小半径曲线转体桥调偏心研究

田山坡

（中国铁路设计集团有限公司，天津市 300251）

0 引言

随着我国基础设施建设的快速发展，出现了很多立交桥梁上跨铁路的情况，城市立交桥匝道经常位于小半径上，由于目前缺乏相关的设计经验和资料，设计时往往尽量调整线形避免这种情况。然而这种做法不仅会降低平面的线形指标、影响行车舒适性、增加造价，而且易造成安全事故，影响桥梁的美观。

当前转体刚构桥为跨越既有繁忙铁路干线尤其是高速铁路的首选方案，而地震高烈度区小半径曲线转体桥梁的设计在国内还是空白。目前急需开展对跨铁路小半径曲线转体桥的受力特点、转动体系和结构构造等方面的研究。现以太原市北中环线工程跨石太客专及石太线立交桥项目为例，针对小半径转体桥的调偏心技术展开研究[1-2]。

1 工程概况

跨石太客专及石太线立交桥工程是太原市北中环涧河立交桥的一部分。S E匝道沿规划道路线位走向，自西向东需依次跨越石太下行、石太客专上行、石太客专下行、石太下行等铁路线。跨铁路处为减小对既有铁路运营的干扰，该工程采用方案为转体施工T形刚构，转体墩设在铁路西侧，顺铁路施工刚构桥，梁部采用钢箱梁，墩梁固结，完成预制后向铁路部门要点90 min，一次转体就位，再现场拼接边跨2.5 m后拼段。

上部结构为（45+44.996）m变高度钢结构箱梁转体T构，梁全长89.996 m，箱梁采用单箱双室截面，T构中间支点处梁高4.5 m，边支点梁高1.8m，梁底线形按二次抛物线变化。转体部分跨径组合为（42.5+42.5）m，预留后拼段 2.5（2.496）m；桥梁为整幅设桥，桥面宽10.0m。桥梁的布设以整个施工过程结构与接触网带电部分的平面距离不小于5m、高度不小于0.7 m，并且不侵入现状铁路允许限界为基本原则，同时考虑预留足够的安全距离。下部结构主墩采用矩形墩，截面尺寸为4 m×5 m，墩柱下接转动系统、承台，钻孔灌注桩基础，桩径1.5 m，5根，长65 m。转体桥平面和立面布置图如图1和图2所示。

图1 转体桥平面布置图

图2 转体桥立面布置图（单位：cm）

2 转体施工流程

主桥采用转体法施工，外侧防撞护栏与防护屏施工完成后整幅转体，跨线处一次转体就位，其他部分为支架拼装施工。其主要流程如下：

（1）进场后，整平场地，开挖基坑，施工中墩桩基，施工下转盘。

（2）施工中墩上转盘及墩身，顺铁路两侧搭设支架并预压支架。

（3）支架上拼装钢箱梁，浇筑桥面外侧防撞护栏，安装防护屏。

（4）拆除支架，使T构处于悬臂状态。

（5）对转体结构进行纵横称重，实测其重心位置，必要时进行配重。

（6）对转体结构进行试转，试转约7°，确定转体的各项参数。

（7）进行正式转体，速度0.018～0.02 r/min，一次转体就位，转体90°转体作业时间约90 min。

（8）根据监控数据调整梁体姿态，锁定上下转盘，对转体结构进行固封。

（9）施工后拼段、桥面系，成桥。

另外在施工期间应对铁路设施实施必要的安全监控工作，转体时对风速的要求是不大于8m/s（相当于5级），转体分为预转体和正式转体两次进行。

3 调偏心设计

3.1 调偏心方案对比

调偏心方式根据配重方式的不同可分为平衡配重调偏心和不平衡配重调偏心两种。

3.1.1 平衡配重调偏心

为保证转体系统纵横向均达到平衡状态，应绝对保证其纵横向重量相一致，但在实际的转体施工中，上部结构保持绝对平衡会使转体系统的重量全部落在球铰上，这会引起梁端在转动过程中发生幅度较大的抖动，将不利于转体的平稳性要求[3]。若采取该配重方案，应减小撑脚与滑道的间隙，提高施工安装精度，使梁体稍有晃动时即能通过撑脚支撑在滑道上[4]。

3.1.2 不平衡配重调偏心

在转体过程中上部结构重心与球铰转动中心不重合，球铰与滑道之间存在接触，球铰与撑脚共同支撑转体系统，增加了转体系统在转动过程中的稳定性。由于撑脚与球铰均有受力，增加了转体启动时所需的牵引力。另外须注意，配重后的偏心距满足5 cm≤e≤15 cm的要求[4]。

该工程为小半径曲线转体桥，其钢箱梁横向不平衡弯矩很大，对调偏心控制严格，否则极易引起桥体倾覆。故采用平衡配重调偏心转体施工方案，即对转台的转动中心与桥墩中心预设定1.70 m的偏心距，并在转动系统的上转盘施加永久配重和临时配重，以实现转体系统上部结构重心与转动中心重合。

3.2 调偏心计算

该工程采用MIDAS/Civil进行施工阶段计算。该阶段荷载分为钢箱梁、墩柱、上转盘、防撞护栏及防护屏自重荷载。因桥面铺装为转体施工结束后进行，故转体阶段不予考虑。防撞护栏及防护屏荷载按单侧每延米12.8 kN考虑；括号内数据为不考虑上转盘荷载的情况。具体计算见表1。

表1 转体施工阶段荷载及偏心计算

3.2.1 预设偏心

转体系统的预偏心不宜过大。对转台的转动中心与桥梁的结构中心预设定1.70 m的偏心，预设偏心弯矩为12 935 kN·m×1.7 m=21 990 kN。预设偏心如图3所示。

图3 预设偏心示意图（单位：cm）

3.2.2 永久配重（配重台）

转体预设1.70 m偏心后，桥梁整体偏心较大，因此在桥梁曲线外侧上转盘设置混凝土永久配重台，配重混凝土总重为10.45m2×2m×2 500 kg/m3=5 225 kg，配重混凝土偏心弯矩为522.5 kN×4.4m=2 300 kN·m。永久配重如图4所示。

图4 永久配重示意图（单位：cm）

3.2.3 临时配重

为了确保桥梁转体的顺利进行，转体前应进行转动体称重试验，测试转动体部分的不平衡力矩对转体桥转动体系依然存在的偏心。由于桥梁位于曲线上，尤其应注意横向的称重，以满足桥梁转体配重的要求。最后根据称重试验结果增加临时配重量。

3.2.3.1 平衡称重的原理

当上部机构脱架完成后，整个梁体的平衡表现可能为两种形式之一：其一，转动体球铰摩阻力矩MZ大于转动体不平衡力矩MG，梁体不发生绕球铰的刚体转动，体系的平衡由球铰摩阻力矩和转动体不平衡力矩所保持；其二，转动体球铰摩阻力矩MZ小于转动体不平衡力矩MG，梁体发生绕球铰的刚体转动，直到撑脚参与工作，体系的平衡由球铰摩阻力矩、转动体不平衡力矩和撑脚对球心的力矩所保持[5-6]。

（1）转动体球铰摩阻力矩MZ大于转动体不平衡力矩MG。

设转动体重心偏向A侧，在B侧承台施加顶力P1。当顶力P1逐渐增加到使球铰发生微小转动的瞬间，有

设转动体重心偏向A侧，在A侧承台施加顶力P2。当顶力P2逐渐增加到使球铰发生微小转动的瞬间，有

解方程（1）和（2），得到不平衡力矩：

（2）转动体球铰摩阻力矩MZ小于转动体不平衡力矩MG。

设转动体重心偏向A侧，此种情况下，只能在A侧承台实施顶力P2。

当顶力P2（由撑脚离地的瞬间算起）逐渐增加到使球铰发生微小转动的瞬间，有

当顶升到位（球铰发生微小转动）后，使千斤顶回落，设P′2为千斤顶逐渐回落过程中球铰发生微小转动时的力，则

解方程（4）和（5），得到不平衡力矩：

3.2.3.2 临时配重方案

称重前大里程侧防护屏已完成施工，小里程侧防护屏暂未安装，结合实际情况理论计算不平衡弯矩为2 100 kN·m。称重前根据原定施工配重设置方案在梁体曲线外侧的配重台施加了37.5 t混凝土，对球铰中心线力矩为1 800 kN·m，达到了理论计算不平衡弯矩的86%。理论剩余不平衡弯矩为300 kN·m，偏心距为1.7 cm。

根据最终实际称重试验结果，实际不平衡弯矩与理论计算基本相符，差异很小，最终确定不再增加额外配重量。

4 结语

小半径曲线转体桥横向偏心较大，施工精度要求高，转体施工难度大。通过转台的转动中心与桥梁的结构中心设定1.70 m的偏心距，同时结合上转盘永久配重、临时配重技术，采用平衡配重调偏心方法实现了对转体系统偏心的调整，为小半径曲线转体桥调偏心设计及施工提供技术借鉴。目前，该工程已顺利施工结束，其工艺达到预期，说明此方案效果比较理想。

参考文献：

[1]张联燕.桥梁转体施工[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2]罗鹏.秦皇岛城市西部快速路跨京哈铁路桥梁转体施工技术[D].成都：西南交通大学,2011.

[3]郝树林.跨铁路既有线转体桥施工技术研究[D].北京：北京建筑工程学院,2012.

[4]张雪松.（67+67）m曲线T形刚构桥转体施工监测与控制技术研究[D].石家庄：石家庄铁道大学,2012.

[5]程海根,李康,蔡裕.大跨径曲线桥转体不平衡称重试验[J].高速铁路技术,2014，5（1）：15-20.

[6]宋满荣,刘炳康,杨玉龙,等.跨大秦铁路大桥转体称重试验及配重研究[J].世界桥梁，2015,43（6）：63-67.