动力设置于边墩的墩顶转体法在京雄城际铁路中的应用

邢继胜，刘凯

（中国铁路设计集团有限公司 土建工程设计研究院，天津 300308）

1 常规转体施工方法

随着我国基础设施建设飞速发展，新建铁路跨越既有铁路、公路和城市道路的情况日益增多，对施工过程中的安全要求也大幅提高，悬臂浇筑等传统的连续梁施工方法已难以满足工程建设需要。在铁路建设中，连续梁转体施工法作为一种有效减少桥梁施工对既有跨越工点影响、确保跨越工点安全的施工方法，得到了越来越多的应用。

常规的连续梁转体结构由下盘、球铰、上盘、撑脚、滑道和牵引系统等组成。其中，球铰是转体系统的核心，牵引系统提供结构转动的动力。根据球铰位置不同，连续梁转体可分为墩底转体和墩顶转体。

1.1 墩底转体法

常规的墩底转体系统，以承台为下盘、加台为上盘，转体球铰、撑脚、砂箱均设置于下盘与上盘之间，通过牵引系统牵引上盘，带动梁体转动就位。转体施工作业主要在地面进行，在转体前和转体过程中，转体梁段与桥墩需要临时固结，直至转体就位或连续梁合龙后，再进行拆除。上盘以上桥墩、梁部及临时固结措施等均计入转体质量［1-2］，同等跨度条件下，球铰吨位大于墩顶转体系统，墩底转体一般适用于桥墩、临时措施引起的附加吨位不大以及中墩地面较平整的工点［3-4］。墩底转体施工示意见图1。

图1 墩底转体施工示意图

1.2 动力设置于中墩的墩顶转体法

调研显示，铁路建设中常规的墩顶转体系统，动力一般设置于中墩墩顶［5-6］。利用中墩墩顶为下盘，连续梁0号块为上盘。转体球铰、撑脚与临时砂箱均设置于墩顶与连续梁0号块之间，千斤顶反力座设置于墩顶或临时工作平台上。施工中墩墩顶时，需预设下球铰、滑道及牵引索反力座。连续梁对称段在施工完成后进行转体，转体就位后进行“边跨合龙→移除销轴→顶升中墩处梁体→移除衬板→安装永久支座→落梁→中跨合龙”等工序。转体施工作业主要在墩顶进行［7-8］。为保证转体系统设置、转体作业设备及操作空间的要求，墩顶及连续梁0号块较墩底转体一般需增加尺寸，并在中墩墩顶周围搭设工作平台。墩顶转体一般适用于桥墩、临时措施引起的附加吨位较大的工点［9-10］。动力设置于中墩的墩顶转体施工示意见图2。

图2 动力设置于中墩的墩顶转体施工示意图

2 动力设置于边墩的墩顶转体法

京雄城际铁路固安特大桥于DK55+027.49跨越廊涿高速公路，交叉角度（右角）为45°19＇0＂，既有路宽27 m、规划路宽50 m（见图3）。固安特大桥设计采用（72+128+72）m连续梁跨越，主墩高分别为7.5 m和9.0 m。为有效减少连续梁施工对交通的影响，并且尽量减小球铰吨位、降低工程造价，拟采用连续梁旁位现浇、墩顶转体就位的施工方法。

图3 固安特大桥跨越廊涿高速公路转体平面示意图

京雄城际铁路作为首都北京与雄安新区的重要联系通道，在设计过程中不断深入贯彻“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念，聚焦《新时代交通强国铁路先行规划纲要》，围绕“三个世界领先、三个进一步提升”，全力打造新时代精品工程。因此，在工点设计中将“安全、经济”与“创新、美观”有机结合，提出一种全新的墩顶转体法。

2.1 总体设计

将常规的墩底转体法和墩顶转体法代入固安特大桥连续梁转体施工的总体设计中进行分析：

（1）墩底转体法。球铰吨位包含转体梁段及桥墩质量，导致转体球铰吨位较大。经计算，墩底转体球铰设计竖向承载力为113 000 kN。

（2）动力设置于中墩的墩顶转体法。墩顶及连续梁0号块永久结构需要根据球铰需求增加尺寸，对成桥视觉景观效果有一定影响；转体设备设置于墩顶，需搭设工作平台，施工操作烦琐且具有一定安全风险。经计算，该方法中转体球铰设计竖向承载力为82 000 kN。

综合以上分析，提出对常规的墩顶转体法进行改进，将动力设置于边墩，其墩顶转体施工示意见图4。如图所示，在该方法中，球铰设置于中墩顶部、牵引系统设置于边支点附近，边跨支柱顶端在边跨永久支座附近支承梁体，底端支撑于滑道。

图4 动力设置于边墩的墩顶转体施工示意图

2.2 系统设计

2.2.1 支承系统

支承系统可承受转体质量并实现转动，在动力设置于边墩的墩顶转体法中，支承系统即转体球铰。转体球铰设计应满足球铰钢材、球铰滑片受力要求。本工点转体球铰设计竖向承载力为82 000 kN，由上球铰、聚四氟乙烯复合夹层滑板、下球铰、销轴等部件组成。其中，上、下球铰采用ZG270-500级铸钢整体加工而成，其他钢材采用Q345。上、下球铰球体半径分别为6 997 mm和7 008 mm，球面承压直径2 800 mm。上球铰与梁底用锚栓连接，随梁体一起旋转。下球铰为底平、上凹的球体，下球铰的上凹面刻有直径60 mm、深10 mm嵌槽，用以嵌放聚四氟乙烯复合夹层滑板，嵌槽呈环形排列。销轴为直径450 mm的钢柱。上球铰与连续梁0号块之间设置30 mm厚衬板，转体就位后将衬板移除，实现上下球铰球面脱离接触，球铰作为防落梁装置继续保留。转体球铰立面及平面示意见图5。

图5 转体球铰立面及平面示意图

2.2.2 平衡系统

平衡系统是防止转动体倾覆的装置，一般由撑脚、滑道、砂箱等部件组成。撑脚对称布置于球铰外侧，支撑于滑道上。撑脚、滑道、砂箱等设施均需支撑在上、下转盘之间，其与球铰的距离受限于上、下盘尺寸，一般都很小。考虑到本工点将转体动力设置于边墩位置，通过综合比较，创新性地取消了撑脚与砂箱，提出由边跨支柱和滑道构成转体平衡系统的方案。方案中，边跨支柱由钢管混凝土立柱和柱底钢板组成，其顶端在连续梁边跨永久支座附近支撑梁体（距离球铰中心线70 m），底端通过柱底钢板支撑于滑道。柱底钢板与滑道间设置聚四氟乙烯复合夹层滑板。滑道布置于边跨支柱下部，平面曲线半径为70 m，长度按照转体行程设计。滑道采用混凝土结构，混凝土顶面设置3 mm厚钢板，钢板表面铺设聚四氟乙烯复合夹层滑板。在转体开始前，连续梁支撑于梁体临时支架上，边跨支柱与滑道不承受荷载。转体平衡系统构造示意见图6。

图6 转体平衡系统构造示意图

2.2.3 牵引系统

牵引系统是为转体施工提供动力牵引的机械设备及装置，由牵引索、千斤顶和千斤顶反力座组成。

转体所需牵引力计算如下：

式中：F为转体牵引力，kN；Rs为球铰平面半径，本工点为1.4 m；R'为滑道中心半径，即边跨支柱中心至球铰中心距离，本工点为70 m；Gm为球铰承重，本工点为81 776 kN；Gs为边跨支柱承重，本工点为5 182 kN；D为转体力臂，即牵引力作用点至球铰中心距离，本工点为70 m；μ为球铰静摩擦系数，取0.1；μ'为滑道静摩擦系数，取0.1。

按以上公式计算，转体最大牵引力Fmax为628 kN。选用2组液压同步自动连续牵引系统，由连续千斤顶、液压泵站及主控台组成，牵引设备应按最大牵引力的2倍以上配置。正式转体前，进行试转，检查球铰运转是否正常，测定实际摩擦系数μ、μ'，并校核实际转体牵引力F。

2.3 施工顺序

本工点连续梁转体主要施工步骤如下：

（1）改移或改造相干扰的光缆、电缆等设施；施工桩基、承台及桥墩，其中，中墩施工至墩顶时安装球铰。

（2）在转体前，桥位搭设梁下支架，并按要求预压；完成连续梁转体段梁部施工（即不含跨中合龙段）。

（3）在连续梁梁部施工的同时，完成滑道、边跨支柱、牵引系统等转体设施的施工及安装。

（4）连续梁边跨合龙后，解除中墩墩顶临时锁定设施，移除桥上与转体无关的施工机具或临时设备。

（5）试转，检查球铰的运转是否正常，并测定摩阻系数等。

（6）利用牵引系统牵引边跨支柱，使边跨支柱沿滑道平转并带动梁体平转至设计梁位。

大梁睁大眼睛瞄着我，脸上木木的，半天不说话。发了会儿怔，又转过头，瞅着对面的山墙，眉头皱成一堆儿。我说你累了几天了，早点儿歇息吧。说完我就带上了门，想出去转转。

（7）梁体平转就位后，进行移除边跨支柱→安装边墩永久支座→移除球铰销轴→顶升中墩处梁体→移除球铰衬板→安装中墩永久支座→落梁等工序。

（8）拆除滑道、千斤顶反力座等转体设施，至此完成连续梁转体相关工作。

（9）安装跨中合龙吊架，施工跨中合龙段。施工桥面附属，至此完成本工点连续梁梁体施工。

3 技术特点

动力设置于边墩的墩顶转体法在京雄城际铁路中的成功应用，为连续梁转体的设计提供了一种全新的设计思路，并总结出以下特点：

（1）转体球铰设置于墩顶，相对于墩底转体降低了球铰吨位。

（3）牵引力臂很长，可有效减少牵引力，对于本工点，牵引力仅为墩底转体牵引力的15%。

（4）引入边跨支柱的设计理念，将传统转体施工的单点支撑体系改变为双点支撑体系，使得施工过程中，桥梁支撑体系更加稳固安全，大幅度降低了施工安全风险，并节约撑脚、砂箱等临时构造的设置。

（5）转体完成后，球铰作为防落梁设施继续保留，实现了永临结合。

4 结束语

2019年5月，京雄城际铁路跨廊涿高速公路的动力设置于边墩的墩顶转体顺利完成。该方法是国内首创的不平衡长悬臂墩顶转体施工方法，是我国目前为止吨位最大的高速铁路桥梁墩顶转体、跨度最大的高速铁路连续梁墩顶转体，也是同等吨位转体中牵引荷载最小的转体方式。动力设置于边墩的墩顶转体法在京雄城际铁路中的成功应用，开拓了铁路连续梁转体的新理念，丰富了我国高速铁路桥梁的设计和建造技术。

连续梁转体施工法具有不影响所跨越道路或铁路运营的优点，是跨线、跨越重要工点桥梁的首选方案。采用墩顶转体法施工的连续梁，减轻了转体质量，降低了施工难度，减少了跨线施工对既有线路运营安全的影响，大大降低了施工安全风险，经济效应显著。而动力设置于边墩的墩顶转体法，将转体施工作业场地移至边墩附近地面，降低了作业难度；增加了牵引力臂，有效地减少了牵引力；利用边跨支柱提供抗倾覆支承作用，增强了转体过程中的稳定性，具有广阔的应用前景。