小半徑曲線轉體橋調偏心研究

田山坡

（中國鐵路設計集團有限公司，天津市 300251）

0 引言

隨著我國基礎設施建設的快速發展，出現了很多立交橋梁上跨鐵路的情況，城市立交橋匝道經常位于小半徑上，由于目前缺乏相關的設計經驗和資料，設計時往往盡量調整線形避免這種情況。然而這種做法不僅會降低平面的線形指標、影響行車舒適性、增加造價，而且易造成安全事故，影響橋梁的美觀。

當前轉體剛構橋為跨越既有繁忙鐵路干線尤其是高速鐵路的首選方案，而地震高烈度區小半徑曲線轉體橋梁的設計在國內還是空白。目前急需開展對跨鐵路小半徑曲線轉體橋的受力特點、轉動體系和結構構造等方面的研究。現以太原市北中環線工程跨石太客專及石太線立交橋項目為例，針對小半徑轉體橋的調偏心技術展開研究[1-2]。

1 工程概況

跨石太客專及石太線立交橋工程是太原市北中環澗河立交橋的一部分。S E匝道沿規劃道路線位走向，自西向東需依次跨越石太下行、石太客專上行、石太客專下行、石太下行等鐵路線。跨鐵路處為減小對既有鐵路運營的干擾，該工程采用方案為轉體施工T形剛構，轉體墩設在鐵路西側，順鐵路施工剛構橋，梁部采用鋼箱梁，墩梁固結，完成預制后向鐵路部門要點90 min，一次轉體就位，再現場拼接邊跨2.5 m后拼段。

上部結構為（45+44.996）m變高度鋼結構箱梁轉體T構，梁全長89.996 m，箱梁采用單箱雙室截面，T構中間支點處梁高4.5 m，邊支點梁高1.8m，梁底線形按二次拋物線變化。轉體部分跨徑組合為（42.5+42.5）m，預留后拼段 2.5（2.496）m；橋梁為整幅設橋，橋面寬10.0m。橋梁的布設以整個施工過程結構與接觸網帶電部分的平面距離不小于5m、高度不小于0.7 m，并且不侵入現狀鐵路允許限界為基本原則，同時考慮預留足夠的安全距離。下部結構主墩采用矩形墩，截面尺寸為4 m×5 m，墩柱下接轉動系統、承臺，鉆孔灌注樁基礎，樁徑1.5 m，5根，長65 m。轉體橋平面和立面布置圖如圖1和圖2所示。

圖1 轉體橋平面布置圖

圖2 轉體橋立面布置圖（單位：cm）

2 轉體施工流程

主橋采用轉體法施工，外側防撞護欄與防護屏施工完成后整幅轉體，跨線處一次轉體就位，其他部分為支架拼裝施工。其主要流程如下：

（1）進場后，整平場地，開挖基坑，施工中墩樁基，施工下轉盤。

（2）施工中墩上轉盤及墩身，順鐵路兩側搭設支架并預壓支架。

（3）支架上拼裝鋼箱梁，澆筑橋面外側防撞護欄，安裝防護屏。

（4）拆除支架，使T構處于懸臂狀態。

（5）對轉體結構進行縱橫稱重，實測其重心位置，必要時進行配重。

（6）對轉體結構進行試轉，試轉約7°，確定轉體的各項參數。

（7）進行正式轉體，速度0.018～0.02 r/min，一次轉體就位，轉體90°轉體作業時間約90 min。

（8）根據監控數據調整梁體姿態，鎖定上下轉盤，對轉體結構進行固封。

（9）施工后拼段、橋面系，成橋。

另外在施工期間應對鐵路設施實施必要的安全監控工作，轉體時對風速的要求是不大于8m/s（相當于5級），轉體分為預轉體和正式轉體兩次進行。

3 調偏心設計

3.1 調偏心方案對比

調偏心方式根據配重方式的不同可分為平衡配重調偏心和不平衡配重調偏心兩種。

3.1.1 平衡配重調偏心

為保證轉體系統縱橫向均達到平衡狀態，應絕對保證其縱橫向重量相一致，但在實際的轉體施工中，上部結構保持絕對平衡會使轉體系統的重量全部落在球鉸上，這會引起梁端在轉動過程中發生幅度較大的抖動，將不利于轉體的平穩性要求[3]。若采取該配重方案，應減小撐腳與滑道的間隙，提高施工安裝精度，使梁體稍有晃動時即能通過撐腳支撐在滑道上[4]。

3.1.2 不平衡配重調偏心

在轉體過程中上部結構重心與球鉸轉動中心不重合，球鉸與滑道之間存在接觸，球鉸與撐腳共同支撐轉體系統，增加了轉體系統在轉動過程中的穩定性。由于撐腳與球鉸均有受力，增加了轉體啟動時所需的牽引力。另外須注意，配重后的偏心距滿足5 cm≤e≤15 cm的要求[4]。

該工程為小半徑曲線轉體橋，其鋼箱梁橫向不平衡彎矩很大，對調偏心控制嚴格，否則極易引起橋體傾覆。故采用平衡配重調偏心轉體施工方案，即對轉臺的轉動中心與橋墩中心預設定1.70 m的偏心距，并在轉動系統的上轉盤施加永久配重和臨時配重，以實現轉體系統上部結構重心與轉動中心重合。

3.2 調偏心計算

該工程采用MIDAS/Civil進行施工階段計算。該階段荷載分為鋼箱梁、墩柱、上轉盤、防撞護欄及防護屏自重荷載。因橋面鋪裝為轉體施工結束后進行，故轉體階段不予考慮。防撞護欄及防護屏荷載按單側每延米12.8 kN考慮；括號內數據為不考慮上轉盤荷載的情況。具體計算見表1。

表1 轉體施工階段荷載及偏心計算

3.2.1 預設偏心

轉體系統的預偏心不宜過大。對轉臺的轉動中心與橋梁的結構中心預設定1.70 m的偏心，預設偏心彎矩為12 935 kN·m×1.7 m=21 990 kN。預設偏心如圖3所示。

圖3 預設偏心示意圖（單位：cm）

3.2.2 永久配重（配重臺）

轉體預設1.70 m偏心后，橋梁整體偏心較大，因此在橋梁曲線外側上轉盤設置混凝土永久配重臺，配重混凝土總重為10.45m2×2m×2 500 kg/m3=5 225 kg，配重混凝土偏心彎矩為522.5 kN×4.4m=2 300 kN·m。永久配重如圖4所示。

圖4 永久配重示意圖（單位：cm）

3.2.3 臨時配重

為了確保橋梁轉體的順利進行，轉體前應進行轉動體稱重試驗，測試轉動體部分的不平衡力矩對轉體橋轉動體系依然存在的偏心。由于橋梁位于曲線上，尤其應注意橫向的稱重，以滿足橋梁轉體配重的要求。最后根據稱重試驗結果增加臨時配重量。

3.2.3.1 平衡稱重的原理

當上部機構脫架完成后，整個梁體的平衡表現可能為兩種形式之一：其一，轉動體球鉸摩阻力矩MZ大于轉動體不平衡力矩MG，梁體不發生繞球鉸的剛體轉動，體系的平衡由球鉸摩阻力矩和轉動體不平衡力矩所保持；其二，轉動體球鉸摩阻力矩MZ小于轉動體不平衡力矩MG，梁體發生繞球鉸的剛體轉動，直到撐腳參與工作，體系的平衡由球鉸摩阻力矩、轉動體不平衡力矩和撐腳對球心的力矩所保持[5-6]。

（1）轉動體球鉸摩阻力矩MZ大于轉動體不平衡力矩MG。

設轉動體重心偏向A側，在B側承臺施加頂力P1。當頂力P1逐漸增加到使球鉸發生微小轉動的瞬間，有

設轉動體重心偏向A側，在A側承臺施加頂力P2。當頂力P2逐漸增加到使球鉸發生微小轉動的瞬間，有

解方程（1）和（2），得到不平衡力矩：

（2）轉動體球鉸摩阻力矩MZ小于轉動體不平衡力矩MG。

設轉動體重心偏向A側，此種情況下，只能在A側承臺實施頂力P2。

當頂力P2（由撐腳離地的瞬間算起）逐漸增加到使球鉸發生微小轉動的瞬間，有

當頂升到位（球鉸發生微小轉動）后，使千斤頂回落，設P′2為千斤頂逐漸回落過程中球鉸發生微小轉動時的力，則

解方程（4）和（5），得到不平衡力矩：

3.2.3.2 臨時配重方案

稱重前大里程側防護屏已完成施工，小里程側防護屏暫未安裝，結合實際情況理論計算不平衡彎矩為2 100 kN·m。稱重前根據原定施工配重設置方案在梁體曲線外側的配重臺施加了37.5 t混凝土，對球鉸中心線力矩為1 800 kN·m，達到了理論計算不平衡彎矩的86%。理論剩余不平衡彎矩為300 kN·m，偏心距為1.7 cm。

根據最終實際稱重試驗結果，實際不平衡彎矩與理論計算基本相符，差異很小，最終確定不再增加額外配重量。

4 結語

小半徑曲線轉體橋橫向偏心較大，施工精度要求高，轉體施工難度大。通過轉臺的轉動中心與橋梁的結構中心設定1.70 m的偏心距，同時結合上轉盤永久配重、臨時配重技術，采用平衡配重調偏心方法實現了對轉體系統偏心的調整，為小半徑曲線轉體橋調偏心設計及施工提供技術借鑒。目前，該工程已順利施工結束，其工藝達到預期，說明此方案效果比較理想。

參考文獻：

[1]張聯燕.橋梁轉體施工[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2]羅鵬.秦皇島城市西部快速路跨京哈鐵路橋梁轉體施工技術[D].成都：西南交通大學,2011.

[3]郝樹林.跨鐵路既有線轉體橋施工技術研究[D].北京：北京建筑工程學院,2012.

[4]張雪松.（67+67）m曲線T形剛構橋轉體施工監測與控制技術研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學,2012.

[5]程海根,李康,蔡裕.大跨徑曲線橋轉體不平衡稱重試驗[J].高速鐵路技術,2014，5（1）：15-20.

[6]宋滿榮,劉炳康,楊玉龍,等.跨大秦鐵路大橋轉體稱重試驗及配重研究[J].世界橋梁，2015,43（6）：63-67.