铁路大跨度转体施工T构桥设计研究

谢晓慧

摘 要：以国内最大跨度和吨位的铁路转体T构桥—武黄城际铁路2×115 m转体T构桥为工程背景，介绍该桥型在跨越既有铁路的优点。结合该桥的设计与研究，提出了一次转体成桥施加上顶力的施工方案；从大桥的主要结构构造、体系受力、墩梁结合部位的复杂受力情况及转动体系的设计研究等方面叙述了大跨转体T 构桥的主要力学特点和结构性能。

关键词：铁路桥 大跨度T构桥 转体施工 转动体系

中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）02（a）-0023-03

桥梁转体施工是指将桥梁结构在非设计轴线位置施工成形后，通过转体就位的一种施工方法。通常情况下，桥梁施工作业在桥梁所跨越的障碍上空进行，采用了转体施工后，桥梁施工作业空间可以从障碍上空转移至岸上或者地面[1]。跨越既有铁路、公路、航道的桥梁，桥梁施工作业空间可以转移至平行于铁路、公路、航道的一侧，避免了桥梁施工对铁路、公路、航道的干扰[2]。

该文以武黄城际铁路余家湾上行特大桥2×115 m转体T构桥为背景，对铁路大跨度转体T构桥的构造、结构受力、施工过程及控制措施等进行了研究。

1 工程概况

武黄城际铁路余家湾上行特大桥跨越京广上、下行线及车站到发线等共五股道，新建线路与既有铁路夹角28°，为保证既有铁路运营安全，减少对既有铁路的影响，主桥采用2×115 m大跨度转体T构桥。先平行于既有铁路采用满堂支架法完成T构施工，然后平转28°至既有铁路上空。

梁部为变高度预应力混凝土箱梁，单箱单室直腹板截面，主墩墩顶处梁高为1 180 cm，边支点处梁高为440 cm。箱梁底缘按1.8次抛物线进行过渡变化。箱梁顶板宽900 cm，厚35 cm，底板宽600 cm，厚38～146 cm，腹板厚45～120 cm。主梁为预应力混凝土结构，采用C55高强混凝土。

主墩为钢筋混凝土结构，采用矩形空心墩，墩高5.0 m，墩身纵向长8 m，横向宽7.4 m。承台为矩形截面，纵、横向尺寸均为15.2 m，高6.8 m。根据转体施工的需要，承台混凝土分成了上转盘、下转盘、封铰混凝土3部分。钻孔桩采用9根直径2.5 m桩。

余家湾上行特大桥2×115 m转体T构，一次转体桥长231.6 m，转体重量145 000 kN，是目前国内转体施工的跨度最大，吨位最重的铁路T构桥。

2 结构分析与研究

鉴于转体施工的特殊性，需要结合施工过程对桥式结构进行受力特性分析与研究。T构桥属对称结构，非常适合于自平衡平转，转体时一般无需配平衡重，降低了施工的难度及风险。

2.1 施工方案分析研究

T构桥的常规转体施工方法是在边墩处梁端设后浇段，即预留梁端段未浇筑，待主桥先浇部分转体就位以后，再搭支架浇筑端部梁段，主桥经两次浇筑完成。该方案的缺点是梁端的现浇通常在靠近既有线的地方进行，仍然会对既有线运营的有一定的干扰，且需要增加梁的跨度，施工过程也相对繁琐。

结合工程环境，从施工的安全稳定性、结构受力合理性及工程经济性等方面对施工方案进行综合分析，研究出一次转体成桥方案：T构桥的主梁及主墩，在桥梁转体以前全部浇筑完毕，桥梁转体以后，在梁端施加上顶力，然后安装支座，上顶力转化为支反力，再张拉剩余预应力钢束后即可成桥。

一次转体成桥方案，全桥均在远离既有线的地方浇筑完成，对既有线运营的干扰较小，简化了施工过程，减少了桥梁的跨度，节省了工程投资。

2.2 主梁受力分析及梁端上顶力

转体T构桥施工过程中主梁承受的弯矩以负弯矩为主，主梁的受力类似于悬臂梁；施工阶段的最大负弯矩出现在主梁落梁后及转体过程中，主梁呈最大悬臂状态；转体到位后，可利用梁端上顶力改善主梁的受力，减小恒载作用下主梁的负弯矩。

通过施加梁端上顶力，增大梁端支座的支反力，可以避免出现拉力支座，取消梁端压重；梁端支反力的增加，主梁的正弯矩相应增加，负弯矩则相应减小，而大跨度转体T构桥的主梁受负弯矩控制，所以施加梁端上顶力可以改善结构受力。

因此，在大跨度转体施工T构桥的设计中，应根据转体过程中桥梁的受力情况，确定桥梁的结构尺寸及主要的预应力钢束布置形式，在结构尺寸及主要的预应力钢束得以确定的前提下，再调整梁端上顶力的数值，改善桥梁受力，确保运营阶段的结构受力及结构检算满足规范要求且有适当富余。

2.3 墩梁结合部空间应力分析

主墩与主梁固接处，是连续刚构桥的关键部位，此处结构构造和应力分布都比较复杂， 需要在全桥总体分析的基础上，对该区域应力分布情况进行详细的空间分析[3]。在墩梁固结区沿纵桥方向选取26 m来研究，建立墩梁固结区的空间实体有限元分析计算模型。

图1～2为腹板中心截面的正应力沿梁长的分布，可以看出：墩梁结合部由于受刚臂墩和横隔板的影响，该处主梁顶板混凝土的正应力峰值没有发生在最中间的支点，而是发生在主墩边缘和主梁相交处，进入主墩范围后正应力变小；底板正应力峰值也发生在主墩外的倒角位置，削峰效应明显。主墩范围以外腹板沿高度的正应力基本上按线性分布，主墩范围内的纵向正应力，沿梁高方向的应力梯度不明显，全截面均受压。

图3为横截面的剪应力分布图，可以看出：变截面梁横截面上的最大剪应力并不发生在截面重心轴处，而是发生在重心轴以下区域或梁底缘处，这与等高度箱梁有所不同，所以应考虑梁高、底板厚度、腹板厚度沿跨度的变化所引起的附加剪应力的影响。

大跨度转体T构桥变高度箱梁的底板所受的剪应力较大，为了合理设计变截面箱梁，应加强底板配筋及构造处理，且不应采用薄底板，所以该文中的2×115 m转体T构桥箱梁根部的底板厚度梁高的1/7.5，墩梁结合部底板厚度进行了过渡并与桥墩连接时加倒角，有效的减小了底板的剪应力值。

2.4 转体体系设计研究

转体体系是转体桥梁的重要组成部分，转体体系应当具备以下性质，才能保证转体的顺利进行：（1）在桥梁转体时，转体体系承受桥梁上部的荷载，并将荷载传递给基础，因此，转体体系须具备足够的承受荷载的能力；（2）为满足桥梁转体的需要，转体体系须具备良好的转动性能，这是确保桥梁转体成功的关键因素；（3）转体体系应具备良好的保持平衡能力，以保证在受到外界干扰的情况下仍能保持稳定；（4）转体体系应具备较小的摩擦系数和强大的动力牵引系统[4]。

大跨度T构桥的转体施工属平面转体，其转体体系主要由支承系统、平衡系统、转动牵引系统组成。支承系统由上转盘、转体球铰、下转盘组成；平衡系统由撑脚、滑道组成；转动牵引系统由牵引动力系统、牵引索、反力支座、锚固构件组成。转体体系示意图见图4。

余家湾上行特大桥转体体系主要尺寸：上转盘长13 m，宽13 m，高2.5 m；下转盘长15.2 m，宽15.2 m，高3.4 m；转体球铰吨位为14 500 t。

对整个转体体系建立有限元实体进行分析计算。转体体系上、下转盘主要以受压为主，最大压力应力小于7 MPa，局部范围出现较小的拉应力，拉应力数值较小，小于0.5 MPa；主拉应力亦小于1 MPa，均满足规范要求且有较大的富余。

3 结语

该文的的主要研究结论如下。

（1）采用一次转体、不设置梁端现浇段、边墩顶梁就位的大跨度转体T构桥方案，减少了对既有铁路运营的干扰和影响。

（2）大跨度转体T构桥，转体过程中桥梁的受力为控制工况，据此确定结构尺寸及主要的预应力钢束布置形式；然后通过调整梁端上顶力的数值，来满足运营阶段的结构受力要求。

（3）墩梁结合部受刚臂墩和横隔板的影响，该处主梁顶板、底板的正应力有明显的削峰效应。

（4）大跨度T构桥变高度箱梁，剪应力一般并不发生在重心轴处，而是在梁下部区域或底缘处。为了合理设计变截面箱梁，不应采用薄底板，而且应加强其配筋及构造处理。

（5）转体结构上、下转盘主要以受压为主，转体体系须具备良好的转动性能、保持平衡能力。

参考文献

[1] 中铁第四勘察设计院集团有限公司.铁路大跨度转体T构桥关键技术研究与实践[Z].2012.

[2] 宁继康.2×116 m大跨度连续T构转体施工技术[J].石家庄铁路技术学院学报，2011，10（1）：1-6.

[3] 许惟国，何广汉.大跨度连续刚构桥墩梁结合部的试验研究[J].桥梁建设，2003（5）：1-4.

[4] 李的平.大跨度T型刚构连续梁转体体系设计[J].工程建设与设计，2013（9）：95-97.