高速上跨鐵路立交主橋施工技術研究

李 燁

（中鐵西安勘察設計研究院有限責任公司，陜西 西安 710054）

1 概述

1.1 工程概況

該工程上跨包西鐵路處，包西鐵路為雙線，線間距為6.03 m，為路基形式；上跨西延高鐵（在建）處，西延高鐵為32 m簡支箱梁結構，橋墩高度約12.0 m，摩擦樁基礎，樁長20 m，線間距為5.0 m，公路采用上跨包西鐵路、西延高鐵（在建）的形式［1］。

1.2 工程地質條件

本工程地形、地貌及地層巖性條件：橋梁沿黃土溝壑布設，橫跨沖溝，屬于黃土溝壑工程區(qū)地貌。橋址段的地基土共包括6個工程地質面，自上而下分別為硬塑粉質黏土、軟塑（可塑）粉質黏土、圓礫土、強風化泥巖、中風化砂巖和中風化泥巖。

2 橋型方案確定

由于大橋跨鐵路股道，所以在方案設計時應該注意減少施工對橋軌道整體運行的干擾，盡可能實現(xiàn)無干擾、無障礙的速度設計。由于包西鐵路與西延高鐵二條鐵路線間隔較小，鐵道的設計紅線限制距離也小于90 m，而且該橋與軌道中心線的相交點包西鐵路、西延高鐵（在建）鐵路中心線交角很大（78.2°），因此如果選擇小跨徑橋型時，應在軌道設計紅線的限制距離內建造立墩，這使小跨徑橋的立墩界限達不到設計要求。所以，應當選擇大跨橋梁的設計方案，通過一孔跨一條鐵路股道的方式保證橋梁主墩柱基礎的落腳位置。最終對各因素進行考量，選取跨徑布置為2×70 m。橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖（單位：cm）

大跨橋的主澆筑技術主要有懸臂澆筑法、頂推法和轉體法。如果使用懸臂澆筑技術進行施工，則需要向鐵路主管部門對施工天窗點進行咨詢，因此技術上比較復雜；如果通過頂推法進行安裝，需要在鐵路股道中央設置臨時橋墩，但在鐵路股道中央并不能實現(xiàn)臨時橋墩的安裝。所以，出于對施工期間鐵路的安全運營及后期維修的考慮，選用預應力混凝土變截面箱型T型鋼構梁，并選取轉體法進行施工［2-5］。先在包西鐵路西側平行包西鐵路、西延高鐵（在建）方向掛籃懸澆，后轉體施工就位。該施工方法周期短、方法簡單且對鐵路安全運營影響較小。

該橋位于半徑R=1 120 m的緩和曲線上，主橋橋式為2×70 m預應力混凝土變截面箱型T構，橋長140 m，整幅設置，整幅寬33.6 m，基礎采用樁徑28根1.8 m的端承樁，從包西鐵路K579+071.2處和西延高鐵DK292+345.86處（西延高鐵簡支箱梁段）上跨通過。

3 結構設計

3.1 主梁設計

主橋上部構件采用預應力混凝土變截面箱梁，為單箱四室斜腹梁橫截面，箱梁采用吊籃懸澆和支架混凝土現(xiàn)澆法施工。梁部設置縱坡，與右線坡率一致（-0.783%）。橋梁位于左右設計線分叉和曲線地段，采用整體截面形式包絡車行道、防撞墻和檢測電網(wǎng)?？紤]梁端橋墩徑向布置，梁頂平面為梯形，梁縱向中心線為梁端截面的中心連線，與左右設計線有一定偏離。箱梁長度和樓板厚采用二次拋物線方式控制，中心支點橫隔板箱梁長度和樓板厚采用二次拋物線方式控制，中心支點橫隔板厚度為1.5 m，兩邊支點橫隔板厚度為1.5 m，橋端到支承中心的間距為0.7 m，箱梁均為三向預應力結構。

使用Midas Civil程序，對外部預應力混凝土變橫截面箱梁段進行結構估算，根據(jù)計算模型按照梁段分類、施工次序和工藝流程，對每個梁段均充分考慮了掛籃活動安裝就位、混凝土水泥施工、外預應力鋼束張拉施工等3個主要施工節(jié)點。計算荷載包括：自重、二期恒載、預應力荷載（縱向預應力荷載、豎向預應力荷載、橫向預應力荷載、掛籃自重、混凝土自重、支座沉降、溫度荷載、可變荷載），計算內容包括以下三點。一是對主橋上部結構作出了縱向計算，并分別作出了成橋狀況下恒載、內部活載、外部預應力、混凝土壓縮徐變、支座沉降、高溫變化等因素的估計。計算中根據(jù)承載能力的限制狀況與一般使用極限狀況下執(zhí)行最大作用效果配合，以最不利效應組合控制設計。二是對箱梁及橫向橋面板按框架的設計方法，進行截面選擇。三是主橋上部結構施工階段計算，對全橋每個施工階段中的內力、應力、撓度進行計算和驗算。結果表明，在不同情況下的截面內力、應力比和抗拉強度都符合有關標準。主橋上部結構施工嚴格遵守相關規(guī)范要求執(zhí)行。

3.2 主墩設計

主橋墩3#墩為空心墩，單箱雙室橫向截面，承臺頂部均為箱梁膠結結構，墩墻厚度為1.1 m，承臺頂部橫橋向墩頂寬19 m，墩底寬12 m，承臺頂部順橋向墩頂寬16.4 m，墩底寬8 m，轉體下橋墩墩底設置6.0 m實體段，墩高為54.5 m。由于在墩中設置轉體系統(tǒng)，轉體上橋墩高5 m，采用實心，轉體下橋墩設置6.0 m厚實體段。最后，利用Midas Civil程序對預應力混凝土單箱雙室主墩進行結構計算，其中計算荷載除了梁部所考慮的全部荷載之外，還有溫度荷載、風荷載和離心力。

設計時，根據(jù)最大承載能力的極限狀態(tài)與對正常性能極限狀態(tài)的作用綜合考慮，用最大影響因素進行設計。通過對主墩承載能力、主墩裂縫驗算和主墩承臺、樁基、轉體過程進行計算，計算結果表明主墩均滿足各個相關規(guī)范的設計要求。對于轉體過程中主墩的計算，采用Midas FEA對轉體過程中主墩應力進行實體分析。

3.3 轉體結構

該橋梁的轉換體制網(wǎng)絡系統(tǒng)主要由承載體系、旋轉牽引力體系和平衡體系構成。其中，承載體系主要由下轉盤和上轉盤構成，下轉盤安裝于下段橋墩上，以支承轉換體制網(wǎng)絡系統(tǒng)的整體載荷，上轉盤為轉體的主要支撐構件，該橋梁的上轉盤和該橋梁連為整體，在上、下轉盤之間均設有雙球鉸裝置，利用上、下轉盤的相對旋轉來實現(xiàn)轉體運動，使在整個轉換體制網(wǎng)絡系統(tǒng)中形成了一個多向、立體的整體承載網(wǎng)絡。旋轉牽引力體系主要由連續(xù)螺旋千斤頂、液壓泵車和主控臺等構成，為整個轉換體系施工過程提供了旋轉驅動力；均衡體系主要由梁本身和實現(xiàn)穩(wěn)定轉體的配重構成，T構為完全自平衡體系，需要實現(xiàn)橫橋向和順橋向各轉盤重心的力矩均衡，在轉體前需要通過承重能力的檢驗，如不能均衡則可通過調整梁上配筋的方式改變均衡情況，轉體系統(tǒng)布置如圖2所示。

圖2 轉體系統(tǒng)布置圖（單位：cm）

該橋為墩中轉體，下轉盤設置在下段墩身上，上轉盤設置在上段墩身上，上段墩身又與梁部直接連接。由于轉體需要，墩身主筋將被截斷，但主筋在同一截面處截斷量不超過50%。轉體完成后，需用套筒將截斷的主筋連接起來，并采用自密實混凝土澆筑這部分墩身（封固轉體球鉸），待混凝土澆筑完成到達強度后，張拉預埋在墩身中的豎向預應力鋼束，最終形成完整橋墩和墩梁剛性連接結構。施工時，應注意上下段墩身預埋鋼筋和預應力鋼束及其管道的精確位置，保證轉體完成后上下墩身間預埋鋼筋能準確連接、預應力穿索順利張拉。

下轉盤設置于下段墩之上，承載了轉體結構的全部重量，在墩空心頂部附近設置了縱橫向預應力鋼束。下轉盤上設有回轉系統(tǒng)的下球鉸、保險撐腳環(huán)式滑道，以及回轉體的牽引千斤頂反作用力座、豎向連接鋼筋和預應力鋼束等。球鉸由上下二個鋼質球板構成，上板呈凸型，并透過圓錐臺和上面的誘導轉盤相連，上轉盤則設在誘導轉盤旁；下表面均為凹面，并嵌固在下轉盤頂墊石上，中心轉盤直徑均為5.28 m。上、下表面均是由40 mm厚度鋼管擠壓而成的結構球面。旋轉體的基礎為旋轉球鉸，這是旋轉體施工的基礎構件，其生產(chǎn)和施工質量要求較高，需要精心制作，細心施工。鋼珠鉸面由工廠生產(chǎn)，在下球鉸表面按規(guī)定方向銑鉆聚四氟乙烯鋼板鑲嵌鉆孔，并在下球鉸表面設置適當?shù)匿摻钫駬v口，以便于球鉸表面下鋼筋的澆筑。

上轉盤布有縱、橫向預應力鋼筋。轉臺直徑為1 180 cm，高度為100 cm。轉臺是球鉸、撐腳與上轉盤相連接的部分，又是轉體牽引力直接施加的部位。上轉盤平臺內設置轉動系統(tǒng)牽拉索，預埋施工端為P型錨具。同一對索的錨固定在同一直徑線上并對稱于圓心，注意各對索的預埋施工標高與牽引位置要一致。每對索的轉盤直徑超過300 cm時，每對索的出口點對稱于轉盤中心。牽引索外露部分圓順地纏繞在轉盤周圍，互不干擾地擱置于預埋鋼筋上，并做好保護，避免在安裝過程中鋼筋絞路損壞和嚴重銹蝕。待上盤鋼筋滿足設計承載力后，完成整個轉動系統(tǒng)與支承構件的轉換。抽去的擠壓板使旋轉平臺支撐在球鉸上，從而增加旋轉扭矩，使旋轉平臺繞球鉸的中心軸線旋轉。同時檢測球鉸的工作方向是否正確，計算其摩擦系數(shù)，為回轉體施工奠定基礎。

從上述工程概況中不難看出，該橋的轉體重量（W=245 000 kN）及角度（77.5°）較大。在該橋施工過程中，轉體施工是施工的關鍵步驟，關系到整個施工質量的好壞。轉換啟動時的靜摩擦系數(shù)μ=0.1，而轉動過程中的動摩擦系數(shù)μ=0.06，由式F=W×μ可得靜摩擦力約為24 500 kN；動摩擦力是14 700 kN?？梢酝ㄟ^式（1）對轉體的拽拉力進行計算。

式中：R為球鉸平面半徑，R=264 cm；D為轉臺直徑，D=1 180 cm。

計算后得出，轉體啟動時所需最大驅動力T=3 654 kN，轉體轉動過程中所需牽引力T=2 193 kN。

限制實際轉體結構沿不均勻的體系運動，或通過人為限制實際轉體結構傾向后側運動，使一支持腿更靠近滑道，使該支持腿的最大反作用力不大于2 000 kN。在上述規(guī)定的轉動情況下，計算牽引力公式如式（2）。

式中：N為轉體時支撐腿主要的支撐力，N=2 000 kN；R撐為支撐腿半徑，R=5 m。最后經(jīng)過運算確定起步和轉彎時所需要的最大驅動力T＇1=3 739.0 kN，T＇2=2 243.3 kN。故該橋通過牽引錨固且纏繞于直徑為1 180 cm的轉臺周圍上的38-Φs15.2 mm鋼絞線，使得轉動體系轉動。

4 結語

延安東繞城高速公路上跨包西鐵路、西延高鐵立交工程主橋采用預應力混凝土變截面箱型T構，采用轉體施工法進行施工，合計工期550 d。通過對主橋梁結構，主墩和轉體結構進行方案設計、計算、驗算，得到了合理、經(jīng)濟的工程施工方案。該方案最大程度地保證了施工期間鐵路運輸?shù)倪\營安全，可為其他工程提供經(jīng)驗及借鑒。