哈大客运专线运粮河特大桥连续梁转体施工设计

盖小红

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥隧处，西安 710043)

1 概述

哈大客运专线运粮河特大桥838～839号墩在DK913+321.63处上跨既有哈大线［1］，跨线段桥梁上部结构为(60+100+60)m现浇预应力混凝土连续梁，下部结构为圆端形桥墩，钻孔桩基础。既有哈大线为Ⅰ级双线电气化铁路，哈大客运专线与既有哈大铁路两线夹角为24°。主桥平面布置见图1。

图1 转体部分主桥平面布置(单位:cm)

本桥若采用挂篮悬臂跨线现浇施工，因两线夹角小，净空受限，势必加大挡护与防护工程量，且与既有线行车运营干扰大，施工工期长。鉴于上述因素，设计采用平行于既有哈大铁路挂篮悬臂浇筑连续梁0号～13号块，然后平转法进行转体施工并合龙。转体立面布置见图2。

图2 转体部分主桥立面(单位:m)

2 主要构件构造及设备规格

2.1 转动体系的构成

平转法转动体系主要由转动系统、顶推牵引系统和平衡系统3大部分构成［6］。转动系统由上转盘、下转盘和转动球铰构成，通过上转盘相对于下转盘转动，达到转体目的;顶推牵引系统由牵引设备、牵引反力支座、顶推反力支座构成;平衡系统由球铰、上转盘、大吨位千斤顶及梁顶悬臂端放置的2 m3的备用水箱构成。转动体系立面布置见图3，下转盘平面布置见图4。

图3 转动体系立面布置(单位:cm)

图4 转动体系下转盘平面布置(单位:cm)

2.2 转动系统设计

转动系统为球铰支承与撑脚支承相结合，转体结构处于平衡状态为球铰支承，发生倾斜时为球铰与撑脚共同支承。球铰选用725所设计生产的73 000 kN转体球铰，球铰平面直径D=3.0 m，设计最大静摩擦系数为0.1，最大动静摩擦系数为0.06。球铰分为2部分，上球铰镶嵌于上转盘磨心圆弧部分，磨心直径φ=3.8 m。下球铰嵌于下转盘内，通过型钢托架与下转盘固定。

2.3 平衡系统设计

在上转盘上沿φ6.6 m的圆周设置8对φ0.7 m的钢管混凝土圆形撑脚，钢管壁厚5 mm，管内充填C40纤维混凝土。

环形滑道由2部分组成，表层为厚5 mm的四氟板，下面为厚5 mm的不锈钢板。四氟板通过环氧树胶粘贴于不锈钢板上，不锈钢钢板镶嵌于下转盘打磨好的环形滑道槽内，滑道槽表面平整度及高程误差控制在1.0 mm以内。撑脚与滑道空隙为10 mm。在转体过程中，当转体发生倾斜，撑脚支承于滑道上，与球铰构成多点支承。

为了防止转体施工过程中发生意外竖向塌落，保证安全转体，在下转盘上沿滑道两侧各设置了8个助推反力支座，助推反力支座沿圆周方向夹角为12°，径向厚度40cm。平衡转体时助推反力支座为助推千斤顶提供支反力，当转体发生竖向塌落时，助推反力支座进一步起到支撑转体结构的作用。

2.4 牵引系统设计

成功转体的关键是转体启动时能否克服球铰的静摩擦力，转动过程中能否克服球铰的动摩擦力。基于此牵引设备由2台ZLD100型连续千斤顶及两台YCW100型备用助推千斤顶组成。助推千斤顶主要用于克服静动摩擦力的差值，以保证连续千斤顶均匀加力。同时助推千斤顶还起调整转体运行姿态的作用。

3 转体结构受力分析及计算

3.1 空间计算模型

连续梁梁体、墩身及上、下盘按梁单元对结构进行离散。桩基按等刚度弹簧模拟进行弹性支承约束。空间计算采用Midas程序计算。

3.2 结构不平衡荷载

3.2.1 梁部施工误差荷载

梁部考虑2.5%的施工误差导致结构自重失衡，由梁部悬臂对称中心位置起一侧梁部自重按设计理论重力增加2.5%，另一侧重力减少2.5%。通过调整悬臂现浇梁段的材料容重γ值来实现施工误差导致结构不平衡荷载的加载。

3.2.2 风荷载

风压强度计算公式［3］采用

式中 W——风荷载强度;

W0——基本风压值，取 W0=750 Pa;

K1——风载体形系数;

K2——风压高度变化系数;

K3——地形、地理条件系数。

悬臂一侧按风压强度的50%加载，另一侧按100%加载。

3.3 球铰处内力计算成果

838号墩磨心处内力计算成果见表1。

表1 838号墩磨心处内力计算成果

3.4 球铰计算

3.4.1 球铰竖向承载力计算

工况1:转体处于平衡时，结构竖向力全部由球铰承担，N球=N=61 400.8 kN。

工况2:转体倾斜时，结构竖向力由球铰与撑脚共同承担，N球=N－N2=N－M/R=61 400.8－25 924.6/3.3=53 544.9 kN，式中，R为撑脚距球铰中心的半径。由上知工况1控制球铰竖向承载力。考虑15%的安全储备，球铰的竖向承载力按73 000 kN选择型号。

3.4.2 球铰的设计直径

式中 D——球铰平面直径;

N——球铰的设计竖向承载力;

K——球铰接触面积折减系数，取0.65;

［σa］——球铰下混凝土的标准抗压强度。

经计算D=2.35 m，设计取3 m。

根据上述计算分析结果，球铰选用725所设计生产的73 000 kN转体球铰，球铰平面直径3 m，设计最大静摩擦系数为0.1，最大动静摩擦系数为0.06。

3.5 上转盘计算

上转盘力学模型简化为跨中铰支承，端部撑脚支承的简支外伸梁见图5，按钢筋混凝土构件进行截面设计，这里不再详述。

图5 上转盘力学模型计算图式(单位:cm)

由表1知，主+纵向风力组合时所产生的不平衡弯矩最大，即 M=G×e=25 924.6 kN，当 G=61 400.8 kN时 e=0.42，N2=25 924.6/3.3 =7 855.9 kN(双肢撑脚竖向压力)。上转盘控制截面最大弯矩 M上=7 855.9×(3.3－0.42)=22 625.0 kN·m。上转盘截面尺寸为8 m×9.6 m，底面水平双向各布置66根φ28 mm的钢筋，钢筋间距为12 cm左右，计算求得混凝土σh=3.2 MPa，受拉钢筋重心处应力σg=161.1 MPa，裂缝宽度ωf=0.177 mm，均满足要求。

3.6 牵引系统计算及设备选型

3.6.1 牵引力及助推力计算分析

工况1:转体处于平衡状态，当施加的外力偶矩大于球铰处摩擦力产生的阻力力矩时，转体发生转动。转体启动及转动时，阻力矩分别由静摩擦力及动摩擦力产生。为使连续千斤顶加力均匀可控，转体做匀速转动，避免转体剧烈振动，动摩擦力矩由连续千斤顶克服，静摩擦力矩与动摩擦力矩的差值由助推千斤顶克服。

牵引力计算

助推力计算

工况2:转体失去平衡，撑脚与滑道接触时，阻力矩由球铰动摩擦力矩及撑脚摩擦力矩组成。

牵引力计算

助推力计算

式中，T1为牵引力;D为牵引力偶臂;G为球铰处竖向压力;M1为球铰处动摩擦力产生的阻力矩;M2为撑脚处动摩擦力产生的阻力矩;f1为球铰处动摩擦系数;f2为滑道处动摩擦系数;T2为助推顶力;Mj1为球铰处静摩擦力产生的阻力矩;Mj2为撑脚处静摩擦力产生的阻力矩;fj1为球铰处静摩擦系数;fj2为滑道处静摩擦系数;R1为撑脚中心线至转动中心的距离。

计算成果及牵引设备选用型号见表2。

表2 838号墩计算成果及牵引设备选用型号

3.6.2 惯性制动距离计算

为使转体准确就位，转体停止施加外部牵引力时，由于其自身惯性将继续滑动一段距离后才静止，此距离称惯性制动距离。准确计算出惯性制动距离，将有助于转体平稳一次就位。计算原理将转体简化为一个重G的刚体沿球铰半径2/3的圆周转动，当转体由动变静时，根据能量守恒原理，摩擦力所做的功应等于转体由动变静的动能。

工况1:转体处于平衡时

连续梁悬臂梁端设计线速度V1=1.1 m/min，梁端至转动中心的半径为R=49 m，球铰半径r=1.5 m，球铰2/3处的线速度V2=1.1/49×(2/3×1.5)=0.022 4 m/min，则转体的动能

设止动所需的转角为α，则摩擦力所做的功为

则惯性制动距离L=Rα=49×0.004 2=0.2 m

在止动阶段，当连续梁梁端与所要转位的实际位置相差0.2 m时应停止外力牵引，利用惯性就位。

工况2:转体失去平衡时，则摩擦力所做的功为球铰与撑脚摩擦力所做功的和。经计算其惯性制动距离为0.15 m。

4 结语

连续梁转体施工能很好地解决梁体施工与所跨建筑物运营干扰的问题［4］，有效地缩短了桥梁施工工期，减少了对既有建筑物的防护工程。连续梁转体设计中应贯彻安全第一，防患措施全面的设计思想。

［1］中铁第一勘察设计院集团有限公司.运粮河特大桥838～839号墩转体部分桥设计［Z］.西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司，2009.

［2］中华人民共和国铁道部.TB10002.3—2005 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［3］中华人民共和国铁道部.TB10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［4］胡素敏.转体施工方法及发展应用［J］.交通世界，2008(1):129-130.

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