连镇铁路主跨128 m连续弯梁转体施工概念设计

贾奋宗

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070)

转体施工法[1-2]的出现，创造了一种新的建桥思路：桥梁可以在偏离设计轴线的位置进行预制，通过旋转使桥梁就位。对于设计桥梁轴线处施工条件受限的情况，转体施工法相较于现浇法、悬浇法、顶推法等具有极大的优越性。目前，国外采用转体法钢球铰的最大转体重量为1.95×104t(比利时的本·艾因桥)，国内采用钢球铰的最大转体重量为2.48×104t(山东菏泽丹阳路立交桥，2016年11月施工)，国内采用平板铰的最大转体重量为1.4×104t(绥芬河市新华街立交)，混凝土铰的最大转体重量为6.32×103t。目前已建成的转体桥梁大都应用于直桥和大半径弯梁桥，由于小半径连续弯梁存在较大的横向不平衡弯矩，对设计和施工提出了更高要求。

1 工程概况

连镇铁路淮安至镇江段位于江苏省境内，北起淮安，南至镇江，本工点(68+128+68) m转体连续梁位于连镇铁路淮扬联络线左线特大桥，此处为单线，平面位于半径R=700 m的圆曲线及缓和曲线处，分别以23°及22°夹角上跨既有宁启铁路及增建宁启复线(此处采用128 m主跨跨越)，同时边跨跨越规划金湾路(现状为S237省道)[3]。

考虑到本桥跨越运输繁忙的既有铁路干线—宁启铁路(包括增建复线)，为尽量减小对既有铁路的影响，确保运营安全，采用平面转体法施工。转体梁共2个T构，每个T构长126 m，转体重量分别为7 380 t和7 700 t，转动角度均为19.5°。新建桥梁与既有铁路位置关系平面布置见图1。

图1 新建桥梁与既有铁路位置关系(单位：m)

2 结构设计

2.1 上部结构

本工程转体连续梁上部结构设计及计算分析与传统悬浇梁基本相同。主桥上部结构采用(68+128+68) m变高度单线预应力混凝土连续梁[4-5]，全长265.5 m(含两侧梁端至边支座中心各0.75 m)。设计活载为ZK荷载，线路为单线联络线，客运专线，设计行车速度160 km/h，采用曲梁曲做。全桥共分71个梁段，中支点处梁段长度12 m；一般梁段分成3.0 m、3.5 m和4.0 m，合龙段长2.0 m，边跨现浇段长3.75 m。全桥立面布置见图2[6]。限界满足相关规范要求[7-8]。

图2 全桥立面布置(单位：cm)

主梁采用双向预应力混凝土结构，单箱单室变高度箱形截面。梁体各控制截面梁高为：端支座处及边跨直线段和跨中处为4.5 m，中支点处8.6 m，梁底下缘按圆曲线变化，圆曲线半径R=462.736 m;箱梁顶宽8.5 m，箱梁底宽6.5 m。箱梁两侧腹板与顶、底板相交处均采用圆弧倒角过渡。其中顶板厚42 cm；底板厚度46 cm至150 cm，按圆曲线变化至中支点梁根部；腹板厚度分为45～70～90 cm，按折线变化；全桥共设5道横隔梁，分别设于端支点、跨中及中支点。边支点处设置厚1.5 m的端隔梁，跨中横梁厚0.8 m，中支点处设2.4 m厚的横隔梁。主梁截面见图3[9]。

图3 主梁截面(单位：cm)

通过建立有限元模型，主梁运营阶段控制截面应力如表1，均满足规范限值。

表1 运营阶段控制截面应力

本工程上部结构设计与传统悬浇连续梁区别在于：

(1)中跨合龙段的设计较为特殊。在转体T构末端预埋与箱梁外轮廓相同的钢盒[10]，利用预埋钢盒浇筑中跨合龙段，使得合龙段施工在封闭的开口箱中进行，对既有线行车干扰小，可不中断行车。最终预埋钢盒与混凝土梁形成结合梁共同参与受力。钢盒节段连接示意见图4。

图4 钢盒节段连接示意(单位：cm)

(2)转体梁段临近铁路既有线路[11]。为避免施工对既有线路安全造成影响，施工时应对挂篮做全封闭防护，并在施工梁段靠既有线路侧设置防抛网。

2.2 下部结构

本桥转体桥墩采用圆端形截面实心墩柱[12]。沿桥纵向墩柱宽4.5 m，沿桥横向墩柱宽8.5 m，墩高分别为14.0 m、17.5 m。主墩基础为钻孔灌注桩基础(12根，直径均为2.0 m)，梅花形布置；承台厚7.0 m，分上下两层。上承台兼做球铰的上转盘，高2.5 m，采用三向预应力体系，转体完毕后用混凝土封闭球铰和其他未施工的混凝土。下承台高4.5 m。

转台由上承台、上转盘、球铰、定位轴、撑脚、滑道、千斤顶反力座、止推块、下承台以及基础等组成[13]。

桥梁转体施工工艺的关键在于“转得动、转得稳、转得准”。因此，以下几个方面的设计至关重要。

①钢球铰平面半径的确定；②撑脚反力的假定计算；③牵引力计算；④牵引索计算；⑤曲线梁转体结构平衡问题。

(1)球铰设计

当转动体重量为4 000～6 500 t时可采用混凝土球铰，当转动体重量为6 500～10 000 t时宜采用钢制球铰[14-15]；本桥72号墩转体重量7 380 t，73号墩转体重量7 700 t，故采用钢球铰。球面钢板的大小主要受其下转盘混凝土承载力限制，其直径可由下式确定：

D1≥2×(N1/(π·k·[σc]))1/2

式中D1——球铰平面直径；

N1——球铰轴心处的竖向反力，安全计可采N1=G；

G——包括上转盘在内的转体重量；

[σc]——球铰下混凝土中心受压容许应力；

k——球铰接触面积折减系数，k=0.650.7；

其中G=7 700 t，上下承台均采用C50混凝土，取[σc]=13.4 MPa，代入得：D1≥3.234 m。故设计球铰平面直径取4.0 m。

(2)撑脚反力计算

上盘撑脚即为转体时支撑转体结构平稳的保险腿。每个上盘下设有8对撑脚，每对撑脚有两个A=0.8 m的圆柱形构成，在撑脚下方设有1.1 m宽的滑道，滑道半径为4.5 m。转体时保险撑脚在滑道内滑动，以保持转体结构平稳。

考虑梁体不平衡重量及风荷载，在转体结构最大悬臂状态由上述2种荷载产生的不平衡弯矩为2 966 t时，假设有1对撑脚落在滑道上，撑脚支撑反力为R=713.5 t，则此时球铰分担的竖向力为6 986.85 t，撑脚面积A为1.005 m2，撑脚应力为σ=R/A=7.099 MPa，撑脚采用C50混凝土时，满足要求。

(3)牵引力计算

①中心承重平衡转体工况

根据力矩平衡条件，可得转体所需牵引力T=M/D，其中

静摩擦力矩:M0=2μ0Gr/3=1 026.7 t·m

动摩擦力矩:M1=2μ1Gr/3=616 t·m

式中G——转体总重力，取7 700 t；

r——球铰水平投影半径，取2 m；

μ0——静摩擦系数，取0.1；

μ1——动摩擦系数，取0.06；

D——牵索索鞍转盘直径，取12 m；

启动牵引力为:T0=M0/D=85.56 t

转动牵引力为:T1=M1/D=51.3 t

②偏载最不利转体工况

静摩擦力矩：

M0=μ0·F·Rc+2μ0·(G-F)·r/3=

1 252.6 t·m

动摩擦力矩：

M1=μ1·F·Rc+2μ1·(G-F)·r/3=

751.6 t·m

式中Rc——撑脚半径，取4.5 m；

F——撑脚反力，取713.5 t；

其余参数取值同上。

启动牵引力为:T0=M0/D=104.38 t

转动牵引力为:T1=M1/D=62.63 t

从以上计算可知，即使出现偏心转体现象，2台ZLD200(张拉吨位200 t)千斤顶仍可满足要求。

(4)牵引索计算

选用17-φ15.2钢绞线作为牵引索，其标准强度：fytp=1 860 MPa，n=17，单根截面面积A=140 m2；钢绞线锚下控制应力fk=0.75fytp=0.75×1 860=1 395 MPa。单束钢绞线容许应力：[T]=n·A·fk=332.01 t，[T]>T0，满足要求。

(5)曲线梁转体结构平衡问题

转体前应进行转动体称重试验。上下盘之间安装砂箱、千斤顶、位移计。拆除砂箱后，通过位移计观察撑脚是否落地，即是否需设平衡重。对于直线梁可直接通过上述方法设计平衡配重。配重=N顶×e/(悬臂长度-配重距梁端的距离)。N顶由千斤顶得到，如图5。

图5 平衡配重示意

对于曲线梁，除微量的偏心可通过配重解决外，还需采用设置横向预偏心的方法解决曲线桥梁面外不平衡弯矩。通过建立Midas有限元模型，求得在施工阶段最大悬臂状态下，横桥向桥墩中心线相对球铰中心线向曲线外侧的偏移量D，72号桥墩偏移量D为0.2 m，73号桥墩偏移量D为0.5 m。设计球铰中心与承台中心重合(如图6)。

图6 主桥墩身及基础构造(单位：cm)

(6)转体下部结构设计步骤总结

①根据包括上转盘在内的转体重量G及C50混凝土参数计算球铰平面直径D1。

②综合考虑，确定上转盘直径、滑道直径。当平衡体转动时假定仍可发生少量偏心，则应求得撑脚分担的转体重量及球铰分担的竖向力。

③进行牵引力计算，确定绞线牵引力千斤顶、助推千斤顶及反力架位置。

④据此，设计下承台、桩基及整个转台构造。

⑤进行平衡设计。

⑥进行转台各项强度计算。

3 施工难点及应对措施

在连续弯梁梁体最大悬臂状态下进行转体施工，此时也是梁体在施工时承受弯、剪、扭最大的受力状态。如何顺利实现转体结构“转得动、转得稳、转得准”，是转体施工[16-17]中的难点。

(1)转动体系

转动体系的核心是转动球铰，其制造精度控制如下：

①面光洁度不小于▽3；

②球面各处的曲率应相等，其曲率半径之差±2 mm；

③边缘各点的高程差不得大于1 mm；

④椭圆度不大于1.5 mm；

⑤镶嵌的四氟板块顶面应位于同一球面上，其误差不大于0.2 mm；

⑥球铰上下面形心轴、球铰转动中心轴应重合，其误差不得大于1 mm；与上下球铰焊接的钢管中心轴应与转动轴重合，其误差不得大于1 mm，钢管应铅垂，倾斜度不得大于1‰。

球铰的安装要点如下：

①保持球铰面不变形，保证球铰面光洁度及椭圆度；

②球铰范围内混凝土振捣务必密实；

③防止混凝土浆或其它杂物进入球铰摩擦面。

球铰的安装精度质量控制如下：

①球铰安装顶口务必水平，其顶面任两点误差不大于1 mm；

②球铰转动中心务必位于设计位置，其顺桥向误差±1 mm；横桥向误差±1 mm。

(2)转体速度

①转体角速度≤0.02 rad/min；

②主梁端部水平线速度≤1.0 m/min。

(3)防倾保险措施

①8组钢管混凝土撑脚均布于上转盘直径为9.0 m的圆周上，撑脚下对应有不锈钢滑道，滑道上铺设4 mm厚的四氟板，转体时保险撑脚可在滑道内滑动，以确保转体结构的平稳。

②转体前应对转体结构体系进行称重，根据称重的结果在桥上施加配重，使转体结构重心与球铰中心位于同一竖直线上。

(4)试转过程中的应急措施

①配重调整：

如果在转体过程中出现梁段重量不平衡的现象，可根据监控量测结果，经理论推算后，根据配载方案调整转体重量，使结构重心与转轴中心重合。

②首次不能正常起动情况下的应急措施：

根据检算，正常情况下千斤顶完全可以满足转体正常起动。若由于其他因素影响而导致首次千斤顶加载时不能正常起动，应检查撑脚与滑道接触处是否被杂物卡住，滑道在此处是否形成上坡。此时可利用千斤顶前、后顶同时起动，手动增加牵引力，使转动体转动。

(5)采取措施避免环境因素干扰

①在转体过程中，上部结构覆盖面范围内不得有影响转体正常进行的障碍物。

②提前获取转体当天的气象信息，避免可能出现的大风对转体工作的危害，并采用有效方案措施，当风速大于4级时，应停止转体施工。

③进行必要的施工监测，确保转体结构的安全。

4 结束语

(1)转体施工法利用桥梁结构本身形成转动体系，对于直接在设计桥梁轴线处施工条件受限的情况，可避免在运输繁忙的既有铁路干线上搭设支架，不干扰交通，有效地缩短了工期，带来了良好的社会效益和经济效益。

(2)桥梁转体施工工艺的关键在于“转得动、转得稳、转得准”。因此，转台工艺概念设计极其重要。

(3)小半径连续弯梁可通过在桥墩横桥向设置预偏心的方式解决曲线梁面外不平衡的问题。

(4)结合转体施工时梁体弯、剪、扭最大受力状态的力学分析，采取有效的施工控制应对措施，可为转体施工的顺利实施提供强有力的保障。

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