鐵路連續梁橋轉體施工的創新與實踐

倪燕平

鐵路連續梁橋轉體施工的創新與實踐

倪燕平

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

結合集包第二雙線霸王河1號大橋小半徑連續彎梁轉體工程實踐,介紹一種新的合龍段施工方法,合龍段采用預埋與梁體外形相同的鋼殼,使后續的合龍段施工在封閉鋼殼內進行,最大限度地減小了對既有鐵路的影響;同時采用球鉸設橫向預偏心解決曲線梁偏載問題。

鐵路橋;彎橋轉體,合龍段;預偏心

近年來,隨著我國鐵路建設規模的不斷擴大,跨越繁忙的干線鐵路和公路的鐵路橋梁日益增多,如何盡量減小對既有繁忙干線的影響是設計、施工單位面臨的技術難題。

由于轉體施工速度快、對既有工程影響小,因此各設計單位結合自身工程特點對其工程應用進行了大量的探索[1]。近年來,轉體施工已應用于鄭西、哈大、滬杭、武咸城際等高鐵的橋梁建設實踐,結構形式涵蓋了連續梁[2]、剛構[3]、拱橋、斜拉橋等多種橋型,轉體最大重力也達到了168 000 kN[4]。但是,跨越繁忙干線橋梁的設計也存在一定的不足,首先從應用范圍而言,目前實施的轉體橋梁大都應用于直橋和大半徑彎梁橋,由于小半徑連續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用還受到一定的限制;再者雖然采用轉體施工后絕大部分梁段均在鐵路以外進行,但連續梁合龍段施工仍采用傳統工藝進行,仍需在繁忙干線上方進行吊架現澆施工,吊架及模板的安裝拆除等作業仍會影響既有鐵路的安全。對于跨高速鐵路橋梁而言,由于防護設施的實施難度較大,這一點將直接影響設計方案的可行性,在跨高速鐵路橋梁設計中,也曾經出現被迫將橋型改為T形剛構、獨塔斜拉橋等方案,或采用非對稱施工連續梁的案例。

因此,對于轉體施工連續梁的合龍段設計以及轉體施工在小半徑連續彎梁中應用進行研究和探索是十分必要的。結合集包第二雙線霸王河1號大橋工程,對上述問題進行了一定的探索,希望其思路對同類橋型的設計有所裨益。

1 工程概況

京包線集寧至包頭段增建第二雙線工程位于內蒙古自治區西部,屬京包通道西段,東起內蒙古自治區烏蘭察布市,西至包頭市,線路全長308 km。設計速度目標值為160 km/h,預留200 km/h。

集包第二雙線在本段上、下行線分離,其中上行線平面位于半徑R=1 600m的圓曲線上,以24°夾角上跨既有京包4線電氣化鐵路。上行線霸王河1號特大橋位于烏蘭察布市西南葫蘆車站附近,由于本段線路受高程控制,不能采用T形剛構等建筑高度高的結構,因此,主橋采用(60+100+60)m單線預應力混凝土連續彎梁。

2 設計的關鍵技術問題及對策

由于本橋跨越全路運輸最為繁忙的鐵路干線之一——既有京包四線電氣化鐵路,為減小對既有鐵路的影響、保證運營安全,本橋采用轉體施工。

本橋設計的關鍵技術問題有以下兩點:降低合龍段施工對既有鐵路的影響;連續彎梁面外不平衡彎矩的配重方案。

設計中針對上述關鍵技術問題采取了如下對策:首先中跨合龍段采用預埋與梁體外形相同的高強度鋼殼(圖1),待梁體轉體到位后吊裝鋼殼合龍節,并將合龍節與預埋鋼殼焊接為整體。該鋼殼作為外模并承受梁段自重和施工荷載,運營階段與混凝土形成結合梁參與結構受力。這樣合龍段施工在完全封閉的開口鋼箱內進行,對既有線的運營沒有安全隱患,無需在既有線上進行防護,可以不中斷行車,顯著提高了跨既有鐵路橋梁施工的安全性和可靠性,更加顯示出轉體施工的優越性,為跨越既有鐵路尤其是客運專線的橋梁施工提供了新的思路。

再者采用球鉸設橫向預偏心來平衡曲梁面外的不平衡彎矩,從而解決曲線梁橫向內外側不平衡問題,解決了繁瑣的不平衡配重問題,轉體完成后墩中心線與承臺中心重合,拓展了轉體施工的應用范圍。

圖1 鋼殼與梁體的連接

3 結構設計

3.1 上部結構

主橋上部結構采用(60+100+60)m單線預應力混凝土連續梁,為縱、豎雙向預應力結構。主梁采用單箱單室箱形截面,曲梁曲做,梁頂寬7.5 m,梁底寬5.0 m。梁底曲線采用二次拋物線,中支點梁高7.50m,跨中及邊墩現澆段梁高4.60m。箱梁頂板厚度為0.36 m,底板厚度為0.45～1.0 m,腹板厚度為0.45～0.8m。

主梁采用在支架上大節段分段現澆形成T構,之后轉體的施工方案。除零號段長度為10m外,T構梁段長度采用7、8、8.5m 3種,中跨合龍段長1.5m。每個T構梁段末端預埋與箱梁外輪廓完全相同的鋼殼。鋼殼采用Q345鋼制作,由兩側埋入節和合龍節組成。埋入節總長1.35m,埋入箱梁內80 cm,外露55 cm;合龍節與埋入節的外形相差一個鋼殼板厚,總長50 cm,待轉體就位后吊裝合龍節,并與埋入節的外露部分焊接為整體(圖2,圖3)。鋼殼為開口箱形結構,壁厚12mm,中間設置板式加勁肋和橫隔板,加勁肋寬度為200mm,間距50 cm左右;沿橋梁縱向75 cm左右設置1道橫隔板。

圖2 鋼殼節段連接示意

圖3 鋼殼橫斷面(單位:cm)

3.2 下部結構

橋墩采用圓端形實體墩,基礎采用12根φ1.5 m的鉆孔灌注樁,為減小對既有鐵路影響,承臺斜置。由于采用轉體施工,承臺采用上、下兩層承臺的方式,上承臺平面尺寸為8 m×8 m,厚度為4 m;下承臺平面尺寸為12.2m×8m,厚度為3m。為保證轉體過程中的穩定性,在上承臺底部沿R=3.25 m的半徑均勻設置8對φ60 cm的鋼管混凝土撐腳;環形滑道有不銹鋼板和四氟乙烯板組成;轉體鉸采用5 000 t級廠制鋼球鉸。

經計算,為了消除曲線橋面外的不平衡彎矩,需在橋墩中心與球鉸中心間設置17 cm的預偏心,為避免上承臺自重引起附加偏心,球鉸中心與上承臺中心重合。

由于橋墩中心與球鉸中心不重合,如果不在上承臺(球鉸)中心和下承臺中心間設置預偏心,則旋轉就位后橋墩中心必然與下承臺中心間產生偏心,這樣一來雖然解決了轉體過程的不平衡,卻帶來了橋墩及上部結構的荷載對基礎產生附加偏心。為避免出現上述情況,設計中在保證橋墩中心與球鉸中心(上承臺中心)預偏心17 cm不變的前提下(圖4),在上、下承臺中心間設置的縱向6.9 cm,橫向15.5 cm預偏心(圖5),這樣旋轉就位后就能夠保證橋墩中心與承臺中心重合,不產生附加偏心,僅上承臺自重產生縱向6.9 cm,橫向15.5 cm附加偏心,其影響可以忽略。

圖4 墩中心與上承臺的關系(單位:cm)

4 結 論

(1)本橋設計中首次提出了采用鋼殼和混凝土組合結構中跨合龍段方案,其中鋼殼作為外模并承受梁段自重和施工荷載,從而使合龍段施工在完全封閉的鋼箱內進行,對既有鐵路的影響降至最低,顯著提高了跨既有鐵路橋梁施工的安全性和可靠性,更加顯示出轉體施工的優越性,為跨越既有鐵路尤其是客運專線的橋梁施工提供了新的思路。

圖5 上、下承臺間預偏心設置(單位:cm)

(2)通過在橋墩中心和球鉸中心間設置預偏心的方式可以有效平衡彎梁的面外不平衡彎矩,避免了彎梁繁瑣的配重問題;并在上下承臺間設置縱橫預偏心,解決了旋轉中心改變后引起的橋墩與下承臺的偏心問題,從而拓展了轉體施工的應用范圍,其思路可供同類橋型設計借鑒。

[1] 程飛,等.我國橋梁轉體施工技術的發展現狀與前景[J].鐵道標準設計,2011(6):67-71.

[2] 錢桂楓,等.滬杭高速鐵路大跨徑預應力混凝土橋梁工程與技術創新[J].鐵道標準設計,2011(6):63-66.

[3] 袁定安.武咸城際鐵路連續梁跨武廣高速鐵路轉體施工技術[J].鐵道標準設計,2012(4):63-69.

[4] 曲樹強.鐵路客運專線橋梁V形墩連續剛構轉體施工技術[J].鐵道標準設計,2009(4):46-49.

Construction Innovation and Practice of Railway Continuous Girder Bridges by Swing Method

NIYan-ping
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi'an 710043,China)

Combined with the project practice of small-radius continuous curved girder of the No.1 Bawanghe Bridge on the second double-line of the Ji'ning-Baotou Railway,a new construction method for the closure segmentof bridge is introduced in thispaper.At the closure segment,there was an embedded steel shellwith the same outline just as the girder body with,so that the follow-up construction at this closure segmentwas able to be carried out within the steel shell of a relatively closed space;therefore, the interference effect on those existing railway was able to be reduced to a considerable degree.At the same time,the pre-eccentricity between spherical hinge and pier was given so as to solve the problem of unbalanced load in the curved girder.

railway bridges;curved bridge by swing method;closure segment;pre-eccentricity

U448.21+5;U445.465

A

1004-2954(2013)07-0064-02

2013-02-26;

2013-03-10

倪燕平(1972—),女,高級工程師,1998年畢業于蘭州鐵道學院,工學碩士。