跨石太客专小半径曲线钢箱梁转体施工技术

夏生祥

摘 要：太原市北中环涧河立交工程SE匝道，因受地形条件限制，采用小半径钢箱梁转体的方式跨越石太客专铁路。钢箱梁在场外加工，在现场临时支架上拼装，拼装完成后转体施工。转体桥曲线半径小，横向偏心较大，为确保转体施工安全，需按照偏心设计称重配重来平衡桥梁横向扭转力矩。本文重点对工程概况、钢箱梁拼装安全性检算，转体施工控制要点、平衡偏心的称重配重方案等方面进行论述，供类似工程借鉴。

关键词：小半径;钢箱梁;T构转体

中图分类号：U445.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）13-0100-03

1 工程概况

该工程为太原市北中环涧河互通立交桥工程。SE匝道桥为立交由南向东通行的匝道，道路上跨铁路四股道，从西往东依次分别为石太铁路下行线、石太客运专线上行线、石太客运专线下行线和石太铁路上行线。石太上下行铁路等级为国铁Ⅰ级，石太客专铁路为客运专线，四股道的线间距分别为5.32m、5.08m、5.31m。因上跨既有铁路石太客专及石太线，为保证既有铁路的行车安全，采用平面转体法进行施工，转体角度为逆时针旋转97°。

SE匝道转体桥主墩位于铁路西侧，下部结构主墩采用矩形墩，截面尺寸为4×5m，墩柱下接转动系统、承台，钻孔灌注桩基础，桩径1.5m，5根，长度为65m。承台基坑深约7m，采用钻孔桩及旋喷桩进行全封闭防护，钻孔桩桩径1.2m，桩长15m，桩顶设冠梁;旋喷桩止水帷幕桩径0.6m，间距0.4m，桩长14m，基坑内设置横撑。防护桩距铁路中心最小距离为9.7m。

主桥上部结构箱梁采用单箱双室截面，转体部分跨径组合为42.5+42.496m，预留后拼装段2.5m。T构钢箱梁底线形按二次抛物线变化，中间支点处梁高4.5m，边支点梁高1.8m。箱梁顶板宽10m，采用直腹板;箱梁顶板厚16mm;底板厚度为16mm～60mm;中、边腹板厚度为12～20mm。边腹板的高差形成桥面横坡。

本桥位于半径R=55m的曲线上，纵桥向坡度为2.4%，横桥向为坡度为2%。由于桥梁存在横向扭转的力矩，为了平衡，转体的中心与桥梁的结构中心设有1.7m的偏心，确保转体时结构处于一个自平衡的状态。此外为平衡扭转力矩，上转台在外侧加宽了1m作为配重。

2 施工难点

（1）曲线半径小，受地形条件限制，SE匝道桥设计曲线半径为R=55m，且为满足铁路限界要求，桥梁孔跨较大，梁部采用钢箱梁。

（2）跨既有铁路，需确保运营安全。桥梁跨越的石太客专和石太铁路运营繁忙，需采取有效的措施尽可能做到对铁路影响最小，确保施工及运营安全。

（3）钢箱梁需进行现场拼装。通过计算，钢箱梁需在加工厂内分成18个小拼装段，运输到施工现场进行二次拼装焊接成型，再进行分段吊装。

（4）桥梁偏心较大，由于该桥位于曲线上，桥梁横向存在扭转的力矩，在实施转体前必须对其不平衡扭转力矩设置配重来平衡。

3 钢箱梁拼装安全性检算

钢箱梁支架的安全性设计，主要考虑钢箱梁在拼装过程中保证支架正常的强度和变形，每组支架钢立柱下分别有一个独立混凝土基础。钢立柱采用Φ630mm钢管柱，每组临时支架设置4根，纵向采用法兰螺栓进行连接。柱间支撑采用直缝焊管，并用角钢呈十字交叉状加固。柱顶横梁由两根工字钢拼接组成。根据安装时的受力状态，需进行承载力、刚度、稳定性的检算。

3.1 建立计算模型

采用MIDAS程序进行空间仿真模拟，支架布置采用梁单元模拟，同时由于上部钢箱梁曲线半径小（R=55m）对上部结构也进行了计算，以求解传递给下部支架的反力;并验证结构在未形成体系前不会出现侧倾。下部支架计算时采取最不利的工况及最不利支架位置进行计算加载。上部钢箱梁模型示意图，见图1。

3.2 支架承载力计算

上部构造计算钢管桩反力最大651KN;

下部基础2.3*2.3m矩形基础自重为100KN，考虑荷载系数1.2;基础底部的荷载为：651+100*1.2=771KN;

基础底面积为2.3*2.3=5.29m2;

地基承载力为771/5.29=146KPa。

3.3 支架稳定性计算，支架受力检算（图2）

最小临界荷载系数8.03大于规范规定的5.0。钢管桩稳定性满足规范要求。

4 施工控制要点

4.1 施工顺序

场地平整—管线改移、防护—止水帷幕及护桩施工—主墩桩基施工—基坑开挖—下承台施工—转体系统安装—上承台施工—转体主墩施工—钢箱梁拼装—试转—转体施工—承台固封—后拼段施工。

4.2 施工控制要点

4.2.1 钢箱梁拼装

由于施工场地狭窄，拼装时为保证各段连接质量及箱梁拼装完毕后线型美观，采用在加工厂分段加工，运输到施工现场整拼分吊的方式进行拼装及吊装施工。拼装顺序为：A段整体→B段整体→C段整体，吊装顺序为：A-1→A-2→A-3，B-1→B-2，C-1→C-2，轉体后拼段。钢梁分段平面示意见图3。

（1）临时支架制作。钢箱梁拼装时，设置临时支架以确保钢箱梁吊装就位后的整体稳定性，并提供拼装相应的作业平台。临时支架高度分别为1、2号支架为13.7m，3、5号支架为14.6m，4、6号支架为14.7m。支架管中心间距横桥向4.6m，顺桥向4m。支架结构形式见图4。

（2）临时支架安装。钢梁转体前现场共需6组支架，其中横桥向两钢管柱中心间距4.6m，顺桥向中心间距4m，分别设置在A-2/B-1段、B-1/B-2段接口处、B-2段南端、A-3/C-1段、C-1/C-2段接口处、C-2段北端。待整桥转体就位后，在两个边墩附近设置两组支架（用已拆除的前6组支架）用来安装两个后吊段。由于场地限制，先安装1、2号支架，然后安装3、4号支架，最后安装5、6号支架。

支架安装时采用50T吊车吊装，最重临时支架为4、6号支架约15T，吊装时最不利工况为2、3#支架吊装就位，距铁路回流线最近距离为6.9m，距铁路最近距离为9.9m。吊装前对地面平整夯实并硬化处理。吊装支架时，吊车应避开易倾覆方向进行施工，并设置专人进行盯控防护，必须做到“一机一人”防护。保证铁路行车安全。

（3）钢箱梁吊装。钢箱梁在加工厂制作完成后，运送至施工现场拼装成吊装段，按确定的吊装顺序进行吊装。将钢箱梁分为7个吊装段，采用2台500T吊车进行吊装。由于临近既有铁路，严格按照太原铁路局批复的吊装方案，并采取足够的安全措施后进行施工。

4.2.2 转动体系

转体系统结构由转体下盘、球铰、上转盘、转动牵引系统组成。施工顺序为：转体下盘施工→滑道、球铰安装→撑脚、砂箱及转台施工→上转盘施工、预埋牵引索。

钢球铰是转体施工的转动体系，是平转法施工转动体系的核心和关键结构，制作及安装精度要求很高，必须精心制作，精心安装。

4.2.3 转体前称重、配重

由于该桥位于曲线上，桥梁横向存在扭转的力矩，在实施转体前必须对其不平衡扭转力矩设置配重进行平衡，以确保钢箱梁稳定安全进行转体。

（1）建模计算不平衡弯矩。墩中心线到转盘中心的距离为1.7m;上转盘重4400kN，上转盘中心线到转盘中心的距离为0.5m。根据桥梁结构设计图纸进行了建模计算分析，分别得出了桥转盘中心位置处的不平衡弯矩值：M不平衡=1200kN·m;（向曲线内侧）。桥梁MIDAS模型见图5。

墩底内力：FN=13300kN，M1=26000kN·m（向曲线内侧）

墩底竖向力产生的弯矩：

M2=FN·L=13300×1.7=22600kN·m（向曲线外侧）

上转盘产生的弯矩：M3=4400×0.5=2200kN·m（向曲线外侧）

M不平衡=M1-M2-M3=1200kN·m

以上不平衡弯矩采用有限元模型理论计算，由于施工后受结构重量误差以及转盘球铰摩阻力等多因素的影响，最终转体前的实际不平衡扭矩需通过称重试验确定。

（2）配重设置方案。由于本桥位于小半径曲线上，桥梁存在横向扭转力矩，且不平衡弯矩使得T构整体具有向曲线内侧转动的趋势，为了平衡这一力矩所以在正式转体前需进行配重。为获得最大的配重效率，并考虑到安全因素，配重压力设置在上转盘配重台。通过理论计算，需在配重台4.8m2范围内设置50kN/m2的均布力，共计24吨。

（3）转体前的称重试验方案。称重试验采用“刚体位移突变”的方法进行测试。在转盘内侧顶起T构时，整个T构由于受结构不平衡扭矩作用将发生转动的趋势，通过位移测量装置（百分表）来确定对应的起顶力，即确定出实际结构的不平衡力大小。

全部支架与梁体完全脱架后开始称重;称重前需对脱架前后的梁体变形和应力进行测量;根据上转盘的结构设计尺寸及理论不平衡力的大小，确定称重千斤顶设置在上转盘的滑道位置处进行称重，采用两台350t的千斤顶可满足起顶要求。在起顶千斤顶处设置压力传感器，对实际顶升力的大小进行跟踪测试。本试验需压力传感器两个（量程200t）。顶升过程严格按照分级加载进行，根据理论起顶力的20%开始，按照10%的级差加载直至T构发生转动为止。

（4）转体前配重。当主梁完成全部悬臂阶段施工，相应部位桥面防撞护栏已施工完成，桥面荷载及杂物全部清理干净;根据称重试验确定最终需要施加的配重量，完成配重块的施加。由于梁结构的特殊性，因此配重由两部分组成：第一部分横向配重经理论计算后设置在墩台上，另一部分是称重后用预制好的混凝土配重块在梁顶进行配重。

4.2.4 转体施工

（1）转体施工准备。 转体前要拆除砂箱，进行清理滑道，在撑脚底与滑道顶的间隙中垫5mm厚四氟乙烯板，并涂抹黄油。转体设备安装就位并进行测试和空载试运行，安装牵引索。全面檢查转体结构各关键受力部位。

（2）试转。正式转体前，进行结构转体试运转，以确定牵引动力系统及转体体系、位控体系、防倾保险体系等是否状态良好。通过试转主要取得以下数据：一是每分钟转速;二是每次点动后产生的水平弧线距离为精确定位提供依据;三是转体角速度控制。本工程根据转体桥和铁路线的位置关系，为确保安全，确定试转时的横向转动距离为8.8m，试转角度为12°。

（3）正式转体。转体主要参数见表1。

转体前要成立转体的指挥体系统一指挥，按照太原铁路局批准的封锁点做好对营业线的现场防护。转体中监控人员加强对设备系统进行观察，保持匀速旋转，每转5°向指挥人员汇报一次，接近设计位置时，改为点动操作，确保精确就位。并立即锁定上下转盘，进行封盘混凝土浇筑施工，对转体结构进行固封。

4.2.5 后拼段施工

转体完成后，进行两端2.5m的后拼段吊装。后拼段支架在转体前进行搭设安装，T3边墩处因场地限制采用三角形支架。由于支架距铁路回流线较近，支架安装时需将支架处前后20m范围内回流线进行外包绝缘皮处理并向铁路部门要封锁点，在吊装过程中严格“一机一人”的安全防护制度，保证行车安全。

本工程的顺利实施表明，采用小半径钢箱梁T构转体的方式可成功跨越既有的铁路、公路。对铁路或公路的运输干扰小，安全可靠，为受各种条件限制的类似城市改造工程，提供经验和借鉴。

参考文献

[1] 《钢结构设计规范》[S].中国建筑工业出版社，2003.

[2] 邬晓光，编著.刚架桥[M].北京人民交通出版社，2001.

[3] 张联燕，等编著.桥梁转体施工[M].人民交通出版社，2002.