內蒙古京包鐵路分離式立交轉體橋設計優化研究＊

范振華 車曉軍 劉世清

（1.內蒙古交通設計研究院有限責任公司 呼和浩特 010010； 2.武漢理工大學交通學院 武漢 430063；3.內蒙古高等級公路建設開發有限責任公司第八分公司 呼和浩特 010010）

1 工程概況

轉體施工技術作為一種較為快捷的橋梁施工技術，在特定條件下具有很大的優越性，甚至在某種特定條件下會成為必選的設計和施工方案［1］。京包鐵路分離式立交橋主橋為2×75m單T變截面連續剛構橋，箱梁采用直腹板單箱雙室截面，跨中梁高3.3m，根部梁高8.1m，梁高按照1.8次拋物線變化。為減小橋梁施工對線下鐵路運營的影響，主橋采用平面轉體施工，其中轉體段長度為69m，轉體重量12 000t，箱梁共分17個節段，采用平行鐵路搭設支架分8次澆筑完成。其中0～6號段為鋼管樁支架，7～17號段為碗扣式支架施工。

在工程實踐中發現，由于設計單位考慮施工因素不多或者更多考慮以理論分析為依據，導致部分設計存在不甚合理的現象。例如，考慮跨徑盡可能小而導致墩位與既有線之間的間距過小，從而工作面過小，大量機械不能使用致使鋼制模板吊裝存在重大安全隱患［2］；滑道上在大面積聚四氟乙烯滑板轉體前掏出沙子后常因翹起而失效［3－4］；支架現澆段因受傳統連續梁（剛構）橋掛籃施工影響而節段長度短、澆筑次數多而延長施工工期［5］。

從京包鐵路分離立交轉體橋的設計角度出發，綜合考慮施工影響因素，結合大量跨線轉體橋施工實踐，提出涉及該橋選線方案、轉動體系構造設計、施工方案等方面的設計優化措施，為類似橋梁的設計提供參考。

2 選線方案優化

通過對已建成的類似跨線轉體橋方案綜合分析，在方案初步設計階段可以從以下3個方面進行優化：

（1）轉體噸位的確定。本橋之所以選擇大噸位轉體施工方案，是由于在總體選線過程中未能避開較寬編組站的鐵路線，從而選擇大噸位的球鉸和橋跨形式，一定程度上增加了施工風險和工程造價。可以通過調整總體路線設計走向避開編組站從而減小轉體噸位，從而降低施工難度。

（2）與既有線控制間距的確定。本橋主墩位與既有線控制界限的間距只有3m左右，施工過程中由于工作面較小而影響工作效率，同時由于不能使用大型施工機械，導致箱梁澆筑大型側模吊裝時風險陡增，建議將間距優化控制在7～10 m是合適的，同時因跨徑增大而增加的施工成本與需要的大量臨邊鐵路鐵皮墻、施工風險預防成本相比，幾乎可以持平。

3 轉動體系設計優化

（1）承臺形狀的選擇。對于京包鐵路分離式立交橋，承臺采用圓形承臺，直徑15.3m，上承臺高3m，下承臺高3m，中間1m高的后澆段。施工過程中考慮左右幅及上下承臺的周轉使用，定制了2套3m高的環形鋼制模板，使用后即堆砌在場地，并無他用，同時考慮運輸至其他工地或現場處理均難以減少投入的成本，造成了較大的浪費。然而根據現場施工因素考慮，同時考慮承臺澆筑質量符合規范要求，若將承臺構造外形設計優化改為矩形承臺，必要時可將四角設計成圓形倒角，則可重復使用常用外形的模板，經對比核算可節約施工成本80%左右，約50萬元，對比分析見表1。

表1 承臺不同類型鋼制模板成本對比分析

（2）鋼制球鉸摩擦系數的修正。現有研究成果中，鋼制球鉸的靜摩擦系數范圍推薦為0.01～0.02，而通過部分鋼制球鉸的轉體橋稱重實驗分析，大多數靜摩擦系數可維持在0.004～0.01，前提是嚴格遵照精度要求進行球鉸制作與安裝，這將減小牽引力矩以及球鉸支撐半徑與尺寸。對于京包鐵路分離式立交橋，據現場稱重試驗，可以計算球鉸靜摩擦系數：μ＝0.003 4；轉動體偏心距：e＝0.225。

同時，依據稱重的計算數據，即可計算轉體所需要的牽引力矩，與設計中所需要的牽引力矩進行對比分析，見表2。發現設計中因考慮摩阻系數過大，而采用過分保守的牽引設備，造成了一定程度上的浪費。

表2 不同摩擦系數下牽引力矩對比分析表

（3）滑道構造的優化設計。京包鐵路分離式轉體橋滑道設計采用在鋼制滑道上安裝一整圈的聚四氟乙烯板，以減少轉體過程中撐腳與滑道之間的摩擦阻力，以保證轉體的順利進行，然而由于聚四氟乙烯板材料特性，以及安裝時粘合劑不均勻等因素的影響，長時間處于潮濕沙子環境下，將導致其在轉體前翹起（或相對高差不符合精度要求）甚至整體失效。見圖1、圖2。

圖1 撐腳下的聚四氟乙烯翹起

圖2 滑道上的四氟乙烯板翹起失效

通過工程實踐分析可以采用以下優化方案：除去整正圈滑道的聚四氟乙烯滑板，而在撐腳下局部區域內粘貼聚四氟乙烯板，優點在于面積小而易于黏貼牢固，同時對滑道摩擦效果沒有很大影響，但總造價將節約90%以上，而且可以大大減少聚四氟乙烯板失效的概率。

（4）牽引索布置的優化設計。在轉體牽引系統施工過程中，牽引工作均由專門的液壓千斤頂廠家配合完成，為了保證牽引鋼索受力均勻，建議先圍繞承臺纏繞1圈后再按照計算長度纏繞鋼束。通過現場牽引實踐發現，這樣設計牽引系統雖然可以保證受力相對均勻，但是需要較大的預張拉力，容易出現左右幅相對啟動同步性差的現象。同時在轉體即將就位時，多余的鋼束將受到牽引索錨固段與轉動止塊之間空隙減小的擠壓，導致點動就位階段牽引索應力集中而存在安全隱患，具體情形見圖3。

圖3 轉體點動階段牽引鋼索受到擠壓圖示

4 支架現澆段施工方案優化

為了分析不同分段長度對橋梁受力的影響，將轉體施工段分別采用了3種分段方案進行有限元建模，見圖4，對線形和應力數據進行對比分析。

方案1。0號塊5m，1～3號段各3m，4～6號段各3.5m，7～11號段各4m，12～17號段各4.5m。其中：0～2號段17m一次性澆筑，其他2個節段一次性澆筑，共計分9次澆筑。

方案2。0～2號塊段17m，3～11號段33.5 m，12～17號段27m，分3次混凝土澆筑。

方案3。不分段，1次性澆筑完混凝土，長度為138m。

圖4 不同分段方案對比分析有限元模型

通過分析得出不同分段長度下轉體段最大懸臂狀態各截面上、下緣應力見圖5，圖6。

圖5 最大懸臂狀態上緣應力

圖6 最大懸臂狀態下緣應力

在不同分段長度下，轉體段最大懸臂狀態各節點累計水平及豎向位移見圖7，圖8。

圖7 最大懸臂狀態水平位移

圖8 最大懸臂狀態豎向位移

通過優化方案對比分析，可知：

（1）在不同分段長度下，轉體段在最大懸臂狀態時各單元截面上下緣應力相差均很小，但累計水平位移和豎向位移均不相同，且距離懸臂端越近、分段數量越少，懸臂端的水平位移越大，而下撓位移越小。

（2）對于豎向累積位移，不同分段方案數值差別較大，相應地在施工過程中預拱度的設置也有較大區別，為此現澆段主梁施工需要根據實際設置相應的預拱度。

（3）在充分考慮減小現澆梁與底模支架之間的摩阻力及大體積混凝土澆筑水化熱影響的前提下，轉體段混凝土一次性澆筑方案具有可行性。

（4）隨著分段長度的增加，搭設支架的長度也隨著增長，對于支架的穩定性安全驗算十分必要，與此同時在施工過程中要加強對支架搭設情況及雨季排水設施的處理，防止支架變形過大或失穩現象發生。同時，落架過程需要進行嚴格監控，在保證兩側同時同步落架的基本條件下，合理選擇支架落架方向和順序，密切監測梁頂高程變化也十分必要。

5 結語

（1）京包鐵路分離式立交橋的施工，將對線下具有京包鐵路運煤線的影響降到了最低，充分發揮了轉體施工的特點和優勢。

（2）基于施工因素提出的京包鐵路分離式立交橋選線方案、轉體橋噸位的降低為確定轉體設計方案提供了參考，作為轉體橋梁最重要部件的轉動體系，其承臺形狀的選擇、球鉸摩阻系數的確定、聚四氟滑板的安裝以及牽引索的布置等設計需充分考慮施工因素而進行優化選擇，確定現澆段分段長度及相關施工優化措施等，對設計方案的優化具有一定的參考和借鑒，同時也可以充分發揮工程經濟效益，縮短工期，確保轉體施工安全。

（3）對于京包鐵路分離式立交橋，在采用鋼箱梁組裝提高現澆段的施工進度，運用可視化智能同步轉體監控及預警系統的開發等方面值得進一步研究，也對豐富和發展轉體橋的設計理論和施工水平提供了參考。

［1］程 飛.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.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.

［5］吳海軍，王 楨，張 雷.現澆分段長度對平轉連續梁橋受力的影響［J］.重慶交通大學報，2012（6）：32－35.