海青铁路跨胶济客运专线(40+64+40)m连续梁转体施工设计

2014-05-30王东

铁道标准设计 2014年5期

王东

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，济南 250022)

国内采用转体法施工［1-2］的桥梁很多，公路上跨铁路、高速铁路上跨普通铁路、铁路上跨公路等，且桥式有连续梁、斜拉桥、T形刚构桥、拱桥等，如哈大客运专线采用(48+80+48)m连续梁上跨既有京哈铁路［3］、北京市五环路采用(45+65+95+40)m独塔斜拉桥跨石景山南站［4］、京化高速公路采用两幅(67+67)m T形刚构桥上跨京包铁路［5］、沪杭高速铁路采用主跨160 m自锚上承式混凝土拱桥上跨沪杭高速铁路［6］等，其共同特点是转体跨度大、质量大、转盘及球铰大，对于小跨度、小直径转盘及球铰的转体桥梁，少有工程实例。

因此，结合海青铁路跨胶济客运专线(40+64+40)m连续梁转体施工设计，对小直径转盘及球铰、且上跨客运专线高速铁路转体桥梁转体法施工方案进行研究，希望对同类桥型设计有所裨益。

1 工程概述

新建海青铁路为单线，国铁I级铁路，线路全长约90.699 km。线路在DK80+805.90处跨越胶济客运专线铁路，跨越处采用(40+64+40)m连续梁，全桥长4051.44 m。胶济客运专线为双线电气化高速铁路，跨越处路肩宽12.8 m，路基高约2 m，线路与桥梁轴线夹角62°。胶济客运专线列车时速高、发车密度大，对施工安全及施工工期要求高，为最大限度地减少施工对铁路安全、运营的影响，跨线部分连续梁采用在111号墩墩底水平转体法施工。该桥为全线贯通的控制性工程。

2 总体布置

2.1 上部结构

梁部采用单线(40+64+40)m连续梁，单箱单室、斜腹板变截面箱梁，中支点梁高5.0 m，跨中及端部梁高为3.0 m，箱梁顶宽7.5 m，箱宽4.0 m。施工方案采用在111号墩处平行于胶济客运专线在支架上分段现浇62.0 m转体梁段;待现浇梁段脱架完成后，在铁路部门提供的天窗时间段，实施转体施工，将梁体逆时针旋转62°。转体到位后，与采用原位现浇施工的112号墩顶对应梁段进行合龙段施工。

胶济客运专线车流密度大，施工天窗点少，设计考虑跨中合龙段施工时需避开铁路限界，因此，主跨不对称胶济客运专线布置，转体梁段跨中侧梁端距临近胶济客运专线中心线最小垂距为4.92 m。转体梁段在111号墩顶对称支架现浇62.0 m，主跨的跨中合龙段为2 m，边跨预留2 m合龙段，剩余7.6 m原位支架现浇，梁体平面布置见图1。同时，为减少桥面防抛网、电缆槽、避车台、接触网基座等施工对客运专线的影响，连续梁全联范围内在桥面两侧设置3 m高混凝土半封闭挡墙，将挡墙、避车台、接触网基座等与梁体一起浇筑完成后一同转体，即可防止转体中桥面落物，也可避免桥面二次施工对客运专线运营安全产生影响，梁体横向布置见图2。

2.2 下部结构

图1 梁体转体布置平面示意(单位:cm)

图2 梁体横向布置(单位:cm)

桥墩采用圆端形实体墩，基础采用钻孔桩。由于转体需要，转体桥墩承台采用上、下两层承台方式，上承台平面尺寸8 m×8 m，厚度为3.4 m(封铰部分尺寸为8.9 m ×8.9 m，厚度 1.4 m);下承台平面尺寸 12.5 m ×12.5 m，厚度为 2.8 m。桩基采用 16 根 φ1.25 m钻孔灌注桩。为减小承台施工对客运专线路基边坡的影响，承台及桩基排列顺客运专线方向布置，为了保证铁路路基的稳定性，设计采用1排间距1.5 m、φ1.2 m挖孔桩进行基坑防护，基础平面布置见图3，铁路位置关系立面见图4。

图3 111号墩基础平面示意(单位:cm)

3 转体系统设计

平转法转动体系主要由承重系统、助推及牵引系统和平衡系统三大部分构成［7］。承重系统由上承台、下承台和转动球铰(采用3 000 t级的转体成品球铰)构成，上承台支撑转动结构，下承台与桩基础相连，通过上承台相对于下承台转动，达到转体目的;助推及牵引系统由牵引设备、牵引反力支座、助推反力支座构成;平衡系统由结构本身、上承台6对φ600 mm的钢管混凝土圆形撑脚、大吨位千斤顶及梁顶配重设施构成，转动体系立面布置见图5。

图4 铁路位置关系立面(单位:cm)

图5 转动体系布置立面(单位:cm)

3.1 球铰

球铰主要有上球铰、下球铰、销轴及套筒、下球铰型钢骨架组成，均为钢质结构。下球铰成凹形，凹面向上;上球铰成凸形，凸面向下;下球铰顶面设置多个圆形凹槽，槽内镶嵌四氟滑片，上球铰紧压在滑片上。这种凸凹形球铰在相同倾覆力作用下其倾覆力臂更小、安全性及稳定性高、运行可靠，而且上、下球铰之间的润滑介质不会溢出。

转体结构总重G=25 320 kN，考虑施工中风荷载及施工误差等因素，导致转体结构失去平衡需进行平衡配重，故应有足够的安全储备，球铰设计竖向承载能力采用G'=30 000 kN。按照下式计算球铰直径D'(m)［3］

计算求得球铰直径D'≥1.48 m，考虑综合结构及滑道的空间布置要求，选用D=2.3 m。

取偏压效应增大系数K=1.4，球铰混凝土的计算压应力为［4］

σ =KG/(πD2/4)=8.5 MPa，小于 C40 混凝土的容许压应力 0.5fck=16.2 MPa。

上、下球铰间布置243块直径为6 cm的聚四氟乙烯片，该聚四氟乙烯片设计抗压强度为100 MPa。

聚四氟乙烯片平均应力为G/243(πd2/4)=37 MPa ＜100 MPa［7］，安全系数2.7，满足转体要求。

球铰进行厂制加工，上、下球铰球面板均用δ=30 mm厚钢板压制而成，球面板背部设置8处加肋，防止在加工、运输过程中变形，并方便球铰定位、加强与混凝土的连接。销轴直径270 mm、高830 mm。在出厂前、进场后及安装完后做试转，在运输、安装至正式转体前保持转动面的清洁。

3.2 撑脚及滑道

(1)撑脚

为了增强转体过程中结构的稳定性，防止结构发生较大倾斜，在上承台底面沿距转动半径r=3.25 m的圆周均匀设置了6对φ600 mm圆形C40钢管混凝土撑脚，当转体发生倾斜时，撑脚先支撑于下承台的滑道上，防止转体进一步倾斜。为减小撑脚底面与滑道的摩擦，撑脚底面的走板应由工厂加工定做，以保证钢板表面的平整度，钢板表面的磨光度不得低于6.3级。撑脚在下盘混凝土灌注完成上球铰安装就位时安装，并在滑道范围内撑脚之间设置砂箱作为现浇墩、梁的支撑，转体前卸掉砂箱。

撑脚主要起结构倾斜时支撑作用，根据梁体落架时产生的不平衡弯矩对其进行局部承压检算。检算均满足相关规范要求。

(2)滑道

为了减小撑脚与下承台的接触摩擦，撑脚支撑面置于同一水平面内，从而使转体发生轻微倾斜时，仍能平稳运行。在下承台顶面设置外径 r'=3.75 m，宽0.95 m的环形滑道，滑道由5 mm厚的不锈钢板及20 mm厚的钢板贴面组成，滑道钢板固定在环形滑道骨架上，并设有调位螺母，以调整其平整度。环道钢板背面焊接加工后，顶面由工厂刨平，粗糙度6.3级。环道角钢顶面相对高程高差小于5 mm，环道钢板由螺母调整校平，顶面局部平面度0.5 mm。

3.3 牵引制动

助推及牵引系统由牵引设备(2台ZLD100型连续千斤顶及2台普通 YCW100型助推千斤顶构成)、牵引索、牵引反力支座、助推反力支座构成。牵引索采用2束7-Φs15.24 mm低松弛预应力钢绞线平行布置，其标准强度fpk=1 860 MPa。浇筑上承台前应按设计位置将牵引索分别预埋，预埋端采用H型锚，本桥牵引索埋入转盘3.47 m，并圆顺地缠绕在转盘上，施工时应特别注意牵引索牵引方向。

(1)牵引力T

顺梁体方向设有2对撑脚，考虑施工误差产生的不平衡弯矩及不平衡配重，设计考虑按球铰及1对撑脚组成的2点支撑系统进行结构转体。

设计静摩擦系数 μ0为 0.1，动摩擦系数 μ1为0.06，撑脚分担的重力为P1，球铰分担的重力为P2，球铰直径为D，撑脚摩阻力臂为Rm=3.25 m，牵引力臂为R=8 m，牵引力为T，则转体启动时:

球铰牵引力T1=2μ0P2(D/2)/3R，参考《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)式16.4.3;

撑脚牵引力 T2= μ0P1Rm/R［4］;

牵引力T=T1+T2。

计算启动牵引力为323 kN，实测启动牵引力为297 kN;计算转动牵引力为194 kN，实测转动牵引力为184 kN。

(2)助推力T'

考虑球铰动摩擦力矩与静摩擦力矩差值及撑脚启动牵引力与转动牵引力差值由撑脚处2台YCW100型千斤顶承担［3］:

球铰动摩擦力矩M1=2μ1P2(D/2)/3;

球铰静摩擦力矩M2=2μ0P2(D/2)/3;

故 T'=(M2-M1)/(2Rm)+(T2-μ1T2/μ0);

计算得T'=165 kN。

(3)牵引索

每束牵引索采用1束7-φs15.24 mm低松弛预应力钢绞线，其标准强度fpk=1 860 MPa，锚下控制应力为σcon=1 395 MPa，1根钢绞线截面面积A=140 mm2，故单束钢绞线容许拉力为T'=7Aσcon=1 367.1 kN＞T=323 kN，安全系数 K=T'/T=4.23 ＞2，满足要求。

(4)千斤顶

一个牵引反力支座处选用2台ZLD100型连续千斤顶作为牵引千斤顶，每台提供外力F=1 000 kN，其动力系数为［3］:η1=T/2F=0.162 ＜0.85，满足要求。

一个助推反力支座选用1台YCW100型助推千斤顶作为助推反力千斤顶，每台提供外力F=1 000 kN，其动力系数为［3］:η2=T'/F=0.165 ＜0.85，满足要求。

4 倾覆稳定及称重

(1)倾覆稳定

梁体预制完成落架后，称重实验前，对转体结构倾覆稳定性计算［8］，影响稳定的主要因素是风力，按百年一遇的基本风速所产生的风压考虑［9］。结构的倾覆稳定性安全系数取决于结构自重构成的抗倾覆力矩与风力构成的倾覆力矩二者比值［10］，根据《铁路桥涵钢筋混凝土及预应力混凝土结构设计规范》(TB 10002.3—2005)第 4.1.1 条，系数取不小于 1.3。计算纵桥向稳定安全系数为7.25，横桥向稳定安全系数为4.52，均满足要求。

(2)称重

称重试验主要测试转动体的不平衡力矩、摩阻力矩、偏心距，一方面根据测试情况进行配重，使转动体处于球铰和撑脚两点支承的稳定状态，并使配重后的偏心距处于合理范围［11］，保证转体的平稳;另一方面根据摩阻力矩计算球铰静摩擦系数，为校核转体牵引力、助推力等提供依据。

试验测得不平衡力矩Mg=6 711.7 kN·m，摩阻力矩 Mz=2 345.2 kN·m，偏心距 e=26.8 cm(偏向主跨侧)，体系呈现摩阻力矩小于不平衡力矩的情况。配重方案遵循球铰与撑脚共同支撑的原则，配重采用80 kN，位置在边跨侧距梁端3 m处［12］，配重完成后，转体系统偏心为17.9 cm(偏向主跨侧)，全部转体结构重力主要由中心球铰支承。

5 试转体及正式转体

5.1 试转体

启动泵站，2台张拉千斤顶同时施力试转体，以克服静摩阻力使桥梁转动，试转角度3°以内。同时，做好转速及梁端高程的测量工作，为精确定位提供操作依据。试转过程中，应做好两项重要数据的测试工作。

(1)每分钟转速，即每分钟转动主桥的角度及悬臂端所转动的水平弧线距离，应将转体速度控制在设计要求范围内;严格控制转动速度过快。

(2)控制采取点动方式操作，测量组应测量每点动一次悬臂端所转动水平弧线距离的数据，以供转体初步到位后，进行精确定位提供操作依据。

应检查结构是否平衡稳定，关键受力部分是否出现裂纹等异常情况，如有异常，须停止试转，查明原因整改后方可继续试转体。

5.2 正式转体

根据铁路部门批准的线路封锁作业时间进行转体施工，对梁体轴线偏位、梁端高程变化进行反复测量，对牵引索、泵站、主控台等实时观察。转体过程应匀速转动，实测转动速度为0.018 23 rad/min，距设计位置3°时进行 10、5、3、2、1 s点动操作，并确认点动后梁端弧长，距设计位置0.5°时制动，测量轴线，根据差值，精确点动控制定位，防止超转。转体就位后利用设置的限位措施对结构进行体位调整。横桥向倾斜限位与微调:在滑道外侧上、下承台间对称布置4台千斤顶，一侧顶起，另一侧预留限位，调整完毕后，用型钢将上、下承台抄死，撑脚与滑道间抄死。水平偏转限位和微调:利用设置在下承台上的助推反力支座作为支点，助推上承台，调整转体轴线偏位，调整就位后设置限位梁，将撑脚与助推反力支座间抄死。

转体固定后，焊接预留钢筋，进行封盘施工。后拆除墩梁固结措施，进行梁体跨中、边跨合龙段施工。