鐵路大跨度轉體施工T構橋設計研究

謝曉慧

摘 要：以國內最大跨度和噸位的鐵路轉體T構橋—武黃城際鐵路2×115 m轉體T構橋為工程背景，介紹該橋型在跨越既有鐵路的優點。結合該橋的設計與研究，提出了一次轉體成橋施加上頂力的施工方案；從大橋的主要結構構造、體系受力、墩梁結合部位的復雜受力情況及轉動體系的設計研究等方面敘述了大跨轉體T 構橋的主要力學特點和結構性能。

關鍵詞：鐵路橋 大跨度T構橋 轉體施工 轉動體系

中圖分類號：U445 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）02（a）-0023-03

橋梁轉體施工是指將橋梁結構在非設計軸線位置施工成形后，通過轉體就位的一種施工方法。通常情況下，橋梁施工作業在橋梁所跨越的障礙上空進行，采用了轉體施工后，橋梁施工作業空間可以從障礙上空轉移至岸上或者地面[1]。跨越既有鐵路、公路、航道的橋梁，橋梁施工作業空間可以轉移至平行于鐵路、公路、航道的一側，避免了橋梁施工對鐵路、公路、航道的干擾[2]。

該文以武黃城際鐵路余家灣上行特大橋2×115 m轉體T構橋為背景，對鐵路大跨度轉體T構橋的構造、結構受力、施工過程及控制措施等進行了研究。

1 工程概況

武黃城際鐵路余家灣上行特大橋跨越京廣上、下行線及車站到發線等共五股道，新建線路與既有鐵路夾角28°，為保證既有鐵路運營安全，減少對既有鐵路的影響，主橋采用2×115 m大跨度轉體T構橋。先平行于既有鐵路采用滿堂支架法完成T構施工，然后平轉28°至既有鐵路上空。

梁部為變高度預應力混凝土箱梁，單箱單室直腹板截面，主墩墩頂處梁高為1 180 cm，邊支點處梁高為440 cm。箱梁底緣按1.8次拋物線進行過渡變化。箱梁頂板寬900 cm，厚35 cm，底板寬600 cm，厚38～146 cm，腹板厚45～120 cm。主梁為預應力混凝土結構，采用C55高強混凝土。

主墩為鋼筋混凝土結構，采用矩形空心墩，墩高5.0 m，墩身縱向長8 m，橫向寬7.4 m。承臺為矩形截面，縱、橫向尺寸均為15.2 m，高6.8 m。根據轉體施工的需要，承臺混凝土分成了上轉盤、下轉盤、封鉸混凝土3部分。鉆孔樁采用9根直徑2.5 m樁。

余家灣上行特大橋2×115 m轉體T構，一次轉體橋長231.6 m，轉體重量145 000 kN，是目前國內轉體施工的跨度最大，噸位最重的鐵路T構橋。

2 結構分析與研究

鑒于轉體施工的特殊性，需要結合施工過程對橋式結構進行受力特性分析與研究。T構橋屬對稱結構，非常適合于自平衡平轉，轉體時一般無需配平衡重，降低了施工的難度及風險。

2.1 施工方案分析研究

T構橋的常規轉體施工方法是在邊墩處梁端設后澆段，即預留梁端段未澆筑，待主橋先澆部分轉體就位以后，再搭支架澆筑端部梁段，主橋經兩次澆筑完成。該方案的缺點是梁端的現澆通常在靠近既有線的地方進行，仍然會對既有線運營的有一定的干擾，且需要增加梁的跨度，施工過程也相對繁瑣。

結合工程環境，從施工的安全穩定性、結構受力合理性及工程經濟性等方面對施工方案進行綜合分析，研究出一次轉體成橋方案：T構橋的主梁及主墩，在橋梁轉體以前全部澆筑完畢，橋梁轉體以后，在梁端施加上頂力，然后安裝支座，上頂力轉化為支反力，再張拉剩余預應力鋼束后即可成橋。

一次轉體成橋方案，全橋均在遠離既有線的地方澆筑完成，對既有線運營的干擾較小，簡化了施工過程，減少了橋梁的跨度，節省了工程投資。

2.2 主梁受力分析及梁端上頂力

轉體T構橋施工過程中主梁承受的彎矩以負彎矩為主，主梁的受力類似于懸臂梁；施工階段的最大負彎矩出現在主梁落梁后及轉體過程中，主梁呈最大懸臂狀態；轉體到位后，可利用梁端上頂力改善主梁的受力，減小恒載作用下主梁的負彎矩。

通過施加梁端上頂力，增大梁端支座的支反力，可以避免出現拉力支座，取消梁端壓重；梁端支反力的增加，主梁的正彎矩相應增加，負彎矩則相應減小，而大跨度轉體T構橋的主梁受負彎矩控制，所以施加梁端上頂力可以改善結構受力。

因此，在大跨度轉體施工T構橋的設計中，應根據轉體過程中橋梁的受力情況，確定橋梁的結構尺寸及主要的預應力鋼束布置形式，在結構尺寸及主要的預應力鋼束得以確定的前提下，再調整梁端上頂力的數值，改善橋梁受力，確保運營階段的結構受力及結構檢算滿足規范要求且有適當富余。

2.3 墩梁結合部空間應力分析

主墩與主梁固接處，是連續剛構橋的關鍵部位，此處結構構造和應力分布都比較復雜， 需要在全橋總體分析的基礎上，對該區域應力分布情況進行詳細的空間分析[3]。在墩梁固結區沿縱橋方向選取26 m來研究，建立墩梁固結區的空間實體有限元分析計算模型。

圖1～2為腹板中心截面的正應力沿梁長的分布，可以看出：墩梁結合部由于受剛臂墩和橫隔板的影響，該處主梁頂板混凝土的正應力峰值沒有發生在最中間的支點，而是發生在主墩邊緣和主梁相交處，進入主墩范圍后正應力變小；底板正應力峰值也發生在主墩外的倒角位置，削峰效應明顯。主墩范圍以外腹板沿高度的正應力基本上按線性分布，主墩范圍內的縱向正應力，沿梁高方向的應力梯度不明顯，全截面均受壓。

圖3為橫截面的剪應力分布圖，可以看出：變截面梁橫截面上的最大剪應力并不發生在截面重心軸處，而是發生在重心軸以下區域或梁底緣處，這與等高度箱梁有所不同，所以應考慮梁高、底板厚度、腹板厚度沿跨度的變化所引起的附加剪應力的影響。

大跨度轉體T構橋變高度箱梁的底板所受的剪應力較大，為了合理設計變截面箱梁，應加強底板配筋及構造處理，且不應采用薄底板，所以該文中的2×115 m轉體T構橋箱梁根部的底板厚度梁高的1/7.5，墩梁結合部底板厚度進行了過渡并與橋墩連接時加倒角，有效的減小了底板的剪應力值。

2.4 轉體體系設計研究

轉體體系是轉體橋梁的重要組成部分，轉體體系應當具備以下性質，才能保證轉體的順利進行：（1）在橋梁轉體時，轉體體系承受橋梁上部的荷載，并將荷載傳遞給基礎，因此，轉體體系須具備足夠的承受荷載的能力；（2）為滿足橋梁轉體的需要，轉體體系須具備良好的轉動性能，這是確保橋梁轉體成功的關鍵因素；（3）轉體體系應具備良好的保持平衡能力，以保證在受到外界干擾的情況下仍能保持穩定；（4）轉體體系應具備較小的摩擦系數和強大的動力牽引系統[4]。

大跨度T構橋的轉體施工屬平面轉體，其轉體體系主要由支承系統、平衡系統、轉動牽引系統組成。支承系統由上轉盤、轉體球鉸、下轉盤組成；平衡系統由撐腳、滑道組成；轉動牽引系統由牽引動力系統、牽引索、反力支座、錨固構件組成。轉體體系示意圖見圖4。

余家灣上行特大橋轉體體系主要尺寸：上轉盤長13 m，寬13 m，高2.5 m；下轉盤長15.2 m，寬15.2 m，高3.4 m；轉體球鉸噸位為14 500 t。

對整個轉體體系建立有限元實體進行分析計算。轉體體系上、下轉盤主要以受壓為主，最大壓力應力小于7 MPa，局部范圍出現較小的拉應力，拉應力數值較小，小于0.5 MPa；主拉應力亦小于1 MPa，均滿足規范要求且有較大的富余。

3 結語

該文的的主要研究結論如下。

（1）采用一次轉體、不設置梁端現澆段、邊墩頂梁就位的大跨度轉體T構橋方案，減少了對既有鐵路運營的干擾和影響。

（2）大跨度轉體T構橋，轉體過程中橋梁的受力為控制工況，據此確定結構尺寸及主要的預應力鋼束布置形式；然后通過調整梁端上頂力的數值，來滿足運營階段的結構受力要求。

（3）墩梁結合部受剛臂墩和橫隔板的影響，該處主梁頂板、底板的正應力有明顯的削峰效應。

（4）大跨度T構橋變高度箱梁，剪應力一般并不發生在重心軸處，而是在梁下部區域或底緣處。為了合理設計變截面箱梁，不應采用薄底板，而且應加強其配筋及構造處理。

（5）轉體結構上、下轉盤主要以受壓為主，轉體體系須具備良好的轉動性能、保持平衡能力。

參考文獻

[1] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.鐵路大跨度轉體T構橋關鍵技術研究與實踐[Z].2012.

[2] 寧繼康.2×116 m大跨度連續T構轉體施工技術[J].石家莊鐵路技術學院學報，2011，10（1）：1-6.

[3] 許惟國，何廣漢.大跨度連續剛構橋墩梁結合部的試驗研究[J].橋梁建設，2003（5）：1-4.

[4] 李的平.大跨度T型剛構連續梁轉體體系設計[J].工程建設與設計，2013（9）：95-97.