鐵路大跨度轉(zhuǎn)體施工T構(gòu)橋設(shè)計研究

謝曉慧

摘 要：以國內(nèi)最大跨度和噸位的鐵路轉(zhuǎn)體T構(gòu)橋—武黃城際鐵路2×115 m轉(zhuǎn)體T構(gòu)橋為工程背景，介紹該橋型在跨越既有鐵路的優(yōu)點。結(jié)合該橋的設(shè)計與研究，提出了一次轉(zhuǎn)體成橋施加上頂力的施工方案；從大橋的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)造、體系受力、墩梁結(jié)合部位的復(fù)雜受力情況及轉(zhuǎn)動體系的設(shè)計研究等方面敘述了大跨轉(zhuǎn)體T 構(gòu)橋的主要力學(xué)特點和結(jié)構(gòu)性能。

關(guān)鍵詞：鐵路橋 大跨度T構(gòu)橋 轉(zhuǎn)體施工 轉(zhuǎn)動體系

中圖分類號：U445 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）02（a）-0023-03

橋梁轉(zhuǎn)體施工是指將橋梁結(jié)構(gòu)在非設(shè)計軸線位置施工成形后，通過轉(zhuǎn)體就位的一種施工方法。通常情況下，橋梁施工作業(yè)在橋梁所跨越的障礙上空進(jìn)行，采用了轉(zhuǎn)體施工后，橋梁施工作業(yè)空間可以從障礙上空轉(zhuǎn)移至岸上或者地面[1]?？缭郊扔需F路、公路、航道的橋梁，橋梁施工作業(yè)空間可以轉(zhuǎn)移至平行于鐵路、公路、航道的一側(cè)，避免了橋梁施工對鐵路、公路、航道的干擾[2]。

該文以武黃城際鐵路余家灣上行特大橋2×115 m轉(zhuǎn)體T構(gòu)橋為背景，對鐵路大跨度轉(zhuǎn)體T構(gòu)橋的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)受力、施工過程及控制措施等進(jìn)行了研究。

1 工程概況

武黃城際鐵路余家灣上行特大橋跨越京廣上、下行線及車站到發(fā)線等共五股道，新建線路與既有鐵路夾角28°，為保證既有鐵路運營安全，減少對既有鐵路的影響，主橋采用2×115 m大跨度轉(zhuǎn)體T構(gòu)橋。先平行于既有鐵路采用滿堂支架法完成T構(gòu)施工，然后平轉(zhuǎn)28°至既有鐵路上空。

梁部為變高度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，單箱單室直腹板截面，主墩墩頂處梁高為1 180 cm，邊支點處梁高為440 cm。箱梁底緣按1.8次拋物線進(jìn)行過渡變化。箱梁頂板寬900 cm，厚35 cm，底板寬600 cm，厚38～146 cm，腹板厚45～120 cm。主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用C55高強(qiáng)混凝土。

主墩為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用矩形空心墩，墩高5.0 m，墩身縱向長8 m，橫向?qū)?.4 m。承臺為矩形截面，縱、橫向尺寸均為15.2 m，高6.8 m。根據(jù)轉(zhuǎn)體施工的需要，承臺混凝土分成了上轉(zhuǎn)盤、下轉(zhuǎn)盤、封鉸混凝土3部分。鉆孔樁采用9根直徑2.5 m樁。

余家灣上行特大橋2×115 m轉(zhuǎn)體T構(gòu)，一次轉(zhuǎn)體橋長231.6 m，轉(zhuǎn)體重量145 000 kN，是目前國內(nèi)轉(zhuǎn)體施工的跨度最大，噸位最重的鐵路T構(gòu)橋。

2 結(jié)構(gòu)分析與研究

鑒于轉(zhuǎn)體施工的特殊性，需要結(jié)合施工過程對橋式結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力特性分析與研究。T構(gòu)橋?qū)賹ΨQ結(jié)構(gòu)，非常適合于自平衡平轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)體時一般無需配平衡重，降低了施工的難度及風(fēng)險。

2.1 施工方案分析研究

T構(gòu)橋的常規(guī)轉(zhuǎn)體施工方法是在邊墩處梁端設(shè)后澆段，即預(yù)留梁端段未澆筑，待主橋先澆部分轉(zhuǎn)體就位以后，再搭支架澆筑端部梁段，主橋經(jīng)兩次澆筑完成。該方案的缺點是梁端的現(xiàn)澆通常在靠近既有線的地方進(jìn)行，仍然會對既有線運營的有一定的干擾，且需要增加梁的跨度，施工過程也相對繁瑣。

結(jié)合工程環(huán)境，從施工的安全穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)受力合理性及工程經(jīng)濟(jì)性等方面對施工方案進(jìn)行綜合分析，研究出一次轉(zhuǎn)體成橋方案：T構(gòu)橋的主梁及主墩，在橋梁轉(zhuǎn)體以前全部澆筑完畢，橋梁轉(zhuǎn)體以后，在梁端施加上頂力，然后安裝支座，上頂力轉(zhuǎn)化為支反力，再張拉剩余預(yù)應(yīng)力鋼束后即可成橋。

一次轉(zhuǎn)體成橋方案，全橋均在遠(yuǎn)離既有線的地方澆筑完成，對既有線運營的干擾較小，簡化了施工過程，減少了橋梁的跨度，節(jié)省了工程投資。

2.2 主梁受力分析及梁端上頂力

轉(zhuǎn)體T構(gòu)橋施工過程中主梁承受的彎矩以負(fù)彎矩為主，主梁的受力類似于懸臂梁；施工階段的最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在主梁落梁后及轉(zhuǎn)體過程中，主梁呈最大懸臂狀態(tài)；轉(zhuǎn)體到位后，可利用梁端上頂力改善主梁的受力，減小恒載作用下主梁的負(fù)彎矩。

通過施加梁端上頂力，增大梁端支座的支反力，可以避免出現(xiàn)拉力支座，取消梁端壓重；梁端支反力的增加，主梁的正彎矩相應(yīng)增加，負(fù)彎矩則相應(yīng)減小，而大跨度轉(zhuǎn)體T構(gòu)橋的主梁受負(fù)彎矩控制，所以施加梁端上頂力可以改善結(jié)構(gòu)受力。

因此，在大跨度轉(zhuǎn)體施工T構(gòu)橋的設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)體過程中橋梁的受力情況，確定橋梁的結(jié)構(gòu)尺寸及主要的預(yù)應(yīng)力鋼束布置形式，在結(jié)構(gòu)尺寸及主要的預(yù)應(yīng)力鋼束得以確定的前提下，再調(diào)整梁端上頂力的數(shù)值，改善橋梁受力，確保運營階段的結(jié)構(gòu)受力及結(jié)構(gòu)檢算滿足規(guī)范要求且有適當(dāng)富余。

2.3 墩梁結(jié)合部空間應(yīng)力分析

主墩與主梁固接處，是連續(xù)剛構(gòu)橋的關(guān)鍵部位，此處結(jié)構(gòu)構(gòu)造和應(yīng)力分布都比較復(fù)雜， 需要在全橋總體分析的基礎(chǔ)上，對該區(qū)域應(yīng)力分布情況進(jìn)行詳細(xì)的空間分析[3]。在墩梁固結(jié)區(qū)沿縱橋方向選取26 m來研究，建立墩梁固結(jié)區(qū)的空間實體有限元分析計算模型。

圖1～2為腹板中心截面的正應(yīng)力沿梁長的分布，可以看出：墩梁結(jié)合部由于受剛臂墩和橫隔板的影響，該處主梁頂板混凝土的正應(yīng)力峰值沒有發(fā)生在最中間的支點，而是發(fā)生在主墩邊緣和主梁相交處，進(jìn)入主墩范圍后正應(yīng)力變?。坏装逭龖?yīng)力峰值也發(fā)生在主墩外的倒角位置，削峰效應(yīng)明顯。主墩范圍以外腹板沿高度的正應(yīng)力基本上按線性分布，主墩范圍內(nèi)的縱向正應(yīng)力，沿梁高方向的應(yīng)力梯度不明顯，全截面均受壓。

圖3為橫截面的剪應(yīng)力分布圖，可以看出：變截面梁橫截面上的最大剪應(yīng)力并不發(fā)生在截面重心軸處，而是發(fā)生在重心軸以下區(qū)域或梁底緣處，這與等高度箱梁有所不同，所以應(yīng)考慮梁高、底板厚度、腹板厚度沿跨度的變化所引起的附加剪應(yīng)力的影響。

大跨度轉(zhuǎn)體T構(gòu)橋變高度箱梁的底板所受的剪應(yīng)力較大，為了合理設(shè)計變截面箱梁，應(yīng)加強(qiáng)底板配筋及構(gòu)造處理，且不應(yīng)采用薄底板，所以該文中的2×115 m轉(zhuǎn)體T構(gòu)橋箱梁根部的底板厚度梁高的1/7.5，墩梁結(jié)合部底板厚度進(jìn)行了過渡并與橋墩連接時加倒角，有效的減小了底板的剪應(yīng)力值。

2.4 轉(zhuǎn)體體系設(shè)計研究

轉(zhuǎn)體體系是轉(zhuǎn)體橋梁的重要組成部分，轉(zhuǎn)體體系應(yīng)當(dāng)具備以下性質(zhì)，才能保證轉(zhuǎn)體的順利進(jìn)行：（1）在橋梁轉(zhuǎn)體時，轉(zhuǎn)體體系承受橋梁上部的荷載，并將荷載傳遞給基礎(chǔ)，因此，轉(zhuǎn)體體系須具備足夠的承受荷載的能力；（2）為滿足橋梁轉(zhuǎn)體的需要，轉(zhuǎn)體體系須具備良好的轉(zhuǎn)動性能，這是確保橋梁轉(zhuǎn)體成功的關(guān)鍵因素；（3）轉(zhuǎn)體體系應(yīng)具備良好的保持平衡能力，以保證在受到外界干擾的情況下仍能保持穩(wěn)定；（4）轉(zhuǎn)體體系應(yīng)具備較小的摩擦系數(shù)和強(qiáng)大的動力牽引系統(tǒng)[4]。

大跨度T構(gòu)橋的轉(zhuǎn)體施工屬平面轉(zhuǎn)體，其轉(zhuǎn)體體系主要由支承系統(tǒng)、平衡系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動牽引系統(tǒng)組成。支承系統(tǒng)由上轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)體球鉸、下轉(zhuǎn)盤組成；平衡系統(tǒng)由撐腳、滑道組成；轉(zhuǎn)動牽引系統(tǒng)由牽引動力系統(tǒng)、牽引索、反力支座、錨固構(gòu)件組成。轉(zhuǎn)體體系示意圖見圖4。

余家灣上行特大橋轉(zhuǎn)體體系主要尺寸：上轉(zhuǎn)盤長13 m，寬13 m，高2.5 m；下轉(zhuǎn)盤長15.2 m，寬15.2 m，高3.4 m；轉(zhuǎn)體球鉸噸位為14 500 t。

對整個轉(zhuǎn)體體系建立有限元實體進(jìn)行分析計算。轉(zhuǎn)體體系上、下轉(zhuǎn)盤主要以受壓為主，最大壓力應(yīng)力小于7 MPa，局部范圍出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力數(shù)值較小，小于0.5 MPa；主拉應(yīng)力亦小于1 MPa，均滿足規(guī)范要求且有較大的富余。

3 結(jié)語

該文的的主要研究結(jié)論如下。

（1）采用一次轉(zhuǎn)體、不設(shè)置梁端現(xiàn)澆段、邊墩頂梁就位的大跨度轉(zhuǎn)體T構(gòu)橋方案，減少了對既有鐵路運營的干擾和影響。

（2）大跨度轉(zhuǎn)體T構(gòu)橋，轉(zhuǎn)體過程中橋梁的受力為控制工況，據(jù)此確定結(jié)構(gòu)尺寸及主要的預(yù)應(yīng)力鋼束布置形式；然后通過調(diào)整梁端上頂力的數(shù)值，來滿足運營階段的結(jié)構(gòu)受力要求。

（3）墩梁結(jié)合部受剛臂墩和橫隔板的影響，該處主梁頂板、底板的正應(yīng)力有明顯的削峰效應(yīng)。

（4）大跨度T構(gòu)橋變高度箱梁，剪應(yīng)力一般并不發(fā)生在重心軸處，而是在梁下部區(qū)域或底緣處。為了合理設(shè)計變截面箱梁，不應(yīng)采用薄底板，而且應(yīng)加強(qiáng)其配筋及構(gòu)造處理。

（5）轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)上、下轉(zhuǎn)盤主要以受壓為主，轉(zhuǎn)體體系須具備良好的轉(zhuǎn)動性能、保持平衡能力。

參考文獻(xiàn)

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