(50+85+50) m跨鐵路連續(xù)梁不對稱轉(zhuǎn)體設(shè)計(jì)研究

井江永

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 工程概況

橋址位于陜西省韓城市渚北村，國道108線在此處采用一聯(lián)(50+85+50) m預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁橋上跨黃韓侯鐵路及侯西鐵路[1-2]，橋梁長度190.9 m，橋面全寬27 m，雙幅設(shè)置。黃韓侯鐵路和侯西鐵路均為單線、電氣化鐵路，上跨處兩線線間距為18.2 m，橋梁中心線與鐵路線路夾角為52°；為保證橋梁施工過程中既有線運(yùn)營安全，橋梁采用轉(zhuǎn)體施工[3]。橋下凈空設(shè)計(jì)為9.8 m，滿足電力牽引區(qū)段雙層集裝箱橋梁建筑限界的要求，并考慮轉(zhuǎn)體過程中相關(guān)設(shè)備絕緣要求。本橋?yàn)殡p幅橋在同一橋墩上轉(zhuǎn)體，為使兩幅橋合龍段位置均置于鐵路建筑限界以外，轉(zhuǎn)體T構(gòu)為縱、橫不對稱結(jié)構(gòu)；球鉸采用RPC球鉸，最大轉(zhuǎn)體噸位達(dá)130MN，在我國目前在建或已建成的轉(zhuǎn)體連續(xù)梁橋中較為罕見[4]。

橋址處地層巖性主要由第四系全新統(tǒng)雜填土、沖洪積細(xì)砂、上更新統(tǒng)細(xì)砂、卵石；太古界全風(fēng)化花崗片麻巖組成。地震動峰值加速度為0.161g，相當(dāng)于地震烈度7度，動反應(yīng)譜特征周期為0.46 s。橋址平面示意見圖1。

圖1 橋址平面示意

2 橋式方案、橋梁孔跨比選

2.1 橋式方案比選

本橋橋式方案先后研究了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁、連續(xù)鋼箱梁、大跨簡支梁、T構(gòu)連續(xù)梁等橋式方案，從經(jīng)濟(jì)、適用、施工方法、施工過程中對既有線干擾以及后期養(yǎng)護(hù)維修等方面進(jìn)行綜合比選，并征得鐵路運(yùn)營部門同意，最終采用混凝土連續(xù)梁方案，轉(zhuǎn)體施工。橋式方案比選見表1。

表1 橋式方案比選

2.2 橋梁孔跨比選

影響本橋孔跨布置的主要控制因素如下。

(1)橋梁大里程側(cè)與主橋(245+565+245) m雙塔雙索面斜拉橋相接，13號過渡墩位置已確定。

(2)14號主墩大里程側(cè)為一涵洞出口，該處路基填土高約7 m，為減少橋墩基礎(chǔ)施工時(shí)及成橋后對既有涵洞的結(jié)構(gòu)及功能產(chǎn)生影響，14號主墩承臺切角后距涵洞八字翼墻端墻需滿足不小于2.5 m的凈距。

(3)15號墩位于侯西鐵路路基坡腳以外，此處路基填方小于1 m，為保證橋墩及基礎(chǔ)施工不對既有線產(chǎn)生影響，15號墩承臺切角后，承臺邊緣距鐵路建筑限界凈距不小于6 m。

(4)連續(xù)梁梁底需高于接觸網(wǎng)頂面，同時(shí)滿足鐵路建筑限界及絕緣距離要求，橋梁凈空需大于9.5 m[5]，梁高受限，進(jìn)而影響主跨跨度。

綜合考慮以上控制因素，本橋孔跨最終采用(50+85+50) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。橋型布置見圖2。

3 主梁梁部設(shè)計(jì)

3.1 主梁構(gòu)造

橋面全寬27.0 m，按兩幅橋設(shè)計(jì)，每幅橋梁部采用單箱單室、變高度、直腹板、箱形截面[6-7]；支點(diǎn)梁高5.3 m，跨中及邊墩墩頂現(xiàn)澆段梁高2.5 m，梁底曲線為二次拋物線，邊支座中心線至梁端0.8 m。箱梁頂寬13.49 m，箱梁底寬7.49 m，懸臂長1.5 m；腹板厚40～115 cm；底板厚30～120 cm；頂板厚35 cm；頂板設(shè)150 cm×30 cm的倒角，底板設(shè)60 cm×30 cm的倒角，梁部斷面見圖3。

圖2 主橋立面布置(單位：cm)

圖3 梁部斷面(單位：cm)

為了保證合龍段位于鐵路建筑限界以外，且最大懸灌段長度受鐵路信號塔控制，本橋轉(zhuǎn)體時(shí)轉(zhuǎn)體T構(gòu)為縱、橫不對稱結(jié)構(gòu)，其中A幅橋小里程側(cè)為(47.9+53.5) m轉(zhuǎn)體T構(gòu)[8]，A幅橋大里程側(cè)為(28.5+33.9) m轉(zhuǎn)體T構(gòu)；B幅橋小里程側(cè)為(47.9+42.5) m轉(zhuǎn)體T構(gòu)，B幅橋大里程側(cè)為(39.5+32.9) m轉(zhuǎn)體T構(gòu)。同時(shí)，為避免轉(zhuǎn)體過程中兩幅梁體產(chǎn)生相互干擾，中跨合龍段長度按3 m設(shè)計(jì)，均位于梁體變截面位置，以避開鐵路建筑限界。主梁平面布置見圖4。

圖4 主梁平面布置(單位：cm)

箱梁采用三向全預(yù)應(yīng)力體系?？v向預(yù)應(yīng)力采用15φs15.2 mm～23φs15.2 mm高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，雙端張拉，管道形成采用鍍鋅金屬波紋管成孔；橫向預(yù)應(yīng)力采用3φs15.2 mm及5φs15.2 mm鋼絞線，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa，采用扁金屬波紋管成孔；豎向預(yù)應(yīng)力采用φ32 mm精軋螺紋鋼筋，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=628 MPa，配用JLM-32精軋螺紋錨，鐵皮管成孔，采用二次擰緊措施，以保證預(yù)應(yīng)力效果。

3.2 計(jì)算參數(shù)及荷載

(1)主梁自重：采用C55混凝土，容重26.5 kN/m3。

(2)恒載：包括結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)備自重、預(yù)加力、混凝土收縮徐變影響力、基礎(chǔ)變位影響力等；其中橋面附屬設(shè)施二期恒載集度為80 kN/m。

(3)活載：每幅橋按3車道公路一級活載，活載多車道折減系數(shù)0.78，汽車荷載沖擊系數(shù)1.1。

(4)溫度力：橋梁合龍溫度按10～15 ℃考慮，結(jié)構(gòu)整體升溫按20 ℃考慮，降溫按25 ℃，混凝土線膨脹系數(shù)為1×10-5，日照溫差按頂板升溫15.2 ℃計(jì)算。以上溫度模式按實(shí)際最不利情況合計(jì)。

(5)基礎(chǔ)不均勻沉降：本橋樁底置于卵石土層中，相鄰兩橋墩基礎(chǔ)不均勻沉降值取1 cm。

(6)預(yù)應(yīng)力鋼筋：本橋?yàn)楣窐?，縱、橫向鋼束管道摩阻系數(shù)μ=0.23，管道偏差系數(shù)k=0.001 5，張拉端錨具回縮6 mm，松弛損失、收縮徐變及其他各項(xiàng)損失均按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62—2004)計(jì)算。錨下控制應(yīng)力取1 395 MPa。

(7)施工臨時(shí)荷載：每套掛籃(含施工機(jī)具、人員等)按800 kN計(jì)算。

3.3 靜力計(jì)算結(jié)果

梁部計(jì)算采用西南交大編制的《橋梁結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)》(BSAS)程序?qū)ο淞哼M(jìn)行各施工階段和運(yùn)營階段的縱向平面靜力分析計(jì)算。主要對各截面強(qiáng)度、抗裂性、應(yīng)力、變形、自振特性等內(nèi)容進(jìn)行檢算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在荷載短期效應(yīng)組合作用下并考慮荷載長期效應(yīng)的影響，梁體豎向撓度為7.8 cm，滿足規(guī)范不大于L/600的要求(L為計(jì)算跨度)；箱梁主要計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，主要計(jì)算結(jié)果見表2～表7。

表2 短期效應(yīng)組合下正截面抗裂驗(yàn)算 MPa

表3 短期效應(yīng)組合下斜截面抗裂驗(yàn)算 MPa

表4 長期效應(yīng)組合下最小正應(yīng)力驗(yàn)算 MPa

表5 效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值組合下最大正應(yīng)力驗(yàn)算 MPa

表6 效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值組合下最大主應(yīng)力驗(yàn)算 MPa

表7 效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值組合下鋼束最大應(yīng)力比驗(yàn)算

4 轉(zhuǎn)體設(shè)計(jì)

4.1 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)

本橋采用轉(zhuǎn)體施工，梁部按兩幅橋設(shè)計(jì)，橋墩采用矩形橋墩，基礎(chǔ)采用承臺樁基礎(chǔ)，橋墩及承臺基礎(chǔ)不分開，整體旋轉(zhuǎn)52°[9-10]。承臺總厚度為6.5 m，其中上承臺厚2.5 m，下承臺厚3 m，中間后封混凝土厚度為1.0 m。轉(zhuǎn)體系統(tǒng)如圖5、圖6所示。

圖5 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)立面(單位：cm)

圖6 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)平面(單位：cm)

4.2 球鉸

轉(zhuǎn)體球鉸采用RPC球鉸，由于轉(zhuǎn)體時(shí)結(jié)構(gòu)自重較大，14號墩上承臺底重力達(dá)110 MN，15號墩上承臺底重力達(dá)85 MN，另考慮風(fēng)荷載及施工誤差等因素影響，故球鉸噸位應(yīng)有一定的安全儲備。因此，14號墩最終采用噸位為130 MN的RPC球鉸；15號墩最終采用噸位為100 MN的RPC球鉸[11]。

4.3 撐腳及助推反力支座

為了增強(qiáng)轉(zhuǎn)體過程中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生較大傾斜，保證轉(zhuǎn)體安全，在下轉(zhuǎn)盤上表面沿滑道兩側(cè)各設(shè)置了8個(gè)助推反力支座，助推反力支座沿圓周方向夾角為24°，徑向厚度為10 cm；同時(shí)在上轉(zhuǎn)盤下表面沿圓周均勻設(shè)置了8個(gè)雙φ63 cm RPC撐腳。撐腳內(nèi)澆筑C120級活性粉末混凝土。為減小撐腳與環(huán)形滑道的摩擦，撐腳底面焊接20 mm厚的不銹鋼板。

4.4 滑道

為了減小撐腳與下轉(zhuǎn)盤的接觸摩擦，撐腳支承面置于同一水平面內(nèi)，從而使轉(zhuǎn)體發(fā)生輕微傾斜時(shí)，仍能平穩(wěn)運(yùn)行[12]。在下轉(zhuǎn)盤頂面設(shè)置外徑4.9 m，寬1.1 m的環(huán)形滑道，滑道由表層5 mm厚的四氟滑板及下層3 mm厚的不銹鋼板組成，滑道鋼板鑲嵌于磨光的環(huán)形滑道槽內(nèi)?；啦墼诨炷两K凝前應(yīng)反復(fù)打磨，磨光平整度及高程誤差控制在1.0 mm以內(nèi)。

4.5 縱橫向配重

由于A、B幅箱梁T構(gòu)均為不對稱結(jié)構(gòu)，且球鉸未設(shè)置縱橫向偏心，為防止不平衡重力對球鉸產(chǎn)生影響，懸臂梁段施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行縱向平衡配重；同時(shí)，同一橋墩上A、B幅梁部T構(gòu)懸臂長度亦不對稱，因此，轉(zhuǎn)體前，還需進(jìn)行橫向平衡配重，以保證轉(zhuǎn)體時(shí)縱橫向平衡。另外，由于球鉸四周設(shè)有撐腳，故不再需要臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)。

5 移動防護(hù)吊架設(shè)計(jì)

為最大限度地減少中跨合龍段施工對既有鐵路運(yùn)營的影響，中跨合龍段施工時(shí)采用移動防護(hù)吊架進(jìn)行防護(hù)[13-15]，移動防護(hù)吊架主要構(gòu)造見圖7。

圖7 移動防護(hù)吊架構(gòu)造(單位：mm)

合龍段主要施工步驟為：結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)前，先將移動防護(hù)吊架安裝于鐵路建筑限界以外，結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到位后，將防護(hù)吊架沿縱向行走軌道滑動至B幅橋跨中合龍段位置，施工B幅橋跨中合龍段；B幅橋跨中合龍段施工完成后，防護(hù)吊架沿縱向行走軌道滑動至A幅橋跨中合龍段位置，施工A幅橋跨中合龍段；A幅橋跨中合龍段施工完成后，防護(hù)吊架沿縱向行走軌道退回至鐵路建筑限界以外。

6 結(jié)語

(1)由于本橋橋式方案、孔跨布置受控因素較多，最終采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，滿足橋梁使用功能；采用轉(zhuǎn)體施工方法，施工速度快，對既有線影響小。

(2)本橋?yàn)殡p幅橋在同一墩上轉(zhuǎn)體，轉(zhuǎn)體噸位大，球鉸采用大噸位RPC球鉸，并通過調(diào)整每幅橋中跨合龍段位置，采用縱橫不對稱轉(zhuǎn)體T構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)體，使每幅橋中跨合龍段置于鐵路建筑限界以外，減少橋梁施工過程對既有線運(yùn)營的干擾。

(3)本橋中跨合龍段施工時(shí)，設(shè)計(jì)采用移動防護(hù)吊架對既有線進(jìn)行防護(hù)，最大限度地減少了中跨合龍段施工對既有線運(yùn)營的影響。