哈大客运专线运粮河特大桥连续梁转体施工设计

2012-11-27盖小红

铁道标准设计 2012年5期

盖小红

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥隧处，西安 710043)

1 概述

哈大客运专线运粮河特大桥838～839号墩在DK913+321.63处上跨既有哈大线［1］，跨线段桥梁上部结构为(60+100+60)m现浇预应力混凝土连续梁，下部结构为圆端形桥墩，钻孔桩基础。既有哈大线为Ⅰ级双线电气化铁路，哈大客运专线与既有哈大铁路两线夹角为24°。主桥平面布置见图1。

图1 转体部分主桥平面布置(单位:cm)

本桥若采用挂篮悬臂跨线现浇施工，因两线夹角小，净空受限，势必加大挡护与防护工程量，且与既有线行车运营干扰大，施工工期长。鉴于上述因素，设计采用平行于既有哈大铁路挂篮悬臂浇筑连续梁0号～13号块，然后平转法进行转体施工并合龙。转体立面布置见图2。

图2 转体部分主桥立面(单位:m)

2 主要构件构造及设备规格

2.1 转动体系的构成

平转法转动体系主要由转动系统、顶推牵引系统和平衡系统3大部分构成［6］。转动系统由上转盘、下转盘和转动球铰构成，通过上转盘相对于下转盘转动，达到转体目的;顶推牵引系统由牵引设备、牵引反力支座、顶推反力支座构成;平衡系统由球铰、上转盘、大吨位千斤顶及梁顶悬臂端放置的2 m3的备用水箱构成。转动体系立面布置见图3，下转盘平面布置见图4。

图3 转动体系立面布置(单位:cm)

图4 转动体系下转盘平面布置(单位:cm)

2.2 转动系统设计

转动系统为球铰支承与撑脚支承相结合，转体结构处于平衡状态为球铰支承，发生倾斜时为球铰与撑脚共同支承。球铰选用725所设计生产的73 000 kN转体球铰，球铰平面直径D=3.0 m，设计最大静摩擦系数为0.1，最大动静摩擦系数为0.06。球铰分为2部分，上球铰镶嵌于上转盘磨心圆弧部分，磨心直径φ=3.8 m。下球铰嵌于下转盘内，通过型钢托架与下转盘固定。

2.3 平衡系统设计

在上转盘上沿φ6.6 m的圆周设置8对φ0.7 m的钢管混凝土圆形撑脚，钢管壁厚5 mm，管内充填C40纤维混凝土。

环形滑道由2部分组成，表层为厚5 mm的四氟板，下面为厚5 mm的不锈钢板。四氟板通过环氧树胶粘贴于不锈钢板上，不锈钢钢板镶嵌于下转盘打磨好的环形滑道槽内，滑道槽表面平整度及高程误差控制在1.0 mm以内。撑脚与滑道空隙为10 mm。在转体过程中，当转体发生倾斜，撑脚支承于滑道上，与球铰构成多点支承。

为了防止转体施工过程中发生意外竖向塌落，保证安全转体，在下转盘上沿滑道两侧各设置了8个助推反力支座，助推反力支座沿圆周方向夹角为12°，径向厚度40cm。平衡转体时助推反力支座为助推千斤顶提供支反力，当转体发生竖向塌落时，助推反力支座进一步起到支撑转体结构的作用。

2.4 牵引系统设计

成功转体的关键是转体启动时能否克服球铰的静摩擦力，转动过程中能否克服球铰的动摩擦力。基于此牵引设备由2台ZLD100型连续千斤顶及两台YCW100型备用助推千斤顶组成。助推千斤顶主要用于克服静动摩擦力的差值，以保证连续千斤顶均匀加力。同时助推千斤顶还起调整转体运行姿态的作用。

3 转体结构受力分析及计算

3.1 空间计算模型

连续梁梁体、墩身及上、下盘按梁单元对结构进行离散。桩基按等刚度弹簧模拟进行弹性支承约束。空间计算采用Midas程序计算。

3.2 结构不平衡荷载

3.2.1 梁部施工误差荷载

梁部考虑2.5%的施工误差导致结构自重失衡，由梁部悬臂对称中心位置起一侧梁部自重按设计理论重力增加2.5%，另一侧重力减少2.5%。通过调整悬臂现浇梁段的材料容重γ值来实现施工误差导致结构不平衡荷载的加载。

3.2.2 风荷载

风压强度计算公式［3］采用

式中 W——风荷载强度;

W0——基本风压值，取 W0=750 Pa;

K1——风载体形系数;

K2——风压高度变化系数;

K3——地形、地理条件系数。

悬臂一侧按风压强度的50%加载，另一侧按100%加载。

3.3 球铰处内力计算成果

838号墩磨心处内力计算成果见表1。

表1 838号墩磨心处内力计算成果

3.4 球铰计算

3.4.1 球铰竖向承载力计算

工况1:转体处于平衡时，结构竖向力全部由球铰承担，N球=N=61 400.8 kN。

工况2:转体倾斜时，结构竖向力由球铰与撑脚共同承担，N球=N－N2=N－M/R=61 400.8－25 924.6/3.3=53 544.9 kN，式中，R为撑脚距球铰中心的半径。由上知工况1控制球铰竖向承载力。考虑15%的安全储备，球铰的竖向承载力按73 000 kN选择型号。

3.4.2 球铰的设计直径

式中 D——球铰平面直径;

N——球铰的设计竖向承载力;

K——球铰接触面积折减系数，取0.65;

［σa］——球铰下混凝土的标准抗压强度。

经计算D=2.35 m，设计取3 m。

根据上述计算分析结果，球铰选用725所设计生产的73 000 kN转体球铰，球铰平面直径3 m，设计最大静摩擦系数为0.1，最大动静摩擦系数为0.06。

3.5 上转盘计算

上转盘力学模型简化为跨中铰支承，端部撑脚支承的简支外伸梁见图5，按钢筋混凝土构件进行截面设计，这里不再详述。

图5 上转盘力学模型计算图式(单位:cm)

由表1知，主+纵向风力组合时所产生的不平衡弯矩最大，即 M=G×e=25 924.6 kN，当 G=61 400.8 kN时 e=0.42，N2=25 924.6/3.3 =7 855.9 kN(双肢撑脚竖向压力)。上转盘控制截面最大弯矩 M上=7 855.9×(3.3－0.42)=22 625.0 kN·m。上转盘截面尺寸为8 m×9.6 m，底面水平双向各布置66根φ28 mm的钢筋，钢筋间距为12 cm左右，计算求得混凝土σh=3.2 MPa，受拉钢筋重心处应力σg=161.1 MPa，裂缝宽度ωf=0.177 mm，均满足要求。

3.6 牵引系统计算及设备选型

3.6.1 牵引力及助推力计算分析

工况1:转体处于平衡状态，当施加的外力偶矩大于球铰处摩擦力产生的阻力力矩时，转体发生转动。转体启动及转动时，阻力矩分别由静摩擦力及动摩擦力产生。为使连续千斤顶加力均匀可控，转体做匀速转动，避免转体剧烈振动，动摩擦力矩由连续千斤顶克服，静摩擦力矩与动摩擦力矩的差值由助推千斤顶克服。

牵引力计算

助推力计算

工况2:转体失去平衡，撑脚与滑道接触时，阻力矩由球铰动摩擦力矩及撑脚摩擦力矩组成。

牵引力计算

助推力计算

式中，T1为牵引力;D为牵引力偶臂;G为球铰处竖向压力;M1为球铰处动摩擦力产生的阻力矩;M2为撑脚处动摩擦力产生的阻力矩;f1为球铰处动摩擦系数;f2为滑道处动摩擦系数;T2为助推顶力;Mj1为球铰处静摩擦力产生的阻力矩;Mj2为撑脚处静摩擦力产生的阻力矩;fj1为球铰处静摩擦系数;fj2为滑道处静摩擦系数;R1为撑脚中心线至转动中心的距离。

计算成果及牵引设备选用型号见表2。