小曲線大跨度斜拉T 構(gòu)轉(zhuǎn)體橋橫向穩(wěn)定性研究

郝勇

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300251）

1 引言

隨著我國鐵路事業(yè)的快速發(fā)展，路網(wǎng)規(guī)?？焖贁U大，出現(xiàn)了大量新建線路與既有線鄰近的情況，跨既有鐵路線橋梁工程數(shù)量日益增多[1]。為了減弱橋梁施工對既有線路的影響，同時保證線路交叉的安全性和經(jīng)濟適用性，轉(zhuǎn)體橋梁的施工技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用[2]。

但是，跨越繁忙干線橋梁的設(shè)計也存在一定的不足，從應(yīng)用范圍而言，目前實施的轉(zhuǎn)體橋梁大都應(yīng)用于直線和大半徑彎梁橋，由于小半徑連續(xù)彎梁面外存在較大的橫向不平衡彎矩，在小半徑彎梁中的應(yīng)用還受到一定的限制[3]。

因此，本文擬針對小曲線大跨度彎梁轉(zhuǎn)體橋進行設(shè)計思路探索和施工過程分析，力求在設(shè)計階段消除其橫向不平衡彎矩帶來的技術(shù)風險，以期為同類型橋梁設(shè)計提供借鑒。

2 工程概況

本橋為某高速鐵路跨越既有高速鐵路而設(shè)，橋跨布置為100 m+100 m 預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉加勁T 形剛構(gòu)，橋上為單線鐵路，橋面寬度11.7 m，主梁采用懸臂澆筑后轉(zhuǎn)體就位的施工方法，轉(zhuǎn)體總質(zhì)量18 000 t。本橋采用有砟軌道，設(shè)計速度目標值為80 km/h，平面曲線半徑為600 m。本橋立面布置如圖1所示。利用有限元分析軟件Midas Civil 建立結(jié)構(gòu)模型。模型如圖2 所示。

圖1 橋梁立面布置圖

圖2 Midas Civil 有限元模型圖

3 預(yù)偏心設(shè)計

本橋設(shè)置結(jié)構(gòu)預(yù)偏心法進行橫向偏心消除。首先進行預(yù)偏心設(shè)計方案的比選。方案一為塔墩-上轉(zhuǎn)盤偏心方案（偏心距e1），如圖3 所示。此方案是將塔墩及梁部整體向曲線外側(cè)偏移，與結(jié)構(gòu)下部的上轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生橫向偏心。方案二為單獨采用梁部-塔墩偏心方案（偏心距e2），如圖4 所示。此方案是將梁部向曲線外側(cè)偏移，與塔墩和上轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生橫向偏心。

圖3 塔墩-上轉(zhuǎn)盤偏心方案

圖4 梁部-塔墩偏心方案

計算得出偏心設(shè)置結(jié)果如表1 所示。

表1 兩種方法設(shè)置預(yù)偏心距對比表

通過計算可得，方案一需在塔墩和上轉(zhuǎn)盤間設(shè)置140 cm的反向預(yù)偏心距，方案二需在梁部和塔墩間設(shè)置153 cm 的反向預(yù)偏心距，偏心距均過大，影響結(jié)構(gòu)的美觀性，同時有一定的技術(shù)風險。因此本橋采用方案三，即同時設(shè)置梁部-塔墩-上轉(zhuǎn)盤復(fù)合偏心，以盡量規(guī)避單獨采用方案一和方案二的不利因素。計算結(jié)果如表2 所示。

表2 復(fù)合偏心法設(shè)置預(yù)偏心距

基于方案三，在Midas Civil 軟件中建立有限元模型，提取部分控制施工階段的墩底彎矩，并轉(zhuǎn)換到結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動中心進行計算。計算結(jié)果如表3 所示。

表3 施工過程結(jié)構(gòu)橫向偏心距

由計算結(jié)果可知，隨著懸澆梁體的逐段施工，結(jié)構(gòu)逐漸產(chǎn)生向曲線內(nèi)側(cè)的橫向偏心距，并逐步抵消了設(shè)置于曲線外側(cè)的預(yù)設(shè)偏心距，使得整體結(jié)構(gòu)相對于轉(zhuǎn)體中心的橫向偏心逐漸減小并趨近于0。上述結(jié)果表明本橋的偏心設(shè)計結(jié)果合理。

4 施工階段穩(wěn)定性分析

在懸澆過程中，通常由球鉸摩阻力和臨時支撐砂箱來抵抗風力和結(jié)構(gòu)不平衡彎矩，并通過在滑道間打入鋼楔，限制結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動，抵抗可能發(fā)生的不平衡風力引起的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)。

當懸澆完成，梁部重量達到設(shè)計值，理論上消除了設(shè)計橫向預(yù)偏心，結(jié)構(gòu)相對于轉(zhuǎn)動重心達到平衡。此時將砂箱拆除，拔出鋼楔，結(jié)構(gòu)發(fā)生體系轉(zhuǎn)換。該階段通常由球鉸摩阻力和撐腳的支撐來抵抗風力和稱重試驗誤差（一般試驗結(jié)果偏差為5～15 cm）產(chǎn)生的不平衡彎矩[4]。

當轉(zhuǎn)體完成，上下轉(zhuǎn)盤封固，結(jié)構(gòu)再次發(fā)生體系轉(zhuǎn)換。通常由塔墩、樁基礎(chǔ)承臺等共同承受風力和稱重試驗誤差產(chǎn)生的不平衡彎矩。

根據(jù)式（1）計算不同施工階段轉(zhuǎn)體橋梁橫向傾覆穩(wěn)定系數(shù)，即：

式中，K0為結(jié)構(gòu)橫向傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；R為球鉸球缺半徑，m；Ny為相對于球鉸中心的豎向力總和，kN；Mxf為相對于球鉸中心的橫風彎矩，kN?m；Mxj為相對于球鉸中心的橫向結(jié)構(gòu)彎矩，kN?m。

計算結(jié)果如表4 所示。

表4 施工過程結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定計算表

由計算結(jié)果可知，隨著懸澆施工的不斷進行，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的橫向偏心距逐步抵消了預(yù)設(shè)偏心距，結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性趨于安全。橫向傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

1）針對大跨度小曲線半徑轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，特別是當橋梁位于站區(qū)，上跨既有線較多，宜采用設(shè)置預(yù)偏心距的偏心消除方法；調(diào)整施工順序法不宜使用。

2）針對大跨度小曲線半徑轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，單一的塔墩-上轉(zhuǎn)盤預(yù)偏心設(shè)置方案或梁部-塔墩預(yù)偏心設(shè)置方案均需設(shè)置較大的結(jié)構(gòu)預(yù)偏心距，影響結(jié)構(gòu)美觀性，并存在一定的技術(shù)風險。梁部-塔墩-上轉(zhuǎn)盤復(fù)合設(shè)置方案可以有效減小相鄰結(jié)構(gòu)的偏心距，克服單一預(yù)偏心距設(shè)置方案的局限性。

3）通過對橋梁轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)進行傾覆穩(wěn)定性分析，本文詳細論證了在不同施工階段轉(zhuǎn)體橋梁的受力特點，說明了結(jié)構(gòu)傾覆穩(wěn)定的計算方法，闡述了不同施工階段結(jié)構(gòu)橫向傾覆穩(wěn)定的變化趨勢，為同類型工程提供借鑒。