铁路转体V形桥墩跨越既有线的应用研究

陈频志

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

引言

我国幅员辽阔、内陆深广、人口众多，资源分布及工业布局不平衡，铁路运输在各种运输方式中的优势突出，在经济社会发展中具有特殊的地位和作用。为了更好地促进社会经济发展和提高人民生活质量，政府正在构建“资源节约型、环境友好型”社会，铁路作为输送能力大、能耗低以及污染少的低碳节约型运输方式，正在步入快速发展的轨道。

为适应全面建设小康社会的目标要求，2016年我国新发布的《中长期铁路网规划》明确提出：铁路网要扩大规模，完善结构，提高质量，快速扩充运输能力，迅速提高装备水平，使运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平。随着社会主义市场经济的不断发展与深化，基础设施亟需完善，铁路作为重要的交通组成部分和国民经济发展的大动脉，其建设步伐正在加快，路网规划更加完善，线路密度逐渐加大，立交位置越来越多，铁路路网间及铁路与公路、管线及其他构筑物间的交叉关系日趋复杂，各种桥梁跨越方案的研究成为设计工作的重点。

近年来，我国铁路工程发展迅猛，铁路间的交叉无法回避，点多面广、关系复杂，尤其小角度交叉逐渐常态化，通常采用支架现浇混凝土盖梁门式墩[1-4]、吊装钢盖梁门式墩[5-8]及转体大跨连续桥梁[9-13]等方案，但存在对既有铁路运营干扰大、后期运营养护难及工程投资高等诸多问题，而铁路运营单位对既有线运营安全要求日益提高[14]。依托兰州至中川机场城际铁路上跨既有兰新铁路的交叉关系，对西固黄河特大桥23号(右线21号)桥墩的设计展开铁路转体V形桥墩的应用研究。

1 工程背景

新建兰州至中川机场城际铁路是兰州至张掖城际铁路的重要组成部分，连接兰州主城区和兰州新区，也是我国西部地区首条建成通车的城际铁路，国铁Ⅰ级，线路全长63.136 km，其中新建线路长48 km。综合整个项目的功能定位和方案研究，为了便于运输组织和节约工程投资，城际铁路的新建线路采用上下行线分开，自既有福利区车站外包引出跨越兰新铁路后再双线并行的线路方案，下行线于DK15+448～DK15+492段上跨兰新铁路。

受线路基本走向、两线间距条件和相互交叉关系等因素的影响，出站后即为西固黄河特大桥，全桥长6 679.67 m，于西柳沟至桑园峡之间的柴家峡峡谷出口段虎头崖附近跨越黄河，其中DK15+742～DK16+648段按上下行单线桥梁设计，以后为双线桥梁，上下行单线桥梁长分别为906.23 m和841.75 m，双线桥梁长4 931.69 m。此处立交位于桥范围，线路局部平面交叉关系及桥墩位置见图1。

图1 兰州至中川机场城际铁路上跨既有兰新铁路立交位置关系

2 跨越方案研究及比较

跨越既有兰新铁路处平面关系复杂、坡度条件控制，兰州至中川机场城际铁路跨越既有兰新铁路，市政道路康乐路又下穿兰新铁路，属典型三层公铁立交关系。城际铁路下行线与兰新铁路夹角约13°，且位于R=1 200 m曲线和18‰坡道上，结合交叉关系、线路纵坡和场地条件，研究了大跨度连续桥梁、混凝土盖梁门式墩、钢盖梁门式墩和转体V形桥墩等方案，各方案的比较见表1。

通过表1对工程投资、施工周期、安全风险、既有铁路运营影响及后期维修养护等情况的综合比较和系统分析，采用转体V形桥墩(图2)是安全可靠、经济合理、便于实施的设计方案。

表1 兰州至中川机场城际铁路跨越既有兰新铁路方案比较

图2 转体V形桥墩方案(单位：cm)

3 转体V形桥墩设计

3.1 构造设计

既有兰新线为国铁Ⅰ级客货共线双线铁路，其限界要求为速度v≤160 km/h的基本建筑限界；西固黄河特大桥单线桥梁段落的上下行线墩位里程基本对齐，孔跨均为Lp=32 m的简支T梁。综合以上情况，使V形桥墩中心与墩位处上下行线的支承对称中心重合，倒三角构造轮廓和墩身外侧弧线设计恰好适应桥下既有兰新铁路的基本建筑限界要求，不仅减小盖梁的悬臂长度，也有利于提高桥墩横向刚度。盖梁、墩柱及直段墩身的交叉位置采用圆弧倒角进行构造处理，构造轮廓流畅，外形美观大方，同时解决了构造连接部位应力集中的问题。盖梁混凝土等级C50，预应力钢筋混凝土结构，全长23.5 m，计算跨度14.0 m，悬臂长1.75 m，截面尺寸：3.4 m(宽)×3.0 m(高)，钢绞线采用高强度、低松弛钢绞线，抗拉强度标准值fpk=1 860 MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa，规格为15-φs15.2 mm。墩身混凝土等级C40，普通钢筋混凝土结构，高度8.85 m，两柱夹角60.5°，墩柱截面尺寸：3.0 m(纵)×3.0 m(横)，钢筋采用HRB400。承台及桩基混凝土等级C35，采用12根φ1.25 m钻孔灌注桩，按摩擦桩设计。

3.2 转体方案

本桥墩采用墩底转体方案[15-16]，基础施工结束后承台作为下转盘，墩底部设置上转盘，上下转盘之间设置球铰和撑脚，钢球铰设在承台中心位置，球铰安装就位时即安装撑脚，采用楔形钢板稳固撑脚，焊接预埋的φ32 mm精轧螺纹钢筋并锁定上下转盘，增加梁体施工的横向抗倾覆性[17]。现浇墩柱及盖梁，转体施工工作准备就绪，切割上下转盘间的φ32 mm精轧螺纹钢，拆除撑脚底的楔形钢板，在撑脚下面铺装厚5 mm四氟板，转动过程中及时添加四氟粉，以减小转动时的摩擦力。转动就位并核查无误后，再次稳固撑脚并锁定上下转盘，保证转体单元不再产生位移。清洗底盘上表面，焊接预留钢筋，立模浇筑封固混凝土(C50微膨胀混凝土)，使上转盘与下转盘连成一体。浇筑封固混凝土时一定要振捣密实，以保证上、下盘牢固连接。

3.3 转体系统设计(图3)

图3 转体系统立面及平面(单位：cm)

转体系统由钢球铰及其撑脚、上转盘、下转盘(承台)、转体牵引系统、助推系统、轴线微调系统、顶梁系统、临时辅助平衡系统(撑脚底加塞的楔形钢板)组成。

下转盘是转体重要的支撑结构，承台即为V形桥墩的下转盘，其顶面布置有转动系统的下球铰、撑脚的不锈钢环形滑道、转动牵引系统的反力座、助推系统、轴线微调系统、顶梁系统等。

球铰是转动体系的核心，也是转体施工的关键结构，制作及安装精度要求很高，必须精心制作、准确安装。

撑脚是保证转动时平稳的保险腿，每个撑脚由2个φ500 mm×20 mm的钢管组成双圆柱形，下端焊接20 mm厚钢走板，在上转盘以墩轴心为圆心对称布置8套，下设半径2.4 m的滑道，转动时保证撑脚在滑道内滑动，保持转体结构的平稳。

上转盘支承转体部分，直接与V形桥墩墩身相连，发挥着“承上启下”的关键作用，既是球铰、撑脚与桥墩相连接的部分，又是直接施加转体牵引力的重要部分。

3.4 牵引力计算

转体部分总重力W=12 000 kN。

球铰转动摩擦力矩[18]为M=2·μ·W·R/3 ，启动牵引力T=M/D。

式中μ——球铰摩阻系数，启动时静摩擦系数0.1，转动过程中动摩擦系数0.06；

R——球铰半径，采用0.9 m；

D——牵引力力臂，采用3.1 m。

4 结构分析(图4)

V形桥墩属于构造复杂墩型，需采用有限元程序进行结构分析。根据刚度等效原理，将桩基础刚度模拟为下端固结的矩形短柱，结合构造特点和计算需要建模分析，系统考虑各种荷载工况，严格模拟施工过程和运营情况。平面杆系单元模型分析了结构的强度、内力及安全系数等，盖梁的上下缘正应力、斜截面主应力和抗裂、强度安全系数等各项验算指标均满足规范要求。

图4 平面杆系模型和实体单元模型(单位：kN)

铁路轨道是直接承载列车的关键设备，轨道使用状态的优良关系到铁路运营的安全性和舒适度，笔者认为评估轨道使用状态的众多参数中又以其平顺度[19-20]最为关键。轨道静态平顺度可以在日常维修养护中进行修正，使其满足规范的相关要求；而轨道动态平顺度[22]是对列车通过时轨道使用状态的反应，与活载大小、列车速度、轨道结构及线下设备刚度等息息相关，无法通过维修养护予以消除，设计时应对轨道动态平顺度进行分析，使其达到规范的限值要求。轨道平顺度包括高低、轨向、轨距、水平、扭曲等众多评估参数，但就本文中V形桥墩而言，列车通过时其变形对轨道高低的影响最大。兰州至中川城际铁路上下行线简支T梁的支座位于盖梁的悬臂段，铁路运营过程中，支座的竖向位移差和整个桥墩的横向转动将引起轨道的高低变化，计算分析轨道高低成为该桥墩设计的关键，也是保证铁路运输安全的重要设计指标。为准确推算轨道的高低值，结合V形桥墩的构造特点，用MIDAS/Civil程序建立实体模型，合理划分计算单元，精确模拟构造尺寸，系统计算了各种运营情况下两支座位置处的竖向位移，通过轨道与支座的几何关系推算轨道的动态高低值。经过研究和分析，整理了两线行车、单线行车双孔重载情况下的计算结果，并与TB 10082—2017/J 448—2017《铁路轨道设计规范》对应速度目标值下轨道动态高低的限值进行了比较，完全满足规范的要求，具体数值和分析见表2。

表2 铁路轨道动态高低值计算比较 mm

5 结语

近几年，我国铁路保持快速的发展，建设步伐不断提速，路网密度逐渐加大，立交位置越来越多，交叉关系日趋复杂，跨越方案研究成为桥梁设计的一项重要工作，其中门式墩、倒“L”墩等各种特殊桥墩成为解决铁路小夹角立交问题的主力军，本文转体V形桥墩便是诸多特殊桥墩的新成员。作为一种创新型桥墩，以其独特的V形轮廓巧妙地适应了桥下既有兰新铁路的建筑限界，三角环框构造确保了桥墩的整体刚度和结构受力，墩底转体施工显著减小了新线施工对既有铁路正常运营的不利影响，具有投资少、工期短、风险低及运营养护要求低等诸多优点，值得深入研究，应用前景广阔，可为今后国内类似铁路桥梁的立体交叉设计提供借鉴和参考。