城市跨鐵路轉(zhuǎn)體橋梁設(shè)計(jì)研究

吳濤，黃晨

（中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢 430010）

1 工程概況

項(xiàng)目橋梁所在道路設(shè)計(jì)為雙向4 車道，兩側(cè)設(shè)置人行道，道路全寬21 m。按城市次干路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)車速為30 km/h。高架與鐵路交叉處采用橋梁上跨方式通過，受地形地貌限制，該處道路平曲線半徑為300 m，最大縱坡為6.5%。橋梁采用整幅布置，支架現(xiàn)澆后轉(zhuǎn)體施工，轉(zhuǎn)體角度為順時(shí)針97°。

2 橋梁主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體布置

主橋采用轉(zhuǎn)體施工預(yù)應(yīng)力混凝土T 構(gòu)橋，跨徑布置為2×60 m，平面位于半徑為300 m 平曲線上，橋梁縱坡為2.4%~-6.5%，豎曲線半徑為800 m。橋型布置如圖1 所示。橋梁全寬21 m，橫斷面布置為：2.5 m（防撞護(hù)欄+人行道）+7.5 m機(jī)動車道+1 m 中分帶+7.5 m 機(jī)動車道+2.5 m （防撞護(hù)欄+人行道）=21 m。

圖1 橋型布置圖（單位：cm）

2.2 上部結(jié)構(gòu)

上部結(jié)構(gòu)采用變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，跨徑布置為2×60 m，橋?qū)?1 m，按整幅布置；梁體采用單箱多室斜腹板截面，斜率為1∶1.875，梁高2.5~5.5 m。箱梁頂板寬21 m，底寬10.3~13.5 m，兩側(cè)翼緣懸臂長2.7 m，箱梁頂板厚度30 cm，底板厚30 cm，腹板厚50 cm（中支點(diǎn)加厚為80 cm）。Z2 號轉(zhuǎn)體墩墩頂設(shè)置2 道橫隔板，厚度為1.5 m；端支點(diǎn)處均設(shè)置橫隔梁，端橫梁厚1.5 m。箱梁采用縱向預(yù)應(yīng)力+ 豎向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系，配置腹板鋼束、頂?shù)装邃撌D(zhuǎn)體墩頂25 m 范圍內(nèi)配置豎向預(yù)應(yīng)力束。主梁縱向按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，橫梁按部分A 類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)。

為使腹板鋼束布置更加合理，同時(shí)考慮施工便利，主梁采用分節(jié)段施工。其中2×57 m 長度（0~3 號塊）采用支架分節(jié)段現(xiàn)澆再轉(zhuǎn)體施工，主梁縱向分段為：0 號塊長度2×12 m、1~3 號塊長度均為15 m，后澆段長度為3 m。

2.3 下部結(jié)構(gòu)

下部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體主墩Z2 號橋墩設(shè)計(jì)為單箱雙室矩形墩，縱橋向?qū)挾葹? m（壁厚2×1.5 m），橫橋向?qū)挾葹?0 m（壁厚3%m×0.9 m），墩高約12 m。上承臺尺寸為10 m×11 m×2.5 m，下承臺尺寸為15 m×15 m×3.5 m，上下承臺之間轉(zhuǎn)體系統(tǒng)安裝高度為2.2 m。承臺下布置4×4φ1.8 m 鉆孔灌注樁。

邊墩Z1、Z3 號橋墩設(shè)計(jì)為雙柱式花瓶墩，墩頂設(shè)弧形系梁。橋墩單柱柱底尺寸為1.7%m×1.6 m，柱頂尺寸為2.5%m×2.4 m，橋墩承臺尺寸為3.2 m×8.4 m×3 m，下設(shè)2φ2.0 m 鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

3 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)由上、下轉(zhuǎn)盤、撐腳、滑道、定位骨架、牽引系統(tǒng)等組成[2]，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)以球鉸支承為主，撐腳起抗傾覆作用。

本項(xiàng)目轉(zhuǎn)體系統(tǒng)豎向承載力設(shè)計(jì)值為1.2 萬t，轉(zhuǎn)體施工時(shí)，2 臺液壓千斤頂設(shè)置于反力座處，通過牽引索對上轉(zhuǎn)盤施加轉(zhuǎn)動力矩。

3.1 偏心設(shè)置

橋梁位于平曲線半徑為300 m 曲線上，支架現(xiàn)澆再轉(zhuǎn)體。最大懸臂狀態(tài)，橋梁橫向會出現(xiàn)較大不平衡彎矩。

常用設(shè)置配重平衡彎矩的方法調(diào)整范圍有限，本項(xiàng)目主要采用精確設(shè)置偏心保證轉(zhuǎn)體過程中的平衡。考慮轉(zhuǎn)體所有荷載工況，支架拆除待轉(zhuǎn)體狀態(tài)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，橋墩橫橋向最大彎矩為109 538 kN·m，此時(shí)橋墩軸力為111 099 kN，偏心距為0.99 m。

橋梁縱向計(jì)算一般采用桿系單元模擬，單個桿系單元平面如圖2 所示，位于平面直線上的橋梁，梁單元軸線與結(jié)構(gòu)實(shí)際中心線重合，采用有限元模型計(jì)算較精確。位于平面曲線上的橋梁，通常采用以直代曲的方法劃分單元，此時(shí)單元軸線與結(jié)構(gòu)實(shí)際中心線不重合，單元外輪廓與結(jié)構(gòu)實(shí)際輪廓線有偏差，結(jié)構(gòu)橫橋向的質(zhì)量分布存在偏心導(dǎo)致橫向計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生誤差，并且橋梁平面曲線半徑越小、梁單元劃分長度越長，計(jì)算誤差越大。在常規(guī)曲線梁橋計(jì)算中，這種橫橋向誤差對結(jié)構(gòu)縱向計(jì)算產(chǎn)生的影響較小，但在轉(zhuǎn)體施工橋梁中，由于存在體系轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)對縱向、橫向的質(zhì)量分布極為敏感，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)對有限元模擬計(jì)算結(jié)果的誤差項(xiàng)進(jìn)行修正。

圖2 桿系單元平面示意圖

本項(xiàng)目橋梁平面曲線半徑僅300 m，有限元模擬單元劃分長度為1 m，橋梁結(jié)構(gòu)斷面為中心對稱截面，其質(zhì)心可近似取其平面形心。通過計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)實(shí)際質(zhì)心與有限元桿系單元質(zhì)心的橫向偏心為-0.12 m。

故考慮橋梁橫向偏心及計(jì)算誤差修正后，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)偏心設(shè)置為0.87 m。

3.2 轉(zhuǎn)體球鉸

轉(zhuǎn)體球鉸由上球鉸、下球鉸、銷軸、型鋼定位骨架、聚四氟滑板等組成，主要承受轉(zhuǎn)體過程中的上部結(jié)構(gòu)荷載。

本項(xiàng)目中心轉(zhuǎn)盤球面半徑為8 m，球鉸平面直徑3.3 m，上轉(zhuǎn)盤球缺高0.324 m，下轉(zhuǎn)盤球缺高0.212 m，定位中心轉(zhuǎn)軸直徑為φ270 mm，穿透于上、下球鉸。下球鉸底平、上凹，通過一塊圓形凹面鋼板錨固于鋼筋混凝下轉(zhuǎn)盤頂部形成； 上球鉸為頂平、下凸的冠狀球體，通過一塊圓形凸面鋼板錨固于上轉(zhuǎn)盤底部形成。上、下球面鋼板厚度均為40 mm，由鋼材壓制而成，背面均設(shè)置環(huán)線及放射形加勁肋，防止在生產(chǎn)、運(yùn)輸及安裝過程中發(fā)生變形，且利于鋼板與上、下轉(zhuǎn)盤之間的定位與錨固[3]。

3.3 上轉(zhuǎn)盤

上轉(zhuǎn)盤是轉(zhuǎn)體橋梁的重要傳力構(gòu)件，在轉(zhuǎn)體中處于多向受力狀態(tài)，受力復(fù)雜，設(shè)計(jì)采用三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸為長11 m、寬10 m、高2.5 m。上轉(zhuǎn)盤下設(shè)置圓柱體轉(zhuǎn)臺，直徑9 m，高度為1 m，球鉸、撐腳均通過轉(zhuǎn)臺與上轉(zhuǎn)盤連接。轉(zhuǎn)臺內(nèi)預(yù)埋一對牽引索，兩根索錨固端位于同一直徑線并對稱于轉(zhuǎn)臺中心，其預(yù)埋高度與牽引方向均相同，每根索的錨固長度為4 m。本項(xiàng)目轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)靜摩擦系數(shù)為0.1，動摩擦系數(shù)為0.06[4]。上轉(zhuǎn)盤澆筑完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行整個轉(zhuǎn)體系統(tǒng)支承體系的轉(zhuǎn)換，使轉(zhuǎn)臺支承于球鉸上。施加轉(zhuǎn)動力矩，使轉(zhuǎn)臺沿球鉸中心軸轉(zhuǎn)動。檢查球鉸的運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，測定其摩擦系數(shù)，為轉(zhuǎn)體施工提供依據(jù)[5]。

3.4 下轉(zhuǎn)盤

轉(zhuǎn)體前，下轉(zhuǎn)盤承受轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)全部荷載并分散傳遞至樁基，轉(zhuǎn)體完成后，與上轉(zhuǎn)盤封錨固結(jié)形成承臺基礎(chǔ)。下轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)尺寸為15%m×15 m×3.5 m，采用雙向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，底層布置縱、橫向預(yù)應(yīng)力。其上設(shè)置轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的下球鉸、千斤頂反力座、環(huán)形下滑道。

3.5 撐腳及滑道

撐腳用于抵抗轉(zhuǎn)體過程中由施工誤差、 風(fēng)荷載等因素引起的不平衡彎矩。本橋共設(shè)8 組撐腳，撐腳中心線半徑為4 m，均勻布置于上轉(zhuǎn)盤。每組撐腳均由2 根直徑700 mm、 高度890 mm 鋼管混凝土柱組成，鋼管厚度20 mm，柱底設(shè)30 mm厚鋼板。撐腳下設(shè)環(huán)形滑道，寬度1.1 m，中心直徑為8 m，環(huán)形滑道在同一水平面。滑道與撐腳之間鋪設(shè)5 mm 厚不銹鋼板和6 mm 聚四氟乙烯板，確保轉(zhuǎn)體過程中撐腳可沿滑道自由滑動并保持整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3.6 牽引系統(tǒng)

牽引系統(tǒng)主要由牽引盤、牽引索、反力座組成。本橋設(shè)置一對牽引索，轉(zhuǎn)體時(shí)采用對稱牽引，牽引力T計(jì)算如下：

式中，轉(zhuǎn)體總重G=111 099 kN；轉(zhuǎn)體球鉸半徑R=1.65 m，牽引力臂D=9 m，摩擦系數(shù)f=0.1，牽引力計(jì)算得T=1 358 kN，本橋牽引索選用14φs15.2 鋼絞線，牽引安全系數(shù)為2.68。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用有限元軟件Midas Civil 進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算模型共劃分為355 個節(jié)點(diǎn)，211 個單元。

施工階段按實(shí)際模擬，主要有：下部結(jié)構(gòu)施工、依次支架現(xiàn)澆0~3 號主梁節(jié)段并張拉對應(yīng)預(yù)應(yīng)力、 邊護(hù)欄及防拋網(wǎng)施工、拆除支架準(zhǔn)備轉(zhuǎn)體、轉(zhuǎn)體完成澆筑后澆段并張拉對應(yīng)預(yù)應(yīng)力、橋面系施工、收縮徐變。

4.1 應(yīng)力驗(yàn)算

計(jì)算結(jié)果表明，主梁在施工階段和運(yùn)營階段，梁體應(yīng)力分布均勻，各控制組合作用下，梁體上、下緣均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，且有一定的壓應(yīng)力儲備。計(jì)算結(jié)果如表1~表3 所示。

表1 施工階段最大懸臂階段主梁應(yīng)力

表2 正常使用階段主梁應(yīng)力

表3 正常使用階段主梁主應(yīng)力

4.2 撓度驗(yàn)算

汽車荷載（不計(jì)沖擊力）和人群荷載頻遇組合下主梁最大撓度為-6.1 mm，考慮撓度長期增長系數(shù)1.413，長期撓度為-8.6 mm，小于計(jì)算跨度的L/600=100 mm，L為跨長，撓度驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，荷載頻遇組合計(jì)算的長期撓度最大值為-295 mm，對應(yīng)位置預(yù)加力產(chǎn)生的長期反拱值為241 mm，最大預(yù)拱度設(shè)置為54 mm，全橋據(jù)此均勻設(shè)置預(yù)拱度。

5 結(jié)語

本文通過對某城市跨鐵路橋梁的設(shè)計(jì)分析，總結(jié)了轉(zhuǎn)體施工橋梁設(shè)計(jì)中的重難點(diǎn)，提出了對小曲線半徑轉(zhuǎn)體橋梁偏心設(shè)置計(jì)算的誤差修正項(xiàng)，對轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工過程中的要點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，為該類橋梁的設(shè)計(jì)施工提供依據(jù)。