動(dòng)力設(shè)置于邊墩的墩頂轉(zhuǎn)體法在京雄城際鐵路中的應(yīng)用

邢繼勝，劉凱

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 土建工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300308）

1 常規(guī)轉(zhuǎn)體施工方法

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)飛速發(fā)展，新建鐵路跨越既有鐵路、公路和城市道路的情況日益增多，對(duì)施工過程中的安全要求也大幅提高，懸臂澆筑等傳統(tǒng)的連續(xù)梁施工方法已難以滿足工程建設(shè)需要。在鐵路建設(shè)中，連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工法作為一種有效減少橋梁施工對(duì)既有跨越工點(diǎn)影響、確?？缭焦c(diǎn)安全的施工方法，得到了越來越多的應(yīng)用。

常規(guī)的連續(xù)梁轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)由下盤、球鉸、上盤、撐腳、滑道和牽引系統(tǒng)等組成。其中，球鉸是轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的核心，牽引系統(tǒng)提供結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力。根據(jù)球鉸位置不同，連續(xù)梁轉(zhuǎn)體可分為墩底轉(zhuǎn)體和墩頂轉(zhuǎn)體。

1.1 墩底轉(zhuǎn)體法

常規(guī)的墩底轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，以承臺(tái)為下盤、加臺(tái)為上盤，轉(zhuǎn)體球鉸、撐腳、砂箱均設(shè)置于下盤與上盤之間，通過牽引系統(tǒng)牽引上盤，帶動(dòng)梁體轉(zhuǎn)動(dòng)就位。轉(zhuǎn)體施工作業(yè)主要在地面進(jìn)行，在轉(zhuǎn)體前和轉(zhuǎn)體過程中，轉(zhuǎn)體梁段與橋墩需要臨時(shí)固結(jié)，直至轉(zhuǎn)體就位或連續(xù)梁合龍后，再進(jìn)行拆除。上盤以上橋墩、梁部及臨時(shí)固結(jié)措施等均計(jì)入轉(zhuǎn)體質(zhì)量［1-2］，同等跨度條件下，球鉸噸位大于墩頂轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，墩底轉(zhuǎn)體一般適用于橋墩、臨時(shí)措施引起的附加噸位不大以及中墩地面較平整的工點(diǎn)［3-4］。墩底轉(zhuǎn)體施工示意見圖1。

圖1 墩底轉(zhuǎn)體施工示意圖

1.2 動(dòng)力設(shè)置于中墩的墩頂轉(zhuǎn)體法

調(diào)研顯示，鐵路建設(shè)中常規(guī)的墩頂轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，動(dòng)力一般設(shè)置于中墩墩頂［5-6］。利用中墩墩頂為下盤，連續(xù)梁0號(hào)塊為上盤。轉(zhuǎn)體球鉸、撐腳與臨時(shí)砂箱均設(shè)置于墩頂與連續(xù)梁0號(hào)塊之間，千斤頂反力座設(shè)置于墩頂或臨時(shí)工作平臺(tái)上。施工中墩墩頂時(shí)，需預(yù)設(shè)下球鉸、滑道及牽引索反力座。連續(xù)梁對(duì)稱段在施工完成后進(jìn)行轉(zhuǎn)體，轉(zhuǎn)體就位后進(jìn)行“邊跨合龍→移除銷軸→頂升中墩處梁體→移除襯板→安裝永久支座→落梁→中跨合龍”等工序。轉(zhuǎn)體施工作業(yè)主要在墩頂進(jìn)行［7-8］。為保證轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)置、轉(zhuǎn)體作業(yè)設(shè)備及操作空間的要求，墩頂及連續(xù)梁0號(hào)塊較墩底轉(zhuǎn)體一般需增加尺寸，并在中墩墩頂周圍搭設(shè)工作平臺(tái)。墩頂轉(zhuǎn)體一般適用于橋墩、臨時(shí)措施引起的附加噸位較大的工點(diǎn)［9-10］。動(dòng)力設(shè)置于中墩的墩頂轉(zhuǎn)體施工示意見圖2。

圖2 動(dòng)力設(shè)置于中墩的墩頂轉(zhuǎn)體施工示意圖

2 動(dòng)力設(shè)置于邊墩的墩頂轉(zhuǎn)體法

京雄城際鐵路固安特大橋于DK55+027.49跨越廊涿高速公路，交叉角度（右角）為45°19＇0＂，既有路寬27 m、規(guī)劃路寬50 m（見圖3）。固安特大橋設(shè)計(jì)采用（72+128+72）m連續(xù)梁跨越，主墩高分別為7.5 m和9.0 m。為有效減少連續(xù)梁施工對(duì)交通的影響，并且盡量減小球鉸噸位、降低工程造價(jià)，擬采用連續(xù)梁旁位現(xiàn)澆、墩頂轉(zhuǎn)體就位的施工方法。

圖3 固安特大橋跨越廊涿高速公路轉(zhuǎn)體平面示意圖

京雄城際鐵路作為首都北京與雄安新區(qū)的重要聯(lián)系通道，在設(shè)計(jì)過程中不斷深入貫徹“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念，聚焦《新時(shí)代交通強(qiáng)國(guó)鐵路先行規(guī)劃綱要》，圍繞“三個(gè)世界領(lǐng)先、三個(gè)進(jìn)一步提升”，全力打造新時(shí)代精品工程。因此，在工點(diǎn)設(shè)計(jì)中將“安全、經(jīng)濟(jì)”與“創(chuàng)新、美觀”有機(jī)結(jié)合，提出一種全新的墩頂轉(zhuǎn)體法。

2.1 總體設(shè)計(jì)

將常規(guī)的墩底轉(zhuǎn)體法和墩頂轉(zhuǎn)體法代入固安特大橋連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工的總體設(shè)計(jì)中進(jìn)行分析：

（1）墩底轉(zhuǎn)體法。球鉸噸位包含轉(zhuǎn)體梁段及橋墩質(zhì)量，導(dǎo)致轉(zhuǎn)體球鉸噸位較大。經(jīng)計(jì)算，墩底轉(zhuǎn)體球鉸設(shè)計(jì)豎向承載力為113 000 kN。

（2）動(dòng)力設(shè)置于中墩的墩頂轉(zhuǎn)體法。墩頂及連續(xù)梁0號(hào)塊永久結(jié)構(gòu)需要根據(jù)球鉸需求增加尺寸，對(duì)成橋視覺景觀效果有一定影響；轉(zhuǎn)體設(shè)備設(shè)置于墩頂，需搭設(shè)工作平臺(tái)，施工操作煩瑣且具有一定安全風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)計(jì)算，該方法中轉(zhuǎn)體球鉸設(shè)計(jì)豎向承載力為82 000 kN。

綜合以上分析，提出對(duì)常規(guī)的墩頂轉(zhuǎn)體法進(jìn)行改進(jìn)，將動(dòng)力設(shè)置于邊墩，其墩頂轉(zhuǎn)體施工示意見圖4。如圖所示，在該方法中，球鉸設(shè)置于中墩頂部、牽引系統(tǒng)設(shè)置于邊支點(diǎn)附近，邊跨支柱頂端在邊跨永久支座附近支承梁體，底端支撐于滑道。

圖4 動(dòng)力設(shè)置于邊墩的墩頂轉(zhuǎn)體施工示意圖

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 支承系統(tǒng)

支承系統(tǒng)可承受轉(zhuǎn)體質(zhì)量并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，在動(dòng)力設(shè)置于邊墩的墩頂轉(zhuǎn)體法中，支承系統(tǒng)即轉(zhuǎn)體球鉸。轉(zhuǎn)體球鉸設(shè)計(jì)應(yīng)滿足球鉸鋼材、球鉸滑片受力要求。本工點(diǎn)轉(zhuǎn)體球鉸設(shè)計(jì)豎向承載力為82 000 kN，由上球鉸、聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板、下球鉸、銷軸等部件組成。其中，上、下球鉸采用ZG270-500級(jí)鑄鋼整體加工而成，其他鋼材采用Q345。上、下球鉸球體半徑分別為6 997 mm和7 008 mm，球面承壓直徑2 800 mm。上球鉸與梁底用錨栓連接，隨梁體一起旋轉(zhuǎn)。下球鉸為底平、上凹的球體，下球鉸的上凹面刻有直徑60 mm、深10 mm嵌槽，用以嵌放聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板，嵌槽呈環(huán)形排列。銷軸為直徑450 mm的鋼柱。上球鉸與連續(xù)梁0號(hào)塊之間設(shè)置30 mm厚襯板，轉(zhuǎn)體就位后將襯板移除，實(shí)現(xiàn)上下球鉸球面脫離接觸，球鉸作為防落梁裝置繼續(xù)保留。轉(zhuǎn)體球鉸立面及平面示意見圖5。

圖5 轉(zhuǎn)體球鉸立面及平面示意圖

2.2.2 平衡系統(tǒng)

平衡系統(tǒng)是防止轉(zhuǎn)動(dòng)體傾覆的裝置，一般由撐腳、滑道、砂箱等部件組成。撐腳對(duì)稱布置于球鉸外側(cè)，支撐于滑道上。撐腳、滑道、砂箱等設(shè)施均需支撐在上、下轉(zhuǎn)盤之間，其與球鉸的距離受限于上、下盤尺寸，一般都很小?？紤]到本工點(diǎn)將轉(zhuǎn)體動(dòng)力設(shè)置于邊墩位置，通過綜合比較，創(chuàng)新性地取消了撐腳與砂箱，提出由邊跨支柱和滑道構(gòu)成轉(zhuǎn)體平衡系統(tǒng)的方案。方案中，邊跨支柱由鋼管混凝土立柱和柱底鋼板組成，其頂端在連續(xù)梁邊跨永久支座附近支撐梁體（距離球鉸中心線70 m），底端通過柱底鋼板支撐于滑道。柱底鋼板與滑道間設(shè)置聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板?；啦贾糜谶吙缰е虏?，平面曲線半徑為70 m，長(zhǎng)度按照轉(zhuǎn)體行程設(shè)計(jì)。滑道采用混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土頂面設(shè)置3 mm厚鋼板，鋼板表面鋪設(shè)聚四氟乙烯復(fù)合夾層滑板。在轉(zhuǎn)體開始前，連續(xù)梁支撐于梁體臨時(shí)支架上，邊跨支柱與滑道不承受荷載。轉(zhuǎn)體平衡系統(tǒng)構(gòu)造示意見圖6。

圖6 轉(zhuǎn)體平衡系統(tǒng)構(gòu)造示意圖

2.2.3 牽引系統(tǒng)

牽引系統(tǒng)是為轉(zhuǎn)體施工提供動(dòng)力牽引的機(jī)械設(shè)備及裝置，由牽引索、千斤頂和千斤頂反力座組成。

轉(zhuǎn)體所需牽引力計(jì)算如下：

式中：F為轉(zhuǎn)體牽引力，kN；Rs為球鉸平面半徑，本工點(diǎn)為1.4 m；R'為滑道中心半徑，即邊跨支柱中心至球鉸中心距離，本工點(diǎn)為70 m；Gm為球鉸承重，本工點(diǎn)為81 776 kN；Gs為邊跨支柱承重，本工點(diǎn)為5 182 kN；D為轉(zhuǎn)體力臂，即牽引力作用點(diǎn)至球鉸中心距離，本工點(diǎn)為70 m；μ為球鉸靜摩擦系數(shù)，取0.1；μ'為滑道靜摩擦系數(shù)，取0.1。

按以上公式計(jì)算，轉(zhuǎn)體最大牽引力Fmax為628 kN。選用2組液壓同步自動(dòng)連續(xù)牽引系統(tǒng)，由連續(xù)千斤頂、液壓泵站及主控臺(tái)組成，牽引設(shè)備應(yīng)按最大牽引力的2倍以上配置。正式轉(zhuǎn)體前，進(jìn)行試轉(zhuǎn)，檢查球鉸運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，測(cè)定實(shí)際摩擦系數(shù)μ、μ'，并校核實(shí)際轉(zhuǎn)體牽引力F。

2.3 施工順序

本工點(diǎn)連續(xù)梁轉(zhuǎn)體主要施工步驟如下：

（1）改移或改造相干擾的光纜、電纜等設(shè)施；施工樁基、承臺(tái)及橋墩，其中，中墩施工至墩頂時(shí)安裝球鉸。

（2）在轉(zhuǎn)體前，橋位搭設(shè)梁下支架，并按要求預(yù)壓；完成連續(xù)梁轉(zhuǎn)體段梁部施工（即不含跨中合龍段）。

（3）在連續(xù)梁梁部施工的同時(shí)，完成滑道、邊跨支柱、牽引系統(tǒng)等轉(zhuǎn)體設(shè)施的施工及安裝。

（4）連續(xù)梁邊跨合龍后，解除中墩墩頂臨時(shí)鎖定設(shè)施，移除橋上與轉(zhuǎn)體無關(guān)的施工機(jī)具或臨時(shí)設(shè)備。

（5）試轉(zhuǎn)，檢查球鉸的運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，并測(cè)定摩阻系數(shù)等。

（6）利用牽引系統(tǒng)牽引邊跨支柱，使邊跨支柱沿滑道平轉(zhuǎn)并帶動(dòng)梁體平轉(zhuǎn)至設(shè)計(jì)梁位。

大梁睜大眼睛瞄著我，臉上木木的，半天不說話。發(fā)了會(huì)兒怔，又轉(zhuǎn)過頭，瞅著對(duì)面的山墻，眉頭皺成一堆兒。我說你累了幾天了，早點(diǎn)兒歇息吧。說完我就帶上了門，想出去轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。

（7）梁體平轉(zhuǎn)就位后，進(jìn)行移除邊跨支柱→安裝邊墩永久支座→移除球鉸銷軸→頂升中墩處梁體→移除球鉸襯板→安裝中墩永久支座→落梁等工序。

（8）拆除滑道、千斤頂反力座等轉(zhuǎn)體設(shè)施，至此完成連續(xù)梁轉(zhuǎn)體相關(guān)工作。

（9）安裝跨中合龍吊架，施工跨中合龍段。施工橋面附屬，至此完成本工點(diǎn)連續(xù)梁梁體施工。

3 技術(shù)特點(diǎn)

動(dòng)力設(shè)置于邊墩的墩頂轉(zhuǎn)體法在京雄城際鐵路中的成功應(yīng)用，為連續(xù)梁轉(zhuǎn)體的設(shè)計(jì)提供了一種全新的設(shè)計(jì)思路，并總結(jié)出以下特點(diǎn)：

（1）轉(zhuǎn)體球鉸設(shè)置于墩頂，相對(duì)于墩底轉(zhuǎn)體降低了球鉸噸位。

（3）牽引力臂很長(zhǎng)，可有效減少牽引力，對(duì)于本工點(diǎn)，牽引力僅為墩底轉(zhuǎn)體牽引力的15%。

（4）引入邊跨支柱的設(shè)計(jì)理念，將傳統(tǒng)轉(zhuǎn)體施工的單點(diǎn)支撐體系改變?yōu)殡p點(diǎn)支撐體系，使得施工過程中，橋梁支撐體系更加穩(wěn)固安全，大幅度降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，并節(jié)約撐腳、砂箱等臨時(shí)構(gòu)造的設(shè)置。

（5）轉(zhuǎn)體完成后，球鉸作為防落梁設(shè)施繼續(xù)保留，實(shí)現(xiàn)了永臨結(jié)合。

4 結(jié)束語

2019年5月，京雄城際鐵路跨廊涿高速公路的動(dòng)力設(shè)置于邊墩的墩頂轉(zhuǎn)體順利完成。該方法是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的不平衡長(zhǎng)懸臂墩頂轉(zhuǎn)體施工方法，是我國(guó)目前為止噸位最大的高速鐵路橋梁墩頂轉(zhuǎn)體、跨度最大的高速鐵路連續(xù)梁墩頂轉(zhuǎn)體，也是同等噸位轉(zhuǎn)體中牽引荷載最小的轉(zhuǎn)體方式。動(dòng)力設(shè)置于邊墩的墩頂轉(zhuǎn)體法在京雄城際鐵路中的成功應(yīng)用，開拓了鐵路連續(xù)梁轉(zhuǎn)體的新理念，豐富了我國(guó)高速鐵路橋梁的設(shè)計(jì)和建造技術(shù)。

連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工法具有不影響所跨越道路或鐵路運(yùn)營(yíng)的優(yōu)點(diǎn)，是跨線、跨越重要工點(diǎn)橋梁的首選方案。采用墩頂轉(zhuǎn)體法施工的連續(xù)梁，減輕了轉(zhuǎn)體質(zhì)量，降低了施工難度，減少了跨線施工對(duì)既有線路運(yùn)營(yíng)安全的影響，大大降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)顯著。而動(dòng)力設(shè)置于邊墩的墩頂轉(zhuǎn)體法，將轉(zhuǎn)體施工作業(yè)場(chǎng)地移至邊墩附近地面，降低了作業(yè)難度；增加了牽引力臂，有效地減少了牽引力；利用邊跨支柱提供抗傾覆支承作用，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)體過程中的穩(wěn)定性，具有廣闊的應(yīng)用前景。