淺談大噸位曲線轉(zhuǎn)體橋梁設(shè)計(jì)

■林信武

（海峽（福建）交通工程設(shè)計(jì)有限公司，福州 350004）

0 引言

近幾年我國(guó)高速鐵路快速發(fā)展，目前鐵路網(wǎng)已基本形成，隨著城市不斷的擴(kuò)張，城市路網(wǎng)與鐵路網(wǎng)交叉的現(xiàn)象越來(lái)越多，為保證鐵路運(yùn)輸安全，提高鐵路運(yùn)輸效率，同時(shí)又不影響市政道路的正常建設(shè)，交叉節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)顯得格外重要。根據(jù)鐵路總公司的發(fā)文，在已建成的高速鐵路（含客運(yùn)專線，城際鐵路）、新建設(shè)計(jì)時(shí)速200km鐵路及相關(guān)聯(lián)絡(luò)線、動(dòng)車走行線的無(wú)咋軌道區(qū)段路基和有可能破壞地基加固效果的有咋軌道區(qū)段路基及各種過(guò)渡段，禁止框架頂進(jìn)下穿；確須修建公路上跨鐵路立交橋時(shí)，應(yīng)采用上跨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體施工方案。

橋梁轉(zhuǎn)體施工是上世紀(jì)40年代以后發(fā)展起來(lái)的一種架橋工藝，因?yàn)樗┕た焖侔踩⒉恢袛嗤ㄜ嚨忍攸c(diǎn)，在我國(guó)公鐵交叉中被廣泛采用，目前已建成200多座。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，它可分為豎向轉(zhuǎn)體施工法、水平轉(zhuǎn)體施工法（簡(jiǎn)稱豎轉(zhuǎn)法和平轉(zhuǎn)法）以及平轉(zhuǎn)與豎轉(zhuǎn)相結(jié)合的方法，其中以平轉(zhuǎn)法應(yīng)用最多，而平轉(zhuǎn)施工的連續(xù)梁橋通常為直線對(duì)稱結(jié)構(gòu)。福清市清繁大道跨杭深線立交橋平面位于半徑2500m的圓曲線上，本文對(duì)該橋的設(shè)計(jì)、計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)的介紹說(shuō)明。

1 工程概況

福清市清繁大道是連接沈海高速公路與長(zhǎng)福高速公路的重要交通樞紐，而上跨杭深線立交橋是清繁大道的重要節(jié)點(diǎn)。本工程橋梁分左右幅上跨杭深線（交叉處鐵路樁號(hào) K911+332，K911+370），交叉角度分別為 61°、60°，其中左線橋長(zhǎng)581m，右線橋長(zhǎng)552m，跨鐵半徑2500m。跨越處鐵路為杭深線標(biāo)準(zhǔn)路基段，雙線，為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)雙線電氣化鐵路干線，為盡量減小對(duì)杭深線影響，經(jīng)過(guò)多種橋梁

方案的比較，最后選用2-85mT構(gòu)，轉(zhuǎn)體施工工藝。

2 結(jié)構(gòu)概況

清繁大道跨既有杭深線梁為85+85（m）兩跨T型剛構(gòu)，橋?qū)?18.95m，轉(zhuǎn)體長(zhǎng)度為73.5+73.5（m），兩側(cè)邊支點(diǎn)現(xiàn)澆段為8.5m，合攏段長(zhǎng)2.92m，球鉸噸位約15000t，采用水平轉(zhuǎn)體施工法。

上部結(jié)構(gòu)為變高連續(xù)箱梁，梁體各控制截面梁高分別為：邊跨直線段截面最低點(diǎn)處梁高為3.4m，中支點(diǎn)梁高為8.7m，梁底按1.6次拋物線變化；箱梁頂寬18.95m，根部底寬7.71m。箱梁橫截面為單箱雙室斜腹板截面。頂板厚 28cm，腹板厚分別為 45cm、65cm、80cm、100cm，底板厚由跨中的30cm按1.6次拋物線變化至中支點(diǎn)梁根部的140m，中支點(diǎn)處局部加厚到170cm；全橋共設(shè)4道橫隔梁，分別是中支點(diǎn)處2道、端支點(diǎn)處各1道。中支點(diǎn)處設(shè)置厚0.8m的橫隔梁，邊支點(diǎn)處設(shè)置厚1.5m的端隔梁，隔板設(shè)有孔洞，供檢查人員通過(guò)。

3 轉(zhuǎn)體橋設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 上部結(jié)構(gòu)

（1）設(shè)計(jì)荷載的選取

根據(jù) 《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10621-2014）7.6節(jié)規(guī)定跨線橋及其相鄰兩跨的汽車設(shè)計(jì)荷載采用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)荷載的1.3倍。因此跨鐵橋梁的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)要比常規(guī)公路橋梁更加嚴(yán)格，本工程采用大型有限元軟件midas civil建模分析，經(jīng)過(guò)檢算比較，本工程中最終支點(diǎn)梁高與跨徑的比值確定為1/9.77，邊支點(diǎn)梁高與跨徑的比值確定為1/25，結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)及正常施工極限狀態(tài)下均滿足規(guī)范要求。

（2）截面尺寸的設(shè)計(jì)

圖1 橋梁立面布置圖

圖2 橋梁平面布置圖

根據(jù)相關(guān)資料，在按規(guī)范設(shè)置橋梁護(hù)欄的情況下，即使是最高的SS防撞等級(jí)，車輛也仍有可能越出護(hù)欄，因此《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10621-2014）要求須加強(qiáng)防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)。結(jié)合本工程實(shí)際情況設(shè)置兩級(jí)防撞系統(tǒng)，第一道防護(hù)欄經(jīng)受沖逸車輛的首次碰撞，消耗其大部分或一部分能量，第二道防護(hù)欄經(jīng)受沖逸車輛的第二次碰撞，消耗其全部能量，阻止車輛和物品墜入橋下高鐵線路的可能性，保證高鐵運(yùn)營(yíng)的安全。

根據(jù)公路規(guī)范條文說(shuō)明及相關(guān)研究成果，車輛在撞擊護(hù)欄后，一般情況沿護(hù)欄向前滑動(dòng)或向左（向內(nèi)）側(cè)翻，同時(shí)還有越過(guò)護(hù)欄、向右（向外）可能性。當(dāng)超載、超速貨運(yùn)汽車與第一道防撞護(hù)欄發(fā)生碰撞后，由于劇烈的撞擊，車上的物品有可能往橋外散落，貨車也有向外（向右）側(cè)翻可能，考慮散落的物品或側(cè)翻的貨車仍留在橋面上，不至于跌下鐵路，因此兩道護(hù)欄間應(yīng)有一定的距離。根據(jù)我國(guó)車輛外輪廓尺寸，兩道護(hù)欄間距至少為1.5m，還需在外側(cè)防撞護(hù)欄頂上設(shè)置高防拋網(wǎng)。

3.2 轉(zhuǎn)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)主要由下幾個(gè)部分組成下轉(zhuǎn)盤(pán)、球鉸、上轉(zhuǎn)盤(pán)和轉(zhuǎn)體牽引系統(tǒng)等組成。

（1）下轉(zhuǎn)盤(pán)

圖3 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

下轉(zhuǎn)盤(pán)為支撐轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)全部重量的基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)體完成后，與上轉(zhuǎn)盤(pán)共同形成基礎(chǔ)。下轉(zhuǎn)盤(pán)采用C40混凝土。下轉(zhuǎn)盤(pán)上設(shè)有轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的下球鉸、環(huán)形下滑道及千斤頂反力座。

（2）球鉸的制造與安裝

球鉸由上下兩塊剛質(zhì)球面板組成，上面板為凸面，通過(guò)圓錐臺(tái)與上部的牽轉(zhuǎn)盤(pán)連接，上轉(zhuǎn)盤(pán)就位于牽轉(zhuǎn)盤(pán)上；下面板為為凹面，嵌固于下轉(zhuǎn)盤(pán)頂面。上、下面板均為40mm厚鋼板壓制而成的球面。球鉸噸位約15000t。

（3）上轉(zhuǎn)盤(pán)

上轉(zhuǎn)盤(pán)與橋墩連接，當(dāng)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行整個(gè)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)支承體系的轉(zhuǎn)換，使轉(zhuǎn)臺(tái)支承于球鉸上。

3.3 轉(zhuǎn)體球鉸偏心設(shè)計(jì)

本橋位于半徑2500m的圓曲線半徑上，轉(zhuǎn)體跨度大，橋梁寬度大，與鐵路斜交，主梁重心與橋墩中心偏離，因此如何保證轉(zhuǎn)體時(shí)結(jié)構(gòu)的平衡，是球鉸設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)主要通過(guò)球鉸預(yù)偏心的方法，保持轉(zhuǎn)體時(shí)結(jié)構(gòu)的平衡。

本工程采用大型有限元軟件midas civil建立全橋模型，計(jì)算分析得出正常使用極限包絡(luò)狀態(tài)下兩肢橋墩中心處墩底合力N=140420kN,橫橋向彎矩M=54100kN·m，球鉸中心相對(duì)橋墩中心向曲線內(nèi)側(cè)橫橋向偏心距e=M/N=0.385m。

圖4 全橋計(jì)算模型

3.4 轉(zhuǎn)體牽引力設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50-2011）中15.5.3轉(zhuǎn)體的牽引力計(jì)算：

式中：T——牽引力（kN）；

G——轉(zhuǎn)體總重力（kN）；

R——鉸柱半徑（m）；

D——牽引力偶臂（m）；

f——摩擦系數(shù)。

根據(jù)計(jì)算得啟動(dòng)時(shí)所需要的牽引力為T=7863kN；轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需要的牽引力T=5897kN。

3.5 球鉸計(jì)算分析

采用fea建立實(shí)體模型，并做適當(dāng)簡(jiǎn)化。

按兩種工況建立模型：①轉(zhuǎn)體時(shí)的實(shí)際工況，上、下轉(zhuǎn)盤(pán)通過(guò)球鉸傳力，上、下轉(zhuǎn)盤(pán)建立豎向受壓剛性連接；②臨時(shí)支撐未拆除前的極端工況，球鉸脫空，完全不受力，全部荷載由沙箱等臨時(shí)支撐傳遞給下轉(zhuǎn)盤(pán)。

截取部分計(jì)算結(jié)果如下：

圖5 下轉(zhuǎn)盤(pán)主拉應(yīng)力

圖6 上轉(zhuǎn)盤(pán)底主拉應(yīng)力

從應(yīng)力分析結(jié)果來(lái)看，上下轉(zhuǎn)盤(pán)正應(yīng)力、主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

4 總結(jié)

清繁大道跨既有杭深線橋，不同于一般的市政橋梁，其橋梁設(shè)計(jì)需要根據(jù)鐵路規(guī)范進(jìn)行專門的特殊設(shè)計(jì)，還應(yīng)根據(jù)線路及地形實(shí)際進(jìn)行方案比選。本工程通過(guò)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)偏心，有效解決了大曲線半徑大跨度橋梁轉(zhuǎn)體施工時(shí)的平衡和穩(wěn)定性問(wèn)題，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，總結(jié)以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：

（1）在已建成的高速鐵路修建公路上跨鐵路立交橋時(shí)，應(yīng)采用上跨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體施工方案。

（2）跨線橋及其相鄰兩跨的汽車設(shè)計(jì)荷載采用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)荷載的1.3倍。

（3）跨線橋橋面應(yīng)考慮兩道防護(hù)，阻止車輛和物品墜入橋下高鐵線路的可能性，保證高鐵運(yùn)營(yíng)的安全。

（4）大曲線半徑大跨度橋梁，應(yīng)通過(guò)預(yù)設(shè)偏心有效平衡結(jié)構(gòu)自重偏心和扭轉(zhuǎn)。

[1]TB10621-2014，高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2014.

[2]JTG/T F50-2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[3]JTG D62-2004，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[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4]袁娜,周志亮.大跨小曲線半徑轉(zhuǎn)體橋轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].都市快軌交通,2014（1）:99-103.

[5]張聯(lián)燕.橋梁轉(zhuǎn)體施工[M].北京：人民交通出版社.

[6]陳寧，韓占春.大噸位單鉸雙幅同步轉(zhuǎn)體施工綜述[J].天津建設(shè)科技，2009（1）:25-28.