转体连续梁桥转体系统设计分析概述

李哲

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，河南 郑州 450000）

1 概述

近年来，随着我国交通强国的建设，公路、铁路路网越来越发达，不可避免的出现城市轨道交通、公路、道路与铁路交叉的情况，根据国铁集团要求公路、城市轨道交通和道路上跨高速铁路及其相关联络线和动车走行线的路基、桥涵地段，以及上跨开行客车的普速铁路的路基、桥涵地段，桥梁施工应优先采用转体施工方案，因此转体桥梁在涉铁工程项目中的应用将更加广泛。桥梁转体施工是一种施工方法，通常是在桥梁非设计轴线的位置现浇或者悬浇主体结构，然后通过转体就位。该施工方法广泛应用于上跨沟谷、河流、铁路、高速公路等不能原位施工的情况。而对于转体桥来说，转体系统是其关键结构，转体系统由下转盘、上转盘、球铰、滑道、牵引系统组成，转体过程一般通过千斤顶对拉牵引索，形成旋转力偶而实现转体[1]。

2 工程背景

国道310 郑州西南段改建上跨京广铁路立交桥涉铁工程分别上跨京广铁路上、下行线，桥址处两股道最小线间距为29.8m。采用斜交正做，整幅布设，桥梁全宽33.06m，涉铁联全长192m；跨径布设为（52+92+52）m 现浇连续梁，京广铁路上下行两侧均设置转体墩，转体长度均为2×44m，转体总重量：120000kN，转体角度分别为逆时针旋转78.8°和74.1°，铁路上下行线间设置跨中合拢段，对称转体、线间合龙，不仅减小了跨径、降低了转体重量，而且节省了投资、保证了工期，更大大减少了对铁路运营安全的影响。（图1）

图1 桥梁转体就位后示意图

3 转体系统

对于转体桥的关键结构转体系统，其主要组成部分为转体下转盘、球铰、上转盘、转动牵引系统。我们在设计过程中应结合结构尺寸和桥梁整体受力进行设计。下面结合工程项目实例进行介绍。（图2、3）

图2 桥梁转体系统平面图

图3 桥梁转体系统立面图

3.1 转体下转盘

下转盘采用C50 混凝土。下转盘作为整个转体系统的基础，主要用来承受上部转体结构重量，其下部为桥墩承台基础，待结构转体成功后与上转盘一起成为桥梁基础。下转盘上设置转动系统的下球铰、保险撑脚环形滑道及转体拽拉千斤顶反力座等。

3.2 转体球铰

相关的技术参数见表1。

表1 技术参数表

3.2.1 球铰直径计算

结构容许偏心距emax=100mm。球铰直径D1计算，依据EN1337-7，emax＜D1/8，得出，D1>800mm。下承台混凝土（C50）主压应力（考虑偏压效应增大系数K=1.2），C50 混凝土的抗压标准强度为[σcp]=32.5MPa：

其中，V- 球铰设计的竖向载荷（kN）；

K- 偏压效应增大系数，取1.2；

k- 球铰接触面积折减系数，取0.65；

由此我们结合承台尺寸选择球铰底部直径D1为3300mm 满足要求。

3.2.2 球铰球面曲率半径R 计算：

3.2.3 耐磨板应力校核

球铰耐磨板材料采用改性超高分子量聚乙烯，材料性能见表2。

表2

根据相关规范查询改性超高分子量聚乙烯设计许用面压可达到45MPa。耐磨板接触面积为S=2πRh=2×π×8000×172=8641280mm2。考虑偏压效应增大系数1.2，则计算平均压应力为：

满足聚改性超高分子量聚乙烯耐磨板许用压应力要求。

3.2.4 牵引力计算及设备配置

3.2.4.1 摩擦力计算

3.2.4.2 牵引力计算

根据T=2fGR/3D

（式中：T- 牵引力；G- 转体总重力；R- 铰柱半径；D- 牵引力偶臂；f- 摩擦系数）[2]所以：

R1- 球铰平面半径，R1=D1/2=3300mm/2=1650mm

μ- 球铰摩擦系数，μ静=0.1，μ动=0.06

启动时所需最大牵引力

转动过程中所需牵引力

考虑到实际转动中可能为不平衡转体，有一个撑脚接触滑道，控制撑脚反力在VS=2000kN 内，则计算牵引力T

R2=D2/2=9000mm/2=4500m

最大启动牵引力

3.2.5 千斤顶选型

考虑到1.5 的动力储备系数，需要1410kN×1.5=2115kN，故选择两台300 吨自动连续型千斤顶，形成水平旋转力偶，通过拽拉锚固且缠绕直径1000cm 的转台圆周上的钢绞线，使得转动体系转动。

3.2.6 钢绞线选型

选用22-φs15.2 钢绞线，其标准强度：fytp=1860MPa，n=22；单根截面面积：A=139mm2；钢绞线锚下控制应力：fk=0.75fytp=0.75×1860MPa=1395MPa

则单束钢绞线容许控制拉力[T]

[T]=nAfk=22*139*1395/1000=4266kN

安全系数K1=[T]/T 静=4266/1410=3.0＞2.5，满足要求[3]。

3.2.7 球铰制造与安装

钢球铰转体系统的核心，一般是由厂家定制安装，其主要由上球铰、下球铰组成，设计直径为φ3300mm，生产施工中其精度要求特别高，转动中心轴φ260mm 钢棒必须在下球铰精准安装并灌注混凝土完成后才能放入下转盘预埋套筒中。最后再安转下球铰摩擦板和上球铰。

3.2.8 撑脚与滑道

沿上转盘纵横轴线两侧的位置分别设置8 个撑脚，用来支撑和保障转体结构能够平稳转动。为进一步保证结构的平稳，在撑脚下方设置半径R=450cm，宽度w=113cm 的滑道，使撑脚在滑道平面内滑动，要求滑道平面水平，精度控制在2mm 以内。撑脚采用φ800mm×24mm 的双圆柱钢管，钢管内灌注C50 微膨胀混凝土，其下设置钢板用于撑脚的走行。

3.3 转体上转盘

上转盘采用矩形截面尺寸1500×1100cm，高280cm；转台直径φ1000cm，高度80cm。考虑上转盘的空间受力和重要性，对其分别布设纵横向预应力钢筋。

转盘是球铰、撑脚与上转盘连接的部分，也是直接施加旋转牵引力的部分。旋转牵引电缆嵌入转盘中。预埋端为P型锚具。同一对索的锚固端位于同一直径线上，并关于圆心对称。确保每根索的埋设高度和牵引方向一致。嵌入转盘的每根索长度大于300cm，每对索的出线点关于转盘中心对称。牵引索的外露部分应平滑地缠绕在转盘周围，并放置在预埋钢筋上，且不能相互干扰。施工中应采取防止钢绞线损坏或严重腐蚀保护措施。

拆除支撑球节上转盘的支墩，进行转动系统支承体系转换前，必须保证上转盘混凝土强度达到设计值。然后对转盘施加绕球铰中心的旋转扭矩。最后，转体施工时，要及时测量转盘摩擦系数，并检查球铰工作是否正常。

3.4 转体角速度控制

a.转体角速度w≤0.02rad/min。

b.主梁端部水平线速度v≤1.2m/min。

3.5 转体精度定位控制

a.为保证转体过程中转体系统的精准化，对转体系统采用自动化控制和手动控制相结合，采用自动控制转至距离设计位置小于1m 时，应切换至手动控制，同时转体期间，应随时通过测量获取转体结构的最大弧长数据。

b.转体过程中及时对上部结构进行水平校正，之后才能进行点动操作和精度定位。

c.为防止超转应选取适当的位置设置限位装置。

3.6 防倾保险措施

a.8 组钢管混凝土撑脚均布于上转盘直径为9.0m 的圆周上，撑脚下对应有不锈钢滑道，滑道上铺设4mm 厚的不锈钢板，不锈钢板与撑脚走板面的距离为25mm。

b.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，使整个转体结构重心与球铰中心位于同一竖直线上。

4 转体施工注意事项

4.1 在转体过程中，核实转体桥梁转动影响范围是否有障碍物。

4.2 转体过程均为单向旋转，应设置限位系统，确保转体角度和线位的准确，避免出现过转。

4.3 转体施工前应核查结构相关预埋钢筋和构件是否到位。

4.4 转体施工应选择无风或微风的天气进行施工，以保证转体过程顺利进行。施工单位应提前制定防护措施和应急预案，转体前提前关注气象状况，及时观测掌握作业场地的风压情况，若出现超过4 级的大风，应停止转体作业。

4.5 设计过程中应准确对转体系统转轴前后左右的梁体重量进行测算，确保转体受力平衡，根据计算需要配重的应及时调整，计算过程中误差应控制在3%以内。

4.6 支架拆除前，必须拆除或清除桥上所有施工设备及堆放的材料（含箱内模板），待支架完全拆除后方可进行转体施工。

4.7 施工过程中要及时对承台、墩身（顶）的沉降观测标进行观测。

5 结论

连续梁转体桥设计难度较大，工艺相对复杂，特别对于转体系统精度要求高,这就需要设计人员根据结构受力情况合理设计，确保设计安全经济。本文中的工程项目已经成功实施，取得了良好的社会效益和经济效益，可为同类工程的设计提供借鉴。