2×75 轉(zhuǎn)體橋上跨國鐵鐵路T 構(gòu)設(shè)計(jì)

吳珍瑞 WU Zhen-rui

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

1 工程概述

某新建項(xiàng)目全長為106.7 公里，全線設(shè)計(jì)速度120km/h，雙向四車道，路基寬度為27m。該高速上跨鐵路立交橋位于直線段，交叉處鐵路里程為K115+417，與鐵路的交角為74.1°?？缭借F路立交橋采用（2×75）m 變截面預(yù)應(yīng)力混凝土T 型剛構(gòu)，轉(zhuǎn)體施工。

鐵路正線為單線電氣化鐵路，國鐵Ⅰ級(jí)，建筑限界為6.55m。鐵路軌頂至地面距離約4.3m，接觸網(wǎng)回流線距離軌面8.56m（高）。預(yù)留鐵路與鐵路的線間距約為7.2m，位于鐵路南側(cè)。

2 橋型方案研究

為避免對(duì)鐵路運(yùn)營產(chǎn)生影響及盡量減小鐵路既有設(shè)備安全隱患，主橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土T 構(gòu)一跨過線，轉(zhuǎn)體法施工。結(jié)合研究安全適用、經(jīng)濟(jì)合理的施工要求，最終確定采用（75+75）m 預(yù)應(yīng)力混凝土轉(zhuǎn)體T 構(gòu)，施工方法為整幅轉(zhuǎn)體法。

3 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)形式

主橋采用（2×75）m 預(yù)應(yīng)力混凝土T 構(gòu)，梁長150m，梁端距分孔線0.08m，支座中心距梁端0.7m。橋面寬度為30.75m，轉(zhuǎn)體T 構(gòu)整幅設(shè)計(jì)。

3.2 梁體構(gòu)造

主橋上部結(jié)構(gòu)為單箱四室斜腹板箱，中支點(diǎn)處梁高7.5m，邊支點(diǎn)處梁高3.2m，梁底邊緣線擬合為二次拋物線，端部直線長5.0m。橋面寬度為30.75m，兩側(cè)懸臂板各長3.0m，懸臂板根部厚度75cm，端部厚度20cm；箱梁頂板厚30cm，中墩頂增至60cm；底板厚度為30～160cm，腹板厚85～60～100～120cm；中支點(diǎn)處對(duì)應(yīng)墩身設(shè)置兩道橫隔板，板厚1m，邊支點(diǎn)處端橫梁厚2m。梁體頂板傾斜形成橋面2%橫坡，底板為水平。

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0#（0'#）節(jié)段長6m，后依次澆筑1#（1'#）節(jié)段15m、2#（2'#）節(jié)段20m、3#（3'#）節(jié)段29m，主梁轉(zhuǎn)體就位后澆筑梁端4#（4'#）后澆節(jié)段5m。主橋上部結(jié)構(gòu)按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，主橋轉(zhuǎn)體部分預(yù)應(yīng)力采用兩端張拉并進(jìn)行雙控，邊墩現(xiàn)澆段頂板束和底板束預(yù)應(yīng)力采用單端張拉。

3.4 結(jié)構(gòu)分析

3.4.1計(jì)算參數(shù)

①主橋上部縱向按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，橫梁按A 類構(gòu)件設(shè)計(jì)，橋面板按B 類構(gòu)件設(shè)計(jì)。釆用Midas Civil 進(jìn)行施工和成橋運(yùn)營階段的計(jì)算分析

②設(shè)計(jì)參數(shù)

1）混凝土：重力密度γ=26kN/m3，彈性模量Ep=3.55×104MPa；預(yù)應(yīng)力鋼筋：彈性模量Ep=1.95×105MPa；2）預(yù)應(yīng)力鋼筋標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度：1860MPa；3）張拉控制應(yīng)力：1395MPa（（75+75）mT 構(gòu)縱向鋼束）；4）梯度溫度：梯度升溫取T1=14℃，T2=5.5℃；梯度降溫取T1=-7℃，T2=-2.75℃；5）系統(tǒng)溫度：整體升溫25℃，整體降溫-25℃；6）支座沉降：邊墩支座不均勻沉降-10mm，中墩支座不均勻沉降-15mm；7）縱向鋼束：μ=0.25，k=0.0015。

3.4.2計(jì)算原則

縱向平面計(jì)算：對(duì)施工及成橋階段的強(qiáng)度和應(yīng)力對(duì)照規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算。

箱梁橫向計(jì)算：縱橋方向取單位長度，橫橋向等效簡化為框架，支點(diǎn)在兩腹板下。

3.4.3結(jié)構(gòu)計(jì)算

主梁共劃分為40 個(gè)單元，根據(jù)施工方法，劃分現(xiàn)澆箱梁節(jié)段、張拉預(yù)應(yīng)力鋼束、轉(zhuǎn)體施工、澆筑邊跨、施工橋面附屬設(shè)施及鋪裝、收縮徐變等14 個(gè)施工階段[4]～[5]。

圖1 計(jì)算幾何模型

3.4.4箱梁整體縱向驗(yàn)算

3.4.4.1 持久狀況承載能力極限狀態(tài)

①正截面抗彎驗(yàn)算。

按照《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 3362-2018）（以下簡稱《公橋規(guī)》）第5.1.2 條規(guī)定的正截面抗彎承載力進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。

由圖2 可知，根據(jù)《公橋規(guī)》第5.1.2-1 條γ0S≤R 驗(yàn)算，滿足規(guī)范要求。

圖2 主梁持久狀況正截面抗彎驗(yàn)算包絡(luò)圖

②斜截面抗剪驗(yàn)算。

根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，按《橋規(guī)》第5.2.8～5.2.9 條驗(yàn)證斜截面抗剪承載力滿足規(guī)范要求。

③抗扭驗(yàn)算。

根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，按照《橋規(guī)》第5.5.3 條進(jìn)行截面扭矩及剪力驗(yàn)算，滿足規(guī)范要求。

④支反力計(jì)算。

1）轉(zhuǎn)體階段主墩底反力計(jì)算及轉(zhuǎn)體支座規(guī)格檢查。

主橋轉(zhuǎn)體系統(tǒng)最大反力為D 節(jié)段澆筑后，轉(zhuǎn)體過程中支座反力為：209.9MN，轉(zhuǎn)體支座選型為250MN 級(jí)，安全富余19.1%。

2）邊支座反力計(jì)算及支座規(guī)格檢查。

本橋邊支座選型為QZ-6.0 型，計(jì)算值5777.7kN。

3.4.4.2 持久狀況正常使用極限狀態(tài)

①斜截面抗裂驗(yàn)算。

由圖3 可知，σtp=0.872MPa（拉應(yīng)力）≤0.4ftk=1.096MPa（拉應(yīng)力），滿足《公橋規(guī)》第6.3.1 條要求。

圖3 使用階段腹板斜截面抗裂驗(yàn)算包絡(luò)圖

②撓度驗(yàn)算。

按《公橋規(guī)》第6.5.3 條規(guī)定，梁式橋主梁跨徑內(nèi)節(jié)點(diǎn)在汽車荷載（不計(jì)沖擊系數(shù)）和人群荷載頻遇組合下的最大撓度不應(yīng)超過計(jì)算跨徑的1/600，梁式橋主梁懸臂端產(chǎn)生的最大撓度不應(yīng)超過懸臂長度的1/300。

結(jié)論：頻遇組合下，6 號(hào)節(jié)點(diǎn)最大撓度設(shè)計(jì)值fd=39.03mm≤最大撓度允許值fn=140.283mm，滿足規(guī)范要求；31 號(hào)節(jié)點(diǎn)fd=38.75mm≤fn=140.283mm，滿足規(guī)范要求。

3.4.4.3 持久狀況構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算

①混凝土法向應(yīng)力。

按《公橋規(guī)》第7.1.5-1 條公式σkc+σpc≤0.5fck驗(yàn)算，荷載取其標(biāo)準(zhǔn)值，汽車荷載考慮沖擊系數(shù)。結(jié)論：頂緣σkc+σpc=12.762MPa ≤0.5fck=17.750MPa，底 緣 σkc+σpc=10.637MPa≤0.5fck=17.750MPa，均滿足規(guī)范要求。

②混凝土主應(yīng)力。

按《公橋規(guī)》第7.1.6 條公式，混凝土的主壓應(yīng)力應(yīng)符合滿足σcp≤0.6fck；由圖4 可得：σcp=12.762MPa≤0.60fck=21.300MPa，滿足規(guī)范要求。

圖4 使用階段斜截面主壓應(yīng)力包絡(luò)圖

③預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力。

按《公橋規(guī)》第7.1.5-2 條驗(yàn)算受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋的最大拉應(yīng)力，對(duì)于體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼絞線、鋼絲（允許開裂構(gòu)件）：σpo+σp≤0.65fpk，荷載取其標(biāo)準(zhǔn)值，汽車荷載考慮沖擊系數(shù)。鋼絞線1860：σpo+σp=1175.038MPa ≤0.65fpk=1209.000MPa，σpo+σp=1148.942MPa≤0.65fpk=1209.000MPa，σpo+σp=1208.729MPa≤0.65fpk=1209.000MPa，滿足規(guī)范要求。

3.4.4.4 短暫狀況構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算

最大應(yīng)力驗(yàn)算：

按《公橋規(guī)》第7.2.8 條，截面邊緣混凝土的法向應(yīng)力應(yīng)符合規(guī)定：σtcc≤0.7fck’，結(jié)論：頂緣σtcc=16.407MPa≤0.7fck’=20.328MPa，滿足規(guī)范要求；底緣σtcc=6.977MPa≤0.7fck’=20.328MPa，滿足規(guī)范要求。

4 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 墩身及基礎(chǔ)

2# 中墩為墩梁固結(jié)，箱形截面，墩身結(jié)構(gòu)尺寸為600cm×1500cm，墩壁厚度100cm，中隔墻厚度100cm。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2.1m。下承臺(tái)沿橋方向長25.5m，垂直橋方向長25.5m，高5.0m。樁基為36-Φ1.8m 的鉆孔灌注樁。1#墩及3#墩均為T 構(gòu)與引橋的交接墩，墩型采用柱式墩，柱尺寸橫橋向2.5m，縱橋向1.8m。樁基采用8 根直徑Φ1.8m 的鉆孔樁，按摩擦樁設(shè)計(jì)。一個(gè)主墩承臺(tái)兩側(cè)各布置一個(gè)反力座，反力座承臺(tái)長寬尺寸為2m×2m，厚度為5m，C55 混凝土澆筑。

4.2 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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[6]～[11]。轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)總圖如圖5 所示。

圖5 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)總圖

4.2.1轉(zhuǎn)體下轉(zhuǎn)盤

下轉(zhuǎn)盤支承全部重量，平面結(jié)構(gòu)尺寸為25.5m×25.5m，高5.0m。轉(zhuǎn)體施工完成后采用C55 微膨脹混凝土封鉸，與上轉(zhuǎn)盤形成整體基礎(chǔ)。

4.2.2球鉸

轉(zhuǎn)體球鉸由上球缺、下球缺、圓柱形聚四氟乙烯滑塊、定位中心轉(zhuǎn)軸四部分組成。該球鉸直徑為5.05m，中心轉(zhuǎn)盤球面半徑為6.1m。

4.2.3轉(zhuǎn)體上轉(zhuǎn)盤

上轉(zhuǎn)盤是轉(zhuǎn)體的重要結(jié)構(gòu)，邊長1800cm，高200cm；轉(zhuǎn)臺(tái)直徑?1422cm，高度90cm。轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)預(yù)埋轉(zhuǎn)體牽引索，錨固端應(yīng)埋入轉(zhuǎn)盤600cm 以上。上盤結(jié)構(gòu)有8 個(gè)三圓柱形撐腳，下設(shè)30mm 厚鋼板。三圓柱撐腳為三個(gè)?900mm×25mm 的鋼管，采用C55 混凝土灌注撐腳鋼管。

4.2.4轉(zhuǎn)體牽引系統(tǒng)

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)、張拉控制系統(tǒng)、鋼絞線、張拉千斤頂及多臺(tái)輔助千斤頂?shù)冉M成，張拉千斤頂使用27-φs15.2 鋼絞線纏繞拖拽施加牽引反力，使得轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。

4.2.5轉(zhuǎn)體牽引力計(jì)算

球鉸轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩：

式中：R—球鉸半徑，R=2.525m；W—轉(zhuǎn)體重量，W＝210000kN；μ—球鉸摩擦系數(shù)，μ靜＝0.1，μ動(dòng)＝0.06。

計(jì)算最大牽引力：

式中：D—轉(zhuǎn)臺(tái)直徑，D＝14.22m。

計(jì)算結(jié)果：啟動(dòng)時(shí)所需最大牽引力T1=2/3×（R·W·μ靜）/D=2486.0kN；轉(zhuǎn)動(dòng)過程中所需牽引力T2=2/3×（R·W·μ動(dòng)）/D=1491.6kN；千斤頂牽引力F=10000kN，千斤頂儲(chǔ)備系數(shù)η=0.85；啟動(dòng)時(shí)動(dòng)力儲(chǔ)備系數(shù)：K1=Fη/T1=10000×0.85/2486=3.4；轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)動(dòng)力儲(chǔ)備系數(shù)：K2=Fη/T2=10000×0.85/1491.6=5.7，啟動(dòng)力安全系數(shù)K1，K2要求≥1.5，滿足要求。

4.2.6轉(zhuǎn)體施工技術(shù)參數(shù)

主橋在鐵路南側(cè)現(xiàn)澆至（75+75）m 最大懸臂T 構(gòu)后，使用千斤頂稱重梁體測試轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而確定轉(zhuǎn)體平衡配重。轉(zhuǎn)體動(dòng)力由兩套ZLD1000 型液壓、同步、自動(dòng)連續(xù)牽引系統(tǒng)（牽引系統(tǒng)由連續(xù)千斤頂、液壓泵站及主控臺(tái)組成）構(gòu)成，轉(zhuǎn)體重量約210000kN。轉(zhuǎn)體過程以0.02rad/min 的角速度順時(shí)針轉(zhuǎn)體74.1rad，轉(zhuǎn)體時(shí)間約66min，預(yù)留5m 后澆段，待轉(zhuǎn)體就位后搭設(shè)支架現(xiàn)澆。轉(zhuǎn)體施工參數(shù)如表1。

表1 轉(zhuǎn)體施工技術(shù)參數(shù)

5 結(jié)語

上跨鐵路立交橋設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮工程現(xiàn)場地質(zhì)、施工等各方面條件，結(jié)合考慮施工影響程度、安全、經(jīng)濟(jì)等因素，選擇安全合理的橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)及施工方法。設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)形式既要使其滿足安全性能，也應(yīng)考慮滿足鐵路既有設(shè)備安全、鐵路建筑限界、路基邊坡穩(wěn)定的要求，同時(shí)優(yōu)化施工工藝及流程，盡量降低營業(yè)線施工線路封鎖及上跨橋施工對(duì)鐵路運(yùn)營及安全的影響，憑借以上一系列優(yōu)勢，轉(zhuǎn)體施工技術(shù)越來越多的應(yīng)用于上跨橋的建設(shè)中。

轉(zhuǎn)體T 構(gòu)橋施工簡單、工藝成熟，跨越能力強(qiáng)，具有對(duì)既有線運(yùn)營影響小的優(yōu)點(diǎn)，在中等跨度跨線橋橋型方案中，具有明顯的優(yōu)勢。本文結(jié)合某高速上跨鐵路立交橋，介紹了轉(zhuǎn)體橋上、下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是轉(zhuǎn)體橋關(guān)鍵部為轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)，對(duì)今后同類型的橋梁設(shè)計(jì)工作提供有益的參考。