高鐵上跨既有鐵路框架墩轉(zhuǎn)體施工技術(shù)與應(yīng)用

鄧錫保 楊喜文 韓曉方 梁 磊 謝秉敏

(1. 中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司,深圳 518001; 2. 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司,北京 100055)

引言

截至2022 年底,我國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)總里程已達(dá)15.5 萬(wàn)km,其中高速鐵路為4.2 萬(wàn)km。 隨著路網(wǎng)密度的不斷增加,在鐵路建設(shè)過(guò)程中,新建線路以橋梁上跨既有鐵路成為常見(jiàn)工程現(xiàn)象,斜交角度越小,需要跨越的既有鐵路范圍越大。 上跨橋梁在施工期間以及后期運(yùn)維過(guò)程中均會(huì)對(duì)橋下既有鐵路的正常運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生不利影響,因此需要通過(guò)研究確定合理的上跨橋梁設(shè)計(jì)和施工方案。

目前,新建線路多采用大跨度結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體上跨既有鐵路。 已有學(xué)者開(kāi)展相關(guān)研究,左家強(qiáng)和李偉分別針對(duì)邯濟(jì)鐵路至膠濟(jì)鐵路聯(lián)絡(luò)線工程上跨膠濟(jì)高鐵和廣佛江珠城際鐵路跨越5 條鐵路線的橋梁方案進(jìn)行研究,均采用大跨度斜拉橋方案轉(zhuǎn)體施工跨越既有鐵路[1-2];馬行川對(duì)跨線橋轉(zhuǎn)體技術(shù)的特點(diǎn)和局限性進(jìn)行歸納和總結(jié)[3];鄒永偉等提出一種鐵路連續(xù)梁墩頂轉(zhuǎn)體技術(shù)[4];陳頻志對(duì)鐵路V 形橋墩轉(zhuǎn)體跨越既有線技術(shù)進(jìn)行研究[5];李輝等提出一種永臨結(jié)合的連續(xù)梁墩頂轉(zhuǎn)體施工方法[6];田小路和劉正飛等提出一種轉(zhuǎn)體連續(xù)梁中跨合龍鋼殼法技術(shù)[7-8];丁仕洪對(duì)桁架梁橋異位成型及轉(zhuǎn)體施工技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用[9];黃小安和姚杰分別研究跨度160 m 和132 m 簡(jiǎn)支鋼桁梁跨越既有鐵路的轉(zhuǎn)體技術(shù)和實(shí)踐應(yīng)用[10-11];張壯等對(duì)鐵路大跨度鋼-混凝土組合梁橋在轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中的受力性能進(jìn)行分析[12]。 另外,部分新建線路以框架墩橋梁跨越既有鐵路,也可采用鋼橫梁,并通過(guò)汽車(chē)吊吊裝施工[13]。

大跨度橋梁上跨既有鐵路不僅工程造價(jià)較高,而且這些橋梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜,施工周期長(zhǎng),橋塔等高空施工作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)高。 基坑開(kāi)挖和后期沉降可能會(huì)對(duì)既有鐵路的正常運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響[14],尤其是高速鐵路,對(duì)變形控制嚴(yán)格,而轉(zhuǎn)體連續(xù)梁須要在既有鐵路上方合龍,無(wú)疑增加了安全風(fēng)險(xiǎn)[15]。 另外,大跨結(jié)構(gòu)通常需要設(shè)置溫度調(diào)節(jié)器,而小角度斜交位置又常處于平曲線上[16],給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。 對(duì)于框架墩橋梁而言,在鋼橫梁吊裝過(guò)程中,除存在汽車(chē)吊傾覆的風(fēng)險(xiǎn)外,還存在觸電風(fēng)險(xiǎn),因此施工安全風(fēng)險(xiǎn)較高。

采用轉(zhuǎn)體方法施工框架墩,可以提高框架墩橋梁在跨越既有鐵路時(shí)的安全性,減少沉降對(duì)既有鐵路的不利影響,縮短施工周期,降低工程造價(jià)和運(yùn)營(yíng)期維護(hù)成本。

1 框架墩轉(zhuǎn)體施工技術(shù)

1.1 總體施工方案

框架墩為門(mén)式結(jié)構(gòu),在鐵路上常用于新建線路跨越既有公路、市政道路和鐵路等既有線路,框架墩由橫梁、兩個(gè)墩柱及其基礎(chǔ)組成,上部結(jié)構(gòu)支承在橫梁上。框架墩轉(zhuǎn)體施工的主要目的是通過(guò)安全性較高的轉(zhuǎn)體施工方法實(shí)現(xiàn)橫梁就位。

框架墩的兩個(gè)墩柱分為轉(zhuǎn)體墩柱和非轉(zhuǎn)體墩柱,橫梁與轉(zhuǎn)體墩柱連接固定,形成“倒L 形”轉(zhuǎn)體單元。因框架墩的轉(zhuǎn)體單元為非平衡結(jié)構(gòu),故需要通過(guò)配重使轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)保持平衡,轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)在轉(zhuǎn)體墩柱的墩底承臺(tái)上,見(jiàn)圖1。 在施工過(guò)程中,首先施工橋墩基礎(chǔ),安裝轉(zhuǎn)體系統(tǒng),澆筑橋墩混凝土;然后平行既有線路搭設(shè)支架,在支架上拼裝橫梁和配重平衡架,并將橫梁與轉(zhuǎn)體墩柱及配重架固定連接;然后按照計(jì)算確定的配重荷載在配重架施加壓重[17];最后拆除支架,通過(guò)轉(zhuǎn)體施工將橫梁轉(zhuǎn)體就位,并與非轉(zhuǎn)體墩柱固定連接,完成框架墩施工。

圖1 框架墩轉(zhuǎn)體施工方案示意

1.2 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)

框架墩的轉(zhuǎn)體系統(tǒng)主要包括球鉸、滑道、撐腳、助推反力支座和張拉牽引系統(tǒng)[18],其總體布置見(jiàn)圖2。

圖2 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)布置

轉(zhuǎn)體過(guò)程中,張拉牽引系統(tǒng)牽動(dòng)整個(gè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng),是轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源,可通過(guò)以下兩種工況確定牽引力的大小。

(1)轉(zhuǎn)體質(zhì)量完全由球鉸承擔(dān),根據(jù)力矩平衡,通過(guò)圓面積積分可得

(2)考慮轉(zhuǎn)體質(zhì)量不平衡,引起的不平衡彎矩為M,此時(shí)撐腳著地,牽引力需要克服球鉸和撐腳兩處摩阻力,根據(jù)力的平衡,牽引力為

式中,T為對(duì)稱(chēng)設(shè)置2 根牽引索時(shí),單根索的拉力;μ為摩擦系數(shù),啟動(dòng)時(shí)靜摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)動(dòng)摩擦系數(shù)可分別取0.1 和0.06[19];W為轉(zhuǎn)體質(zhì)量;R為轉(zhuǎn)鉸球面半徑;D為牽引索轉(zhuǎn)臺(tái)的直徑;r為撐腳至轉(zhuǎn)體中心的距離;W撐腳為撐腳分擔(dān)的質(zhì)量,W撐腳=M/r;W鉸為球鉸分擔(dān)的質(zhì)量,W鉸=W-W撐腳。

撐腳支撐于滑道,可提高轉(zhuǎn)體過(guò)程中系統(tǒng)的抗傾覆穩(wěn)定性[20],撐腳通常采用鋼管結(jié)構(gòu),根據(jù)受力需要確定是否灌注混凝土。

1.3 合龍連接技術(shù)

轉(zhuǎn)體合龍連接位置設(shè)在非轉(zhuǎn)體墩柱的鋼混結(jié)合段上,合龍連接方案見(jiàn)圖3。

圖3 框架墩鋼橫梁合龍連接方案

轉(zhuǎn)體施工前,將非轉(zhuǎn)體墩柱上鋼混結(jié)合段的鋼結(jié)構(gòu)分為一、二兩部分,結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)一與鋼橫梁整體制造,并隨鋼橫梁轉(zhuǎn)體就位,結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)二臨時(shí)支撐于非轉(zhuǎn)體墩柱頂端。 鋼橫梁轉(zhuǎn)體到設(shè)計(jì)位置后,首先利用千斤頂A 起頂、調(diào)整鋼橫梁的線形和位置,然后利用千斤頂B 將結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)二起頂并與結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)一下緣對(duì)齊,用螺栓臨時(shí)固定,然后將結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)一、二兩部分焊接,最后灌注結(jié)合段混凝土,形成框架墩結(jié)構(gòu)。

2 轉(zhuǎn)體框架墩跨越能力分析

框架墩轉(zhuǎn)體過(guò)程中,橫梁處于懸臂狀態(tài),與成橋狀態(tài)相比受力較為不利,橫梁應(yīng)力和梁端撓度是控制轉(zhuǎn)體框架墩適用跨度范圍的關(guān)鍵因素,選取8 座采用常規(guī)施工方法實(shí)施的框架墩,分析鋼橫梁在一端懸臂狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和梁端撓度。

2.1 分析工況

已實(shí)施的8 座框架墩的跨度和結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表1,跨度范圍為18~30 m,墩柱高12~31.5 m,鋼橫梁為箱形截面,高2.7~2.8 m,1~3、5 和6 號(hào)鋼橫梁寬3.7 m,4 號(hào)鋼橫梁寬4.5 m,7 和8 號(hào)鋼橫梁寬3.28 m,橫梁頂、底板厚28~36 mm,腹板厚20~28 mm,橫梁斷面見(jiàn)圖4。

表1 框架墩跨度和結(jié)構(gòu)尺寸m

圖4 框架墩鋼橫梁斷面(單位:mm)

轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中鋼橫梁處于懸臂受力狀態(tài),在結(jié)構(gòu)自重作用下,分析鋼橫梁的應(yīng)力和梁端撓度。

2.2 分析結(jié)果

鋼橫梁的應(yīng)力和梁端撓度分析結(jié)果見(jiàn)表2。 鋼橫梁最大應(yīng)力隨跨度的增加呈線性增大趨勢(shì),跨度為30.0 m 時(shí),應(yīng)力為75 MPa,按照鐵路鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范,該應(yīng)力遠(yuǎn)小于施工狀態(tài)下Q345q 鋼材的容許應(yīng)力(252 MPa);梁端撓度隨跨度增加同樣呈線性增大趨勢(shì),跨度為30.0 m 時(shí),梁端撓度為205 mm,該變形量對(duì)橋下既有線的影響較小,可滿足既有線的安全要求。同時(shí),轉(zhuǎn)體到位后可以較為方便地通過(guò)千斤頂進(jìn)行鋼橫梁線形和位置調(diào)整。 鋼橫梁最大應(yīng)力和梁端撓度隨跨度的變化情況見(jiàn)圖5。

表2 鋼橫梁懸臂狀態(tài)分析結(jié)果

圖5 應(yīng)力和撓度隨跨度的變化趨勢(shì)

因此,對(duì)于框架墩跨度在30 m 以?xún)?nèi)的情況,可以直接采用轉(zhuǎn)體方法施工,無(wú)需進(jìn)行額外的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

新建梅州至龍川高速鐵路九漳特大橋3 號(hào)框架墩在里程DK89+117 處跨越既有京九鐵路北東聯(lián)絡(luò)線,斜交角度約42°,該區(qū)段列車(chē)運(yùn)行速度為200 km/h。新建梅龍高鐵與既有京九鐵路北東聯(lián)絡(luò)線的平面位置關(guān)系見(jiàn)圖6。

圖6 梅龍高鐵與北東聯(lián)絡(luò)線平面位置關(guān)系

九漳特大橋3 號(hào)框架墩跨度為18.5 m,墩高15.6 m,上部結(jié)構(gòu)為32 m 預(yù)制雙線簡(jiǎn)支箱梁。 框架墩鋼橫梁采用鋼箱結(jié)構(gòu),梁高2.7 m,梁寬4.5 m,鋼材為Q345q;墩柱采用矩形斷面,順橋向?qū)?.42 m,橫橋向?qū)?.5 m,C40 混凝土,墩柱頂部采用鋼橫梁支腿外包墩柱混凝土的鋼混結(jié)合方式,每個(gè)墩柱設(shè)6 根?1.25 m 樁基礎(chǔ)。 3 號(hào)框架墩位于京九鐵路北東聯(lián)絡(luò)線與漳龍鐵路之間的夾心地帶,大型吊裝施工空間受限,因此采用轉(zhuǎn)體施工。

鋼橫梁在工廠分節(jié)段制造后運(yùn)輸至橋址,在既有線路一側(cè)進(jìn)行焊接成形、吊裝至墩頂后,與轉(zhuǎn)體墩柱固結(jié),采用配重平衡的墩底轉(zhuǎn)體施工方法,配重架為桁式結(jié)構(gòu),桁高3.0 m,節(jié)間長(zhǎng)3.6 m,總長(zhǎng)10.8 m,配重荷載為127.6 kN/m,轉(zhuǎn)體質(zhì)量約為1 000 t。

3.2 轉(zhuǎn)體框架墩設(shè)計(jì)成果

上部結(jié)構(gòu)作用于框架墩頂?shù)暮爿d支反力為2×5 970 kN,活載支反力2×2 927 kN,同時(shí)考慮了列車(chē)的制動(dòng)力、橫向搖擺力和離心力;基礎(chǔ)不均勻沉降10 mm,基本風(fēng)壓400 Pa;根據(jù)橋址氣溫條件,整體升溫工況下鋼結(jié)構(gòu)升溫20 ℃,混凝土升溫5 ℃;整體降溫工況下,鋼結(jié)構(gòu)降溫25 ℃,混凝土降溫10 ℃。

在列車(chē)豎向靜活載及溫度組合作用下,鋼橫梁最大豎向撓度值為1.41 mm,小于規(guī)范限值L/1 400=13.2 mm;在主力和“主力+附加力”作用下,鋼橫梁的最大應(yīng)力分別為84 MPa 和102 MPa,小于規(guī)范限值210 MPa 和273 MPa,疲勞應(yīng)力幅17 MPa,小于容許值69.9 MPa,均滿足規(guī)范要求。

新建梅龍高鐵九漳大橋3 號(hào)框架墩轉(zhuǎn)體施工關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3,抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為1.94,滿足1.3 的限值要求。

表3 框架墩轉(zhuǎn)體施工關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)

轉(zhuǎn)體狀態(tài)下,框架墩鋼橫梁的最大應(yīng)力為25 MPa,配重架主桁最大拉應(yīng)力97 MPa,最大壓力應(yīng)111 MPa,斜撐最大壓應(yīng)力62 MPa,斜撐平面內(nèi)和平面外穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

3.3 實(shí)施效果

新建梅龍高鐵九漳特大橋3 號(hào)框架墩轉(zhuǎn)體單元于2023 年2 月裝配完成,3 月5 日利用鐵路天窗點(diǎn)轉(zhuǎn)體就位,轉(zhuǎn)體前和就位后現(xiàn)場(chǎng)情況見(jiàn)圖7,轉(zhuǎn)體角度約90°,轉(zhuǎn)體施工耗時(shí)約1 h。 與鋼橫梁吊裝方案相比,在施工時(shí)間基本相同的情況下,將鋼橫梁的現(xiàn)場(chǎng)焊接焊縫由2 條減少為1 條,同時(shí)極大地提高了施工過(guò)程中的抗傾覆穩(wěn)定性,在提高結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的同時(shí)降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 框架墩轉(zhuǎn)體現(xiàn)場(chǎng)情況

4 結(jié)論

以新建梅龍高鐵上跨既有京九鐵路聯(lián)絡(luò)線為工程依托,研究以框架墩轉(zhuǎn)體跨越既有鐵路的施工技術(shù)方案,結(jié)論如下。

(1)框架墩宜通過(guò)配重平衡,在墩底設(shè)置轉(zhuǎn)體系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)體施工,轉(zhuǎn)體質(zhì)量約1 000 t;通過(guò)將非轉(zhuǎn)體墩柱上的鋼混結(jié)合段鋼結(jié)構(gòu)分為兩部分制造,配合千斤頂調(diào)整姿態(tài),可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)體就位后的快速合龍。

(2)跨度≯30 m 的框架墩,在鋼橫梁懸臂狀態(tài)下,應(yīng)力水平較小,梁端撓度可控,無(wú)需采取加強(qiáng)措施。

(3)與大跨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體施工的跨越方案相比,轉(zhuǎn)體框架墩方案可以顯著降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和工程造價(jià);與框架墩鋼橫梁汽車(chē)吊吊裝施工方案相比,可以減小觸電風(fēng)險(xiǎn),提高抗傾覆穩(wěn)定性,顯著降低施工風(fēng)險(xiǎn),尤其適用于新建線路上跨高速鐵路或繁忙干線。