T構(gòu)同步轉(zhuǎn)體施工技術(shù)，能夠有效減小轉(zhuǎn)體過程中T構(gòu)根部截面負(fù)彎矩及梁端撓度，保證了施工期懸臂狀態(tài)鋼箱梁的結(jié)構(gòu)安全及橋下多條鐵路的運輸安全，極大降低了橋梁造價。

(2)全焊接免涂裝耐候鋼結(jié)構(gòu)可避免螺栓脫落、鋼橋養(yǎng)護對鐵路運營造成安全隱患，同時降低了橋梁全壽命周期的運維成本。

(3)成橋狀態(tài)主橋靜動力受力性能良好，結(jié)構(gòu)安全可靠，為國內(nèi)目前最大轉(zhuǎn)體懸臂T構(gòu)連續(xù)梁，其安全、經(jīng)濟、高效的設(shè)計方案值得推廣。