新寧高速公路上跨京滬鐵路(64+64)m轉(zhuǎn)體T構(gòu)橋設(shè)計(jì)

趙大勇

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070)

跨線橋梁常用的施工方法有頂推法、懸臂澆筑、預(yù)制拼裝、水平轉(zhuǎn)體等。水平轉(zhuǎn)體施工法能較好地克服高山峽谷、水深流急等困難，尤其在修建跨越運(yùn)輸繁忙的城市道路和鐵路線的立交橋時(shí)，其優(yōu)勢(shì)更加明顯。在國(guó)內(nèi)，跨線橋的轉(zhuǎn)體法施工已有較多應(yīng)用；寧衛(wèi)強(qiáng)[1]等結(jié)合興郭路上跨蘇嘉杭高速公路工程，對(duì)跨徑布置為(55+85+55) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁轉(zhuǎn)體橋的設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)進(jìn)行了介紹；李青山[2]以中寧縣石堿公路上跨包蘭鐵路工程為背景，對(duì)(2×55) m平面轉(zhuǎn)體預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)橋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了說(shuō)明；王樹旺[3]對(duì)宿淮鐵路跨京滬鐵路(2×56) m轉(zhuǎn)體T型剛構(gòu)橋轉(zhuǎn)體的應(yīng)力、偏心、下轉(zhuǎn)盤、球鉸和上轉(zhuǎn)盤的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，初步總結(jié)了轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算項(xiàng)目與方法。以往對(duì)轉(zhuǎn)體橋的研究取得了一定的成果，但是缺少對(duì)轉(zhuǎn)體橋設(shè)計(jì)及施工要點(diǎn)的系統(tǒng)性總結(jié)，特別是對(duì)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的研究較少。

以新寧高速公路上跨京滬鐵路立交橋(64+64) m預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)體T構(gòu)橋?yàn)槔敿?xì)介紹轉(zhuǎn)體橋上、下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算要點(diǎn)，特別是轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，總結(jié)了轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算項(xiàng)目和檢算方法，以期為同類型的橋梁設(shè)計(jì)工作提供參考。

1 工程概述

新寧高速是山東省“九縱五橫一環(huán)七連”高速公路網(wǎng)中“橫四線”的一部分，道路全長(zhǎng)59.8 km(全部為新建)，全線設(shè)計(jì)速度為120 km/h，雙向四車道，路基寬度為27 m。擬建上跨橋在山東省泰安市寧陽(yáng)縣興隆村與京滬鐵路交叉，交叉處對(duì)應(yīng)的鐵路里程為京滬鐵路下行線K599+644，線路中心線與鐵路中心線交角為64.5°。

擬建上跨橋位于京滬鐵路南驛-歇馬亭站區(qū)間，為電氣化區(qū)段，共二股線路，線間距12 m，由東向西依次為京滬鐵路下行線、京滬鐵路上行線。上跨處鐵路位于半徑為1 000 m的圓曲線上，路基結(jié)構(gòu)為土質(zhì)路基。軌面高程：上行線為127.81 m、下行線為127.95 m。鐵路兩側(cè)有電氣化立柱，地下有電纜、光纜等設(shè)備(見圖1)。

圖1 線路平面示意

2 橋型方案研究

京滬鐵路為國(guó)家干線鐵路，運(yùn)輸較繁忙，擬建上跨橋區(qū)段運(yùn)營(yíng)列車對(duì)數(shù)為130對(duì)，其中客車67對(duì)，貨車60對(duì)。為減小上跨橋施工對(duì)京滬鐵路既有設(shè)備及運(yùn)營(yíng)的影響，采用預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)一跨通過(guò)，轉(zhuǎn)體施工。根據(jù)跨越京滬鐵路的橋梁跨徑以及施工方法，在工可階段，對(duì)兩種橋型方案進(jìn)行比選：(64+64) m預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)體T構(gòu)(整幅轉(zhuǎn)體法施工)、(60+60) m預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)體T構(gòu)(分幅轉(zhuǎn)體法施工)，綜合考慮安全適用、經(jīng)濟(jì)合理等要求，最終確定采用(64+64) m預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)體T構(gòu)、整幅轉(zhuǎn)體法施工方案。

3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)形式

(1)橋跨布置

主橋?yàn)?64+64) m預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)，梁長(zhǎng)127.84 m，梁端距分孔線0.08 m，支座中心距梁端0.7 m(見圖2、圖3)。

圖2 主橋立面布置(單位：cm)

圖3 主橋平面布置(單位：cm)

(2)橋面寬度

在引橋標(biāo)準(zhǔn)斷面的基礎(chǔ)上兩側(cè)各加寬2.1 m，即橋面寬度為30.7 m(見圖4)，斷面布置為：0.5 m(SS級(jí)防撞護(hù)欄)+1.5 m(緩沖帶)+0.6 m(SX級(jí)防撞護(hù)欄)+11.75 m(車行道)+0.5 m(SS防撞護(hù)欄)+1.0 m(中分帶)+0.5 m(SS級(jí)防撞護(hù)欄)+11.75 m(車行道)+0.6 m(SX級(jí)防撞護(hù)欄)+1.5 m(緩沖帶)+0.5 m(SS防撞護(hù)欄)=30.7 m。

圖4 橋面布置(單位：cm)

3.2 梁體構(gòu)造

主橋上部結(jié)構(gòu)為大懸臂單箱三室等斜率斜腹板箱形截面，道路中心線處中支點(diǎn)梁高6.0 m，邊支點(diǎn)梁高2.8 m，梁底曲線按二次拋物線變化，端部直線段長(zhǎng)6.92 m。整幅橋面寬30.7 m，底板寬21.688～20.089 m；兩端懸臂板長(zhǎng)度均為4 m，端部厚20 cm，根部厚55 cm；箱梁頂板厚30 cm，中墩頂增至55 cm；底板厚度為30～110 cm，腹板厚60～80～100 cm；中支點(diǎn)處墩梁固結(jié)，對(duì)應(yīng)墩身處設(shè)置兩道橫隔板，板厚為100 cm，邊支點(diǎn)處端橫梁厚150 cm；梁體頂板傾斜，形成2%的橫坡，底板呈水平(如圖5、圖6所示)。

圖5 邊支點(diǎn)截面(單位：cm)

3.3 梁體分段

主橋采用大節(jié)段現(xiàn)澆施工工藝，全梁共分7個(gè)梁段，中支點(diǎn)處1#(1′#)節(jié)段長(zhǎng)24 m，后依次澆筑2#(2′#)節(jié)段24 m、3#(3′#)節(jié)段24 m。主梁轉(zhuǎn)體就位后澆筑梁端4#(4′#) 3.92 m。

箱梁為縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系，縱向預(yù)應(yīng)力鋼束為19-φs15.2、15-φs15.2及12-φs15.2鋼絞線，15-19、15-15及12-15型群錨體系。預(yù)應(yīng)力鋼束的布置應(yīng)盡量靠近腹板；橫向預(yù)應(yīng)力鋼束為4-φs15.2，BM15-4型群錨體系，間距50 cm，單端交錯(cuò)張拉；豎向預(yù)應(yīng)力鋼束為JL785螺紋鋼筋，梁頂開槽張拉，間距50 cm，腹板兩側(cè)為梅花形布置。端橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束為12-φs15.2鋼絞線，M15-12錨具，兩端張拉；中橫梁處預(yù)應(yīng)力鋼束為15-φs15.2、3-φs15.2鋼絞線，M15-15、BM15-3和BM15-3P型錨具。其中，15-φs15.2鋼束采用兩端張拉，其他為單端交錯(cuò)張拉(見圖7)。

圖6 中支點(diǎn)截面(單位：cm)

圖7 主梁施工節(jié)段(單位：cm)

3.4 結(jié)構(gòu)分析

(1)計(jì)算參數(shù)

①恒載：一期恒載按結(jié)構(gòu)自重計(jì)入(含預(yù)應(yīng)力)；二期恒載按護(hù)欄82.1 kN/m，鋪裝荷載為10 cm(混凝土)+10 cm(瀝青混凝土)。

②汽車荷載：設(shè)計(jì)荷載為公路—Ⅰ級(jí)的1.3倍，腹板內(nèi)力不均勻系數(shù)取1.2，結(jié)構(gòu)豎彎基頻為2.14 Hz，汽車荷載沖擊系數(shù)為0.12。

③溫度荷載：結(jié)構(gòu)整體溫差按±30 ℃，梯度溫差按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)[4]取值。

④不均勻沉降：支座不均勻沉降取10 mm。

⑤收縮徐變：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—2018)[5]計(jì)算。

⑥風(fēng)荷載：成橋階段按100年一遇風(fēng)速計(jì)算，施工階段按20年一遇風(fēng)速計(jì)算。參考《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3360—01—2018)[6]中全國(guó)各氣象臺(tái)站基本風(fēng)速值表中本地區(qū)取值。

⑦制動(dòng)力：制動(dòng)力按單向行駛3車道計(jì)算。

⑧地震作用：抗震設(shè)防烈度為7度，橋梁抗震設(shè)防類別為A類，抗震措施按8度設(shè)防；基本地震加速度為0.10g。

⑨荷載組合：按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)中的有關(guān)要求進(jìn)行組合[4]。

(2) 計(jì)算原則

縱向平面計(jì)算：按施工步驟劃分施工階段，對(duì)結(jié)構(gòu)施工及成橋階段的強(qiáng)度和應(yīng)力進(jìn)行分析[7]。主梁按照全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

箱梁橫向計(jì)算：取縱橋向單位長(zhǎng)度箱梁并在橫向簡(jiǎn)化等效為框架，支點(diǎn)在兩腹板下，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—2018)[5]計(jì)算橋面板有效分布寬度，換算為單位長(zhǎng)度集中力作用于橫向框架上；溫度荷載按規(guī)范規(guī)定取值。

(3) 結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用橋博4.0有限元程序?qū)瘟哼M(jìn)行施工及成橋階段計(jì)算，并用Midas Civil進(jìn)行復(fù)核。根據(jù)施工方法，劃分為支架現(xiàn)澆箱梁節(jié)段、張拉相應(yīng)節(jié)段預(yù)應(yīng)力鋼束、稱重、配重、轉(zhuǎn)體施工、澆筑邊跨后澆段、張拉后澆段預(yù)應(yīng)力鋼束、施工橋面附屬設(shè)施及鋪裝、收縮徐變等12個(gè)施工階段。根據(jù)不同施工階段，激活相應(yīng)單元，施加該階段荷載并張拉預(yù)應(yīng)力鋼束(見圖8)[8]。

圖8 計(jì)算幾何模型

對(duì)各階段施工荷載、恒載、車道荷載、整體升降溫、溫度梯度、支座不均勻沉降等荷載效應(yīng)進(jìn)行組合，結(jié)果表明：極限狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)整體受力性能滿足規(guī)范要求；由極限狀態(tài)下箱梁正截面抗裂性驗(yàn)算結(jié)果可知，箱梁全截面受壓，滿足全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。

4 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 墩身及基礎(chǔ)

中墩為墩梁固結(jié)箱形截面，墩身縱橫向尺寸為11 m×6 m，墩壁厚1 m。主墩采用16根φ1.8 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，按嵌巖樁設(shè)計(jì)。承臺(tái)分上下兩層，上承臺(tái)兼做轉(zhuǎn)體支座的上轉(zhuǎn)盤，高3.9 m，下承臺(tái)順橋向尺寸為17.25 m，橫橋向尺寸為17.25 m，高3.0 m，上承臺(tái)(上轉(zhuǎn)盤)為三向預(yù)應(yīng)力體系，轉(zhuǎn)體施工完畢后，用C50微膨脹混凝土封閉轉(zhuǎn)體支座。交接墩為柱式墩，墩頂設(shè)L形帽梁。承臺(tái)為‘工’字形，樁基為8根φ1.8 m的鉆孔樁，按嵌巖樁設(shè)計(jì)。

4.2 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)橋位所處地理?xiàng)l件，經(jīng)對(duì)比分析，采用球鉸轉(zhuǎn)體施工。轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)由下轉(zhuǎn)盤、球鉸、上轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)體牽引系統(tǒng)等組成[9-14]。128 500 kN的轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重量通過(guò)上承臺(tái)傳遞給球鉸，再由球鉸傳遞給下轉(zhuǎn)盤。轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)立面、平面布置見圖9、圖10。

圖9 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)立面布置(單位：cm)

圖10 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平面布置(單位：cm)

(1)轉(zhuǎn)體下轉(zhuǎn)盤

下轉(zhuǎn)盤順橋向尺寸為17.25 m，橫橋向尺寸為17.25 m，高3.0 m，是支承全部重量的基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)體施工完成后，采用C50微膨脹混凝土封鉸，與上轉(zhuǎn)盤形成整體基礎(chǔ)。下轉(zhuǎn)盤上埋設(shè)有球鉸支座的下球鉸，直徑7.8 m、寬1.3 m的環(huán)形鋼板下滑道及沿滑道圓周對(duì)稱布置8組千斤頂反力座。千斤頂反力座是安全儲(chǔ)備措施，用于啟動(dòng)力不足或超轉(zhuǎn)時(shí)的矯正。

(2)球鉸

轉(zhuǎn)體球鉸由上球鉸、下球鉸、圓柱形聚四氟乙烯滑塊、定位中心轉(zhuǎn)軸四部分組成。球鉸直徑為4.0 m，中心轉(zhuǎn)盤球面半徑為7.992 m，上轉(zhuǎn)盤球缺高0.461 m，下轉(zhuǎn)盤球缺高0.254 m。中心轉(zhuǎn)軸直徑為27 cm。轉(zhuǎn)體球鉸上面板通過(guò)球缺和圓柱與上轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)臺(tái)連接；下面板通過(guò)定位型鋼骨架固定并嵌入下轉(zhuǎn)盤頂面；上球面板與下球面板之間鑲嵌1101塊聚四氟乙烯滑塊。

(3)轉(zhuǎn)體上轉(zhuǎn)盤

上轉(zhuǎn)盤平面縱向長(zhǎng)12 m，橫向?qū)?2 m，厚2.0 m，采用三向預(yù)應(yīng)力體系；轉(zhuǎn)臺(tái)直徑為8.9 m，高1.0 m，其上纏繞19-φs15.2 mm鋼絞線。轉(zhuǎn)體完畢后，上下轉(zhuǎn)盤間的轉(zhuǎn)臺(tái)及球鉸用C50微膨脹混凝土封閉。沿轉(zhuǎn)臺(tái)外側(cè)圓周均勻?qū)ΨQ布置8組撐腳，每組撐腳由2個(gè)φ800×24 mm、高1.8 m的鋼管組成，管內(nèi)灌注C55微膨脹混凝土，下設(shè)30 mm厚鋼板。

(4)轉(zhuǎn)體牽引系統(tǒng)

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)由張拉千斤頂、液壓系統(tǒng)、張拉控制系統(tǒng)、鋼絞線、多臺(tái)輔助千斤頂?shù)冉M成，張拉千斤頂通過(guò)牽引反力座拉拽纏繞于轉(zhuǎn)臺(tái)上的19-φs15.2 mm鋼絞線，使得轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。

(5)轉(zhuǎn)體牽引力計(jì)算

球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩

(1)

式中R——球鉸半徑/m，取2 m；

W——轉(zhuǎn)體重量/kN，取128 500 kN；

μ——球鉸摩擦系數(shù)，μ靜=0.1，μ動(dòng)=0.06。

計(jì)算最小牽引力

(2)

式中N——轉(zhuǎn)體時(shí)支撐腿最大支撐力/kN，取2 000 kN[15]；

D——轉(zhuǎn)臺(tái)直徑/m，取8.9 m；

R1——支撐腿半徑/m，取3.9 m。

計(jì)算結(jié)果

啟動(dòng)時(shí)：M靜=17 150 kN·m

轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)：M動(dòng)=10 280 kN·m

啟動(dòng)時(shí)所需要最大牽引力：T=2 015 kN

轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需要最大牽引力：T=1 210 kN

(6)轉(zhuǎn)體施工技術(shù)參數(shù)

在京滬鐵路東側(cè)現(xiàn)澆至(60+60) m最大懸臂T構(gòu)狀態(tài)后，用千斤頂對(duì)梁體進(jìn)行稱重，測(cè)試轉(zhuǎn)動(dòng)體的不平衡力矩、偏心矩、摩阻力矩及靜摩擦系數(shù)，確定橋梁轉(zhuǎn)體的平衡配重。以0.015 rad/min的角速度順時(shí)針轉(zhuǎn)體63.7°就位，轉(zhuǎn)體重量約128 500 kN，轉(zhuǎn)體時(shí)間為75 min，預(yù)留4 m后澆段，待轉(zhuǎn)體就位后搭設(shè)支架現(xiàn)澆。選用兩套QYD3500S-200型連續(xù)張拉千斤頂系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)體。轉(zhuǎn)體施工參數(shù)如下。轉(zhuǎn)體總需時(shí)間：75 min；轉(zhuǎn)體重力：128 500 kN；轉(zhuǎn)臺(tái)直徑：8.9 m；千斤頂動(dòng)力：3 500 kN；啟動(dòng)牽引力：2 015 kN；動(dòng)力儲(chǔ)備系數(shù)：3.47；牽引鋼鉸線數(shù)：19根；牽引力：4 945 kN；牽引索安全系數(shù)：2.46；梁端所過(guò)弧線長(zhǎng)：71.15 m；梁端線速度：94.9 cm/min；轉(zhuǎn)體角速度：0.85°/min；轉(zhuǎn)盤走過(guò)弧線長(zhǎng)：4.95 m；拉索速度：6.6 cm/min。

5 結(jié)束語(yǔ)

上跨鐵路立交橋設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合場(chǎng)地條件選擇合理的橋梁結(jié)構(gòu)類型及施工方法，除滿足受力性能外，還應(yīng)滿足鐵路建筑限界、線路既有設(shè)備安全、路基邊坡穩(wěn)定等要求。此外，還需考慮跨線橋施工對(duì)既有鐵路運(yùn)營(yíng)的影響。