武咸城际铁路连续梁跨武广高速铁路转体施工技术

袁定安

(中铁十一局集团有限公司,武汉 430074)

1 工程概况

武咸城际铁路起于湖北省武汉市,止于湖北省咸宁市,在DK59+576处采用48 m+80 m+48 m连续梁跨越武广高速铁路,与武广高速铁路夹角为155°。连续梁跨越处武广高铁里程为K1 300+348,正线2股道,线间距5 m。该处最高行车速度350 km/h,每天有80对列车通行。此连续梁跨越350 km/h繁忙高铁,安全风险极高。

为避免上部结构施工对高速铁路行车安全的影响,该连续梁采用平衡水平转体施工,并在主跨梁下范围安装钢结构防护棚架,对武广高铁进行安全防护。转体梁共2个T构,每个T构长78 m、重45 000 kN,转动角度均为25°。总平面布置见图1。

2 施工思路

图1 跨武广高铁转体连续梁施工平面布置(单位：cm)

图2 防护工程平面布置(单位：cm)

武广高铁是目前世界上在运营时速最高的高速铁路,任何一个微小物件进入线路内都可能造成严重安全问题,连续梁跨越其上方施工,安全隐患多,为保证安全,确定的施工思路是：(1)连续梁采用转体法施工,即在武广高铁外施工完大部分梁体,然后转体到位,最后合龙；(2)对武广高铁做棚架防护,对施工区域做隔离网；(3)仅合龙段在武广高铁线路上方施工,尽可能减少在武广高铁上方的施工时间。

图3 防护工程断面(单位：cm)

3 施工方案

3.1 安全防护

3.1.1 防护组成

防护工程由防护棚架、隔离栅栏、防抛网、挂篮封闭网等组成,平面布置如图2所示,断面如图3所示。

3.1.2 防护棚架

防护棚架由多排桁架组成,各排之间以工字钢斜撑连接,在桁架以上铺设支承工字钢和竹胶板,最后在竹胶合板上铺铁皮防水板,形成防护系统,见图4。

3.1.3 隔离栅栏

(1)在地面既有线两侧安装2.2 m高钢栅栏一道,防止人员进入既有线内。

(2)在墩身与线路间安装型钢框架防护网,防止墩身施工时人员、物件侵入既有线内。

(3)在挂篮外侧及底部焊接型钢框架,框架上安装2层密目钢板网,防止物件落入既有线内。

(4)在挂篮前移后的梁面上安装钢栏杆,栏杆内侧挂2层密目钢板网,防止人员、物件落入既有线内。

3.2 转动体系设计

3.2.1 转动体系组成(图5)

转体结构由下转盘(定磨盘)、上转盘(动磨盘)、球面钢板、转轴(磨心)、转体牵引系统组成,见图5。

图5 转体结构组成

图4 完成的防护棚架

下转盘即承台的下半部分,转体完成后,与上转盘共同形成承台,下转盘上安装环形滑道、转体拽拉千斤顶反力墩、与上转盘接合面安装阻力很小的球面钢板作为滑动面。

球面钢板共2块,分别安装于上、下转盘接合部位,是转体施工的关键。

上转盘即承台上半部分,支承墩身及梁本,为转体拽拉力提供着力点。

3.2.2 滑动面结构选择

目前常用的滑动面有3种结构形式(图6)：一是混凝土凸球面,主要用于较小重量的公路桥梁；二是平面钢板,主要用于重量较轻的桥梁；三是钢质凹球面,用于重量较大的桥梁。 3种结构各有优缺点,钢质凹球面具有承载力大、自动找中心的特点,对中心承重转体保证性强,安全性好,近年来得到广泛推广,但因其制造困难,价格高而受到限制。 3种形式滑动面各有优缺点,具体见表1。

图6 常用滑动面形式

表1 3种滑动面比较

球面钢板分为2块,下面一块安装于下转盘上,上面一块安装于上转盘上,中心为转轴,为尽量减小阻力,要求加工精度不低于Ra63、承载力满足要求、便于转体控制。

本连续梁22号、23号2个墩转体结构净重均为39 670 kN,T构纵向为平衡体、横向对承台中心偏心3cm。将转轴布置在结构重心处,考虑风载、施工因素造成结构不平衡,按10%考虑安全储备以设置平衡配重,则转体滑动面设计竖向承载能力取45 000 kN。球面钢板的大小主要受其下转盘混凝土承载力限制,因此其直径可由下式确定

式中D——下球面直径；

k——球面与下转盘接触面积折减系数,取0.66；

G——竖向承载能力,kN；

[σ]——球面板下混凝土轴心抗压强度。

上下承台采用C50混凝土,其轴心抗压强度σ=23.5 MPa,则球面钢板直径为

因工期紧,施工时采购了洛阳中船重工725研究所设计、生产的直径为3m的球面钢板。上下球面钢板均为30mm厚钢板经冲压、精铣加工制成,背部设置肋条,防止在加工、运输、安装中变形,并方便定位、加强与周围混凝土的连接。上球面板球缺高0.22m,下球面板球缺高0.24m,定位中心转轴(磨心)高800mm、直径240mm、轴套内径250mm。

3.2.3 撑脚设计

本转体结构按中心承重、平衡转体设计。梁段施工过程中的不平衡力矩由撑脚、砂箱及支架共同承担,脱架后至转体完成前,上部重力均由转盘承担,撑脚仅起安全保障作用,防止出现倾覆。

考虑梁体不平衡重量及风荷载,在最大双伸臂阶段,由上述2种荷载产生的总不平衡弯矩为17 013kN·m,偏心时按一个撑脚落于环形滑道上,该撑脚支撑反力

R=5 235 kN

撑脚采用2根φ630 mm钢管内灌混凝土焊接成1个撑脚,截面积0.62 m2,C50混凝土,撑脚应力

σ=R/S=8.44 MPa<26 MPa,撑脚满足要求。

3.2.4 转体结构动摩擦力矩及牵引力计算

3.2.4.1 力矩计算

(1)中心承重平衡转体工况

图7 摩擦力矩计算简图

转动摩擦力矩可由简化为平面圆盘模型计算得出(图7)。设圆半径R=D/2内任意一微元处半径为r,微元面积dA=rdrdθ,该微元重力dG=dAG/πR2,该微元受到的摩擦力df方向与圆半径垂直且与圆盘转动方向相反,则可通过对圆盘积分求出球铰对圆心的摩擦力矩

式中M——转动体对圆心摩擦力矩,kN·m；

G——转体总重力,kN；

R——球铰水平投影半径,m；

μ——摩擦系数。

则可计算静摩擦力矩

M1=2μ1GR/3=4 500kN·m

动摩擦力矩

M2=2μ2GR/3=2 700 kN· m

式中G——转体总重力,取45 000 kN；

D——球铰外径,D=3.0 m；

R——球铰水平投影半径,R=D/2=1.5m；

μ1——静摩擦系数,参考同类工程,取0.1；

μ2——动摩擦系数,参考同类工程,取0.06。

(2)偏心转体工况

偏心工况下,撑脚承受荷载F=5 235 kN,球铰承受荷载为39 765 kN。

则静摩擦力矩

M1=μ1(2(G-F)R/3+Fr)=5 678kN·m

动摩擦力矩：

M2=μ2(2(G-F)R/3+Fr)=3 407 kN·m

3.2.4.2 转体牵引力计算

(1)中心承重平衡转体工况

根据力矩平衡TD=M,可得转体所需牵引力T=M/D：

由2台2 000 kN连续千斤顶提供牵引力,则

启动时的启动牵引力为

2T1=2×(M1/D1)=2×562.5kN<2×2 000kN

转动时的转动牵引力为

2T2=2×(M2/D1)=2×337.5 kN<2×2 000 kN

式中M1——转体结构对转轴的静摩擦力产生的力矩,kN·m；

M2——转体结构对转轴的动摩擦力产生的力矩,kN·m；

D1——牵引力偶臂(转盘半径),D1=8.0m。

(2)偏心转体工况

启动牵引力为

2T1=2×(M1/D1)=2×710kN<2×2 000kN

转动时的牵引力为

2T2=2×(M2/D1)=2×425.9 kN<2×2 000 kN

式中M1——转体结构球面板及撑脚对转轴的静摩擦力矩,kN·m;

M2——转体结构球面板及撑脚对转轴的动摩擦力矩,kN·m;

D1——牵引力偶臂(转盘半径),D1=8.0 m。

从以上计算可知,即使出现偏心转体现象,连续千斤顶仍可满足要求。为防止出现摩擦力过大,连续千斤顶拉不动的的意外现象,备用2台1 000 kN千斤顶在撑腿处,当连续千斤顶拉不动时协助顶推。

3.2.4.3 牵引索布置

选用7-φ15.2钢绞线作为牵引索,其标准强度：fytp=1 860 MPa,n=7；单根截面面积：A=140 mm2；钢绞线锚下控制应力fk=0.75fytp=0.75×1 860=1 395 MPa。

则单束钢绞线容许应力

[T]=nAfk=1 367.1kN>744.3kN

安全系数

3.2.4.4 惯性制动距离

转动单元达到设计位置之前,连续千斤顶停止牵引,转动单元在惯性力作用下继续转动,此时动摩擦力将阻止整个转动单元继续转动并迫使其停止转动,为保证准确定位,需确定惯性制动距离,防止转过。

正常转动时,连续千斤顶油缸行程0.12m/min,转动单元的角速度为

ω=V1/r1=5×10-4rad/s

其动能为

W1=Jω2/2=ml2ω2/6=285.2 J

在摩擦力矩作用下,设止动所需要的转角为α,摩擦力矩提供W1=αM1

则α=W1/M1=0.000 106 rad

此时梁端中心线与梁体就位中线的距离

L=αr2=0.004 12 m

式中W1——梁体的转动动能；

m——转动体的质量；

M1——动摩擦力矩；

α——止动角度。

惯性距很小,可忽略不计。

4 转体施工

4.1 转体施工工艺流程

转体施工工艺流程如下：桩基施工→下承台浇第一次混凝土→下球面板及环道安装→下承台第二次浇筑混凝土→上球面板及撑脚安装→上承台浇筑混凝土→墩身及梁施工→解除转动体系约束→安装转体牵引系统→梁转体→固定转动体及补浇混凝土→梁体合龙。

4.2 转体主要结构施工

4.2.1 球面板制作与安装

球面板在工厂生产,由上、下球面板，板间四氟乙烯块，转轴，钢骨架组成。

技术要求如下。

(1)球面板的竖向承载力为45 000 kN。

(2)下球面板上镶嵌有填充聚四氟乙烯复合夹层滑板,并涂抹1∶120黄油四氟粉润滑。

(3)上、下球面板表面粗糙度不大于Ra63。加工后的球面各处的曲率半径应相等,使用样板和塞尺检查,球面与样板的误差应在0.85 mm以内。上、下球面板的水平截面应为圆形,椭圆度不大于1.5 mm。球面板边缘各点高程应相等。

(4)下球面板上镶嵌的聚四氟乙烯滑片顶面应在同一球面上,且其球心与下球面板凹球面的球心应重合。使用样板和塞尺检查,滑片顶面与样板的误差应在0.85 mm以内。

(5)与上、下球面板焊接的定位轴套中心应与转动中心重合,且钢管中心与球面截面圆平面保持垂直,其倾斜度不大于3%。

4.2.2 球面板的安装

4.2.2.1 安装精度要求

顺桥向±1 mm,横桥向±1 mm,球面板相对高差≯1 mm。

4.2.2.2 球面板骨架安装

用吊车将骨架吊入下转盘内,并粗调,然后采用千斤顶精确调整。骨架调整合格后与下转盘预留钢筋焊接牢固,固定好球面板定位骨架后,绑扎钢筋、立模。

4.2.2.3 安装下球面板

利用骨架及调整螺栓悬吊下球面板,调整位置与高程。下球面板精确定位后,再对下球面板的中心、高程、平整度进行复查,合格后对其进行固定；竖向利用调整螺栓与横梁之间拧紧固定,横向利用承台上预埋型钢固定,然后浇筑下转盘第二次混凝土。混凝土浇筑过程中不得扰动骨架及球面板。

4.2.2.4 安装上球面板

在中心轴套中放入黄油四氟粉,将转轴放到套管中,调整好垂直度与周边间隙。在下球面板上按照顺序由内到外安装聚四氟乙烯滑块,用黄油四氟粉填满聚四氟乙烯滑块之间的间隙,使黄油面比四氟滑块面略高。将上球面板吊装到位,对准中心轴轻轻套在中心转轴上。用倒链微调上球面板位置,使之水平并与下球面板外圈间隙垂直。球面板安装完毕后在上下球面板之间用胶带严密包裹,确保杂质不进入到摩擦面内。

4.2.3 滑道和撑脚安装

滑道和撑脚在工厂制作,滑道钢板厚度20 mm、宽度900 mm,滑道内外半径分别为2 800、3 700 mm。加工时按12等分加工,现场安装拼装成整体。撑脚采用φ630 mm×8 mm型Q235A钢材,底部走行钢板采用20 mm厚钢板制作。

滑道分节段拼装,利用调整螺栓调整固定。滑道调整好后,其表面相对高差不大于1 mm。撑脚按设计位置摆放到滑道上,调整走行钢板与滑道间距离为3 cm并保证平行,然后用钢楔将撑脚与滑道塞死。

4.2.4 牵引索安装

上转盘绑扎钢筋时按设计位置安装P型锚具及牵引钢索。

4.3 转体

4.3.1 主要设备

主要设备仪器见表2。

表2 转体施工主要设备、仪器

4.3.2 主要设备布置

转体施工设备布置见图8。

图8 转体施工设备布置示意

试转体前安装好钢绞线、连续千斤顶,在反力孔内插入钢棒,安装2套准备助推的反力梁,拆除砂箱、退出钢楔子解除约束,安装好1 000 kN螺旋千斤顶及限位型钢。安装助推装置前,应将环形滑道清理干净,检查滑道与撑脚间隙,撑脚走道板涂抹比例为1∶120的黄油四氟粉。

4.3.3 脱架并形成转动体系

脱架即拆除支撑和固定上转盘的支架、钢楔块,使转体重由球铰承担。当上部构造箱梁混凝土悬臂浇筑完毕,强度和龄期都达到要求,而且纵向预应力已经张拉完成,即具备了转动体系脱架的条件。脱架后,转动体系各撑脚应与滑道间有空隙,如撑脚压住滑道,则需配重平衡转动体系,保证中心承重利于转体。转动体系形成且平衡后及时在撑脚下打入钢楔块对转动体系作临时固定。

4.3.4 转体

4.3.4.1 试转体

试转体的目的：一是检验转体方案的实用性、可靠性；二是检验整个指挥系统的协调性；三是检验操作人员是否明确自己的岗位职责和协同反应能力；四是通过演练取得经验并找到差距,以便进一步改进预定的转体方案；五是为了测试连续千斤顶加载后的工作性能,并确定合理转速的油泵控制参数和停止牵引后转动体在惯性作用下可能产生的转动距离。各项试验结果符合要求后进行正式转体。

(1)提前1个月将施工方案、计划报相关铁路管理部门批准,做好防护。

(2)拆除上、下转盘间支撑沙箱,解除多余约束,全面检查转体结构各关键受力部位是否有裂缝及异常情况。通过监测标出T构的重心,若出现重心偏移,应采用配重,以满足平衡转动条件。处理完毕后转体结构静置监测,监测时间应>2 h。

(3)在下承台顶布置转体牵引系统的设备、工具、锚具，连接好控制台、泵站、千斤顶间的信号线,连接控制台、泵站电源,接好泵站与千斤顶间的油路并将设备调试完毕。

(4)人工理顺钢绞线,将钢绞线顺着牵引方向绕过转盘后穿入2 000 kN连续千斤顶,先用手持穿心式千斤顶在1～5 kN拉力下逐根对钢绞线预紧,再用连续千斤顶在2 MPa油压下对钢绞线整体预紧。

(5)打开主控台及泵站电源,启动泵站,用主控台控制2台千斤顶同时施力转体。

(6)记录试转时间和速度,根据实测结果与计算结果比对调整转速。

(7)试转体完成后,及时对转动体系进行临时固定,对现场设施覆盖保护,切断电源,专人看护。

4.3.4.2 正式转体

(1)“天窗”到来之前工作人员各就各位。 “天窗”开通后方能正式转体。转体过程中与铁路有关部门保持密切联系。

(2)根据试转体的成果指导转体,转到预定位置停止牵引。当转动体系快到预定位置时,将2台1 000 kN螺旋千斤顶、型钢、钢板对称地安放到反力孔上。当连续千斤顶牵引不动时启动本助推千斤顶。此助推装置也可为转动单元微调。转动单元就位后,在撑脚下打入钢楔子将转盘固定,防止转动体发生位移。

4.4 限位措施

在反力孔内插入钢棒,架设限位梁,防止转动体系过转。限位梁与撑脚接触位置大于设计角度1°(图9),保证有一定的调节余地,限位梁对称布置。

图9 转体限位装置

4.5 转动单元的精调

精调的目的是为了保证转体后桥体符合设计要求。在下承台顶面与纵横桥向较低位置分别安放2台4 000 kN千斤顶,对桥体的纵横向高程进行调整。在梁顶高程、纵轴线符合设计要求后,在钢撑脚下均揳入4个小钢楔子,完成T构精调。精调过程中应控制顶升力不超过设计限值,并在千斤顶顶面和上承台底面之间设置2I28型钢δ=50 mm的钢板以扩散局部应力。

4.6 锁定与上下转盘固定

精调结束后,立即在钢撑脚下焊钢楔子,在反力支座之间安放型钢反力架,对转动单元进行锁定。然后清洗滑道上的润滑剂、清理底盘上表面脏物,焊接上下承台间的预埋钢筋、钢件、绑扎钢筋,立模浇筑上下转盘间缺口混凝土,使上下转盘构成整体承台。

为保证缺口处混凝土密实,在补块混凝土施工时预埋压浆管,混凝土浇筑后24 h压浆填充。压浆管从下向上埋置,并沿滑动球面板环形安装以保证压浆均匀、密实。

5 转体施工安全措施

(1)设撑脚

上转盘设6组撑脚,撑脚内灌注C50微膨胀混凝土。撑脚中心距转盘中心6.5 m。撑脚与下滑道的间隙为30 mm。保证结构倾斜时及时支撑转体结构。

(2)加平衡重

由于梁体混凝土施工存在误差,桥面附属工程及模板安装有误差,导致T构存在偏心,通过称重测出偏心矩大小和方向,采用在较轻一侧增加配重平衡,消除偏心,保证T构在平衡状态下转体。

(3)设平衡千斤顶

转体时,在下转盘环道外对称布置4个4 000 kN千斤顶,当转动体系出现偏心时及时将低的一侧顶升纠偏至平衡状态。

6 结语

本桥连续梁采用转体法施工,由原位现浇需数百次要点施工减少到十几次要点施工,大大降低了安全风险,缩短了工期,取得了良好的社会效益和经济效益。

[1] 中铁第四勘察设计院集团有限公司.武咸城际铁路跨武广客专特大桥连续梁变更设计[Z].武汉：中铁第四勘察设计院集团有限公司,2010.

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