上跨铁路转体桥梁设计与施工关键技术

张文进，曹 文

（1.中国华西工程设计建设有限公司，广东 广州 510062；2.中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731）

0 引言

根据铁路管理部门要求，上跨铁路桥梁应充分考虑施工对铁路运营的影响，一般有3 种可行的建设方案：

（1）架桥机施工，搭设防护棚防护；

（2）挂篮悬臂施工，搭设防护棚防护；

（3）转体法施工。

根据《中国铁路总公司运输局关于穿（跨）越高速铁路营业线和临近工程等方案审查有关问题的通知》（运工桥隧函[2013]316 号）及《国铁集团工电部关于加强穿（跨）越铁路营业线和邻近营业线工程方案等审查和施工安全管理的通知》（工电桥房函[2020]48 号），上述3 个可行方案中，应优先选用转体施工方案，当受场地条件限制，无法采用转体施工方案时，需经专家论证。因此，越来越多的上跨铁路桥梁采用转体法施工，相关行业从业人员亟需学习该工法的设计及施工经验。

本文以深圳市外环高速公路上跨广深铁路桥转体桥梁为依托，总结该转体桥梁设计及施工的关键技术。

1 工程概况

深圳市外环高速公路位于深圳市北部，西起沿江高速，东至盐坝高速，全长93.2 km，由深圳段75.8 km，东莞段17.4 km 组成，双向6 车道。沿线与沿江、广深、南光、龙大、梅观、清平、博深、深惠、深汕、东部沿海等10 条高速，以及南坪三期相接，往西通过虎门大桥与佛山、中山、番禺等市相连；路线穿过东莞凤岗，向北通过莞深、龙大、博深等纵向高速与东莞相连；往东通过深汕、深惠高速与惠州、汕尾等市相连。

该项目在K40+893.3 处与现状广深铁路交叉，道路中心与铁路斜交72.3°，交叉点广深铁路里程为K119+273，位于樟木头站至平湖站区间。

广深铁路共有4 股道，Ⅰ、Ⅱ线通行广深城际动车组，运营速度200 km/h，按高速铁路管理；Ⅲ、Ⅳ线通行货运铁路，运营速度140 km/h，按普速铁路管理。上跨处位于直线段，铁路为路堤段，路堤宽度约23 m，东侧为农田，西侧为塘天南路。

为减小桥梁施工对铁路的影响，经过多轮方案比选，拟建上跨桥梁采用2×82.5 m 预应力混凝土T 形刚构体系，平面转体法施工，桥面整幅布置，主墩设在广深铁路东侧，一跨跨越广铁铁路和塘天南路。桥下最小净高为9.72 m，公路桥墩外边缘距离外侧铁路中心最小距离为19.90 m，梁体预制时梁体结构距离外侧铁路中心最小距离为10.11 m。主桥桥型布置如图1 所示。

图1 桥型布置图（单位：m）

该转体桥梁于2020 年9 月18 日完成转体施工，深圳市外环高速公路于2020 年12 月28 日全线通车。

2 主要技术指标

2.1 桥梁设计标准

（1）道路等级：高速公路。

（2）设计行车速度：100 km/h。

（3）汽车荷载等级：1.3×公路-I 级。

（4）地震动峰值加速度0.05g，抗震设防基本烈度为6 度，按Ⅶ度设防。

（5）桥面宽度：33 m = 0.5 m（SS 级防撞墙）+15.25 m（行车道）+0.5 m（内防撞墙）+0.5 m（中分带）+0.5 m（内防撞墙）+15.25 m（行车道）+0.5 m（SS 级防撞墙）。

2.2 转体系统设计标准

（1）转体结构：T 构，跨径2×82.5 m，转体悬臂长度2×73.5 m，桥宽33m，转体重量240 000 kN。

（2）球铰承载力：设计承载力252 000 kN。

（3）球铰尺寸：平面半径2.25 m，球面半径16.95 m。

（4）转体角度：顺时针水平转体72.342°。

（5）转体速度：角速度0.02 rad/min，最大悬臂端线速度1.49 m/min，理论转体作业时间为63.1 min。

（6）牵引参数：牵引半径6.25 m，静摩擦系数取0.1，单侧启动牵引力3 024 kN。

（7）结构偏心：转体施工前调整后结构偏心值不大于0.05 m。

（8）风荷载：基本风速为13.8 m/s（相当于6 级风），基本风压取0.13 kN/m2。

3 主梁结构设计

上部结构为（82.5+82.5）m 变高度T 形刚构箱梁桥，采用C55 混凝土，三向预应力体系，纵向按全预应力构件计算。主桥箱梁采用直腹板单箱四室结构，中支点梁高9 m，高跨比为1/9.167；边支点梁高3.0 m，高跨比为1/27.5。箱梁顶板宽33 m，底板宽25 m，翼缘板悬臂长为4 m。箱梁高度从距墩中心3.5 m 处到合龙处按2 次抛物线变化，箱梁在主墩墩顶0 号块梁段、边直段分别设置了2 道厚2 m 和1 道厚1.9 m的横隔板。顶板厚28 cm，底板厚度30~100 cm，腹板厚度50~80 cm。主梁共利用8 106.3 m3C55 混凝土，522 t 钢绞线，1 730 t 普通钢筋。

主桥连续箱梁（转体段）采用支架现浇法施工。转体梁段分段长度为21 m（0 号块）、18 m（1 号块）、24 m（2 号块）、21 m（3 号块），边跨现浇长6.44 m，合龙段长2.5 m。主梁结构设计如图2 所示。

图2 主梁结构设计图（单位：cm）

主墩采用矩形空心墩，墩身横桥向顶部宽度为25 m，墩底宽度为16 m，顺桥向总宽7 m。主墩顶部与梁体固结，底部与转体结构的上承台固结。上承台高3 m，平面尺寸为14 m×17 m。上承台下为上转盘，上转盘高1 m，直径12.5 m。

主墩承台厚度为5.0 m，承台平面尺寸为20 m×22 m。基础采用5×5 根钻孔灌注桩群桩基础，桩基直径为2 m，桩间距4.7 m。

反力座设置在主墩承台，并与主墩承台一起浇筑。

4 转体系统设计

该工程转体重量较大，采用钢制球铰作为转体施工的转心和承重体系，按中心支撑体系设计。转体系统总图如图3 所示。

图3 转体系统总图（单位：cm）

转体系统由上下承台、上下转盘、上下球铰、撑脚、滑道、定位骨架、牵引系统等组成，转体系统以球铰支承为主，撑脚起抗倾覆作用。转体系统设计承载力252 000 kN，采用双侧同步液压连续千斤顶作为牵引动力施加转动力矩。

该桥转体吨位较大，球铰结构复杂，设计中采用专利技术《一种转体球铰》（ZL 201420224156.3）[1]。

球铰包括上球铰、下球铰、定位销轴、型钢定位骨架、耐磨聚四氟乙烯滑板等构件，为转体结构的转动中心，同时承受并传递转体结构全部重量。

上球铰位于上转盘底部，为凸面，下球铰位于下转盘上，为凹面。球铰平面半径2.25 m，球面半径16.95 m。为防止球铰在加工、运输过程中变形，同时加强与上、下盘之间的混凝土连接，球铰背面设置环形及放射形加劲肋。球铰中心设置φ300 mm 钢制定位销轴，定位轴套穿透于上下球铰。球面板采用40 mm 厚Q345B 钢板，加强肋板采用Q235B 钢板，销轴采用45# 锻钢。

上下球铰之间设耐磨聚四氟乙烯滑板，容许压应力不小于100 MPa，黏结在下球铰的凹球面上，板上设储脂坑，坑内充满润滑硅脂。现场安装如图4 所示。

图4 下球铰滑板安装

撑脚共8 个，中心位于R=5.25m 的圆环上，采用钢管混凝土结构，钢管采用Q345B 钢材，厚度16 mm，外径100 cm，内填C50 微膨胀混凝土。钢管下设3 cm厚走板，走板底面加工精度为3 级。

滑道环形钢板厚2.4 cm，通过螺栓与骨架连接，安装就位后通过螺栓精确调整环形滑板高度，保证撑脚走板与滑道间的缝隙为15 mm。

上转盘直径6.25 m，采用C50 预应力混凝土结构，施工前首先安装临时支撑。临时支撑含砂箱及混凝土临时支墩，砂箱均匀布置于滑道上方的撑脚之间，共8 个；混凝土临时支墩设置于上转盘四周，共4个。转体施工前拆除砂箱和混凝土临时支墩。

牵引系统由牵引索、牵引反力座及牵引动力设备三部分组成。 该桥单侧启动牵引力设计值为T1=3 024 kN，牵引索采用4 束13Φs15.24 的钢绞线，抗拉强度1 860 MPa，以P 锚形式预埋在上转盘内。牵引反力座采用C50 钢筋混凝土结构，设于下转盘承台上，共2 个，尺寸为2.5 m×1.5 m×1.6 m（1.4 m）。牵引动力设备采用连续张拉千斤顶，为保证两台千斤顶同步工作，要求千斤顶油泵并联，并同时具备自动控制和手动控制两种功能。

5 转体施工

应尽量选择无风或微风天气转体施工，风力高于5 级时不得转体。

转体前应进行称重试验，测定结构平衡情况，如不满足平衡要求须配重。转体施工前应进行试转体，检查平转牵引系统的性能、整体平衡状况、测试摩擦系数、最大启动力，为正式平转做准备，并应记录点动试验结果[2]。

5.1 现场称重试验

现场称重采用规范[2]建议的球铰转动法测定。解除上下承台的临时固结后，支墩及撑脚和滑道钢板有接触，说明球铰摩阻力矩小于不平衡力矩，千斤顶布置在较重一侧，如图5 所示。

图5 平衡称重试验千斤顶及位移计布置图（单位：mm）

测试得知：千斤顶同步均匀加载，当总荷载P 升逐级加载到26 040 kN 时，球铰发生微小转动；千斤顶逐渐回落过程中，当总荷载P落逐级减载到6 500 kN时，球铰发生微小转动。由此分析得出不平衡力矩：

式中：MG为不平衡力矩，kN·m；P 升为梁体顶升时的千斤顶反力，kN；P 落为梁体回落时的千斤顶反力，kN；L 为千斤顶与球铰的中心距，m。

转动体摩阻力矩：

式中：MZ为转动体的摩阻力矩，kN·m。

转动体偏心距:

式中：N 为转体系统设计承载力，kN。

根据实测结果可知，转动体偏心距为38.5 cm＞5 cm，因此需要在较轻侧配重。经计算在距离梁端2 m 处，沿腹板位置均匀布置50 块混凝土立方体，每块重2.6 t，配置总重量1 293 kN，调整后计算偏心距约为0 cm，可满足平衡转体要求。

5.2 试转试验

试转时测量转动体系的启动牵引力和转动牵引力，然后计算静、动摩擦系数，通过三次牵引力测试，测试结果见表1。

表1 牵引力测试记录表

通过三次测试结果，转动体系的平均启动牵引力为2 356 kN，平均转动牵引力为907 kN。

由转体牵引力计算公式[3]：

式中：T 为转体牵引力，kN；f 为摩擦系数；R 为球铰平面半径，m，R=2.25 m；D 为上转盘直径，m，D=12.5 m；G 为转体重量，kN，G=240 000 kN。

可得：启动时静摩擦系数为f 静=0.082，动摩擦系数为f动=0.031。设计时静摩擦系数选用0.1，动摩擦系数选用0.06 符合实际情况，参数选用合理。

5.3 行程点动试验

行程点动试验用于测定牵引钢绞线与梁端行程之间的相互关系，为转体最后阶段的精确就位提供依据。该项目进行1 mm、3 mm、5 mm、10 mm、20 mm行程点动试验，相应悬臂端行程为0.012 m、0.035 m、0.059 m、0.118 m、0.235 m。

5.4 转体精确定位控制

（1）转体动力系统应具有自动控制和手动控制两种功能，当主梁端部即将到达设计位置前100 cm时，采用点动操作，并与测量人员密切配合，获取点动操作时最大弧长转体数据。

（2）点动操作、精确定位前，先对上部转体结构进行水平校正。

（3）设置转体限位装置，以防超转。

（4）在梁端设置水平微调装置，在上转盘下方设置竖向千斤顶调整纵横向标高。

该工程转体过程中撑脚未着地，竖向转动得到有效控制，转体完成后水平偏差约1 cm，竖向偏差约0.5 cm。转体完成后照片如图6 所示。

图6 转体完成后照片

6 结语

该桥是深圳市外环高速公路的控制性工程，桥面宽度及转体重量均刷新了中国铁路广州局集团管辖范围内记录，施工难度大，通过该工程的建设，得到如下经验：

（1）因路线纵坡、施工误差等因素影响，对称施工同样会产生较大偏心距。正式转体前必须重视称重试验及平衡配重工序；

（2）该项目在较轻侧悬臂梁体端部附近配置重量1 293 kN 的混凝土块，结构达到平衡状态，满足平衡转体要求；

（3）通过试转试验，测得静摩擦系数为0.082，动摩擦系数为0.031，说明设计时静摩擦系数选用0.1，动摩擦系数选用0.06 较为合理；

（4）转体施工过程中，撑脚全程未接触滑道，与中心支撑的设计理念相符，说明中心支撑体系同样适用于宽桥面、大重量转体桥设计。