跨京九铁路立交桥转体设计与施工探讨

韩冬卿

(中电建冀交高速公路投资发展有限公司，河北 石家庄 050000)

0 引言

跨越既有线路的桥梁施工有预制拼装法、顶推法、转体法等方法。目前转体法应用最为广泛，尤其在跨越繁忙运输的铁路线路时应用优势最明显[1-5]。但目前针对转体桥设计和施工的系统性研究较少，本文以津石高速上跨京九铁路转体立交桥为例，对转体桥的总体设计、结构力学性能、施工方案进行了研究，同时对现场进行监控量测，为本工程安全顺利施工提供必要条件。

1 工程概况

津石高速公路(津冀界至保石界段)上跨京九铁路立交桥工程位于沧州市任丘市于村乡东陵城村南，地形起伏不大，交通便利。桥梁全长490 m，主桥桥面整体式布置，桥梁全宽33.5 m。上跨主桥与既有京九铁路相交，交点处京九铁路下行线里程K136+782.281，交角73.3°，交点处文安与任丘区间公路里程K61+662.778。主桥跨度布置为2×65 m连续T构，采用大节段现浇、转体法施工，转体重量约14 510 t。转体桥与铁路位置关系如图1所示。

图1 转体桥与铁路相对位置关系图(桥梁结构尺寸单位：cm，其余尺寸单位：m)

2 转体设计

2.1 总体设计

设计范围起点里程为K61+383，终点里程为K61+873，均位于R=5 700 m圆曲线上。纵断面控制因素为既有京九铁路，最高点设于铁路两股道附近，变坡点里程为K61+680，变坡点高程为26.9 m。小里程侧纵坡采用2.0%，大里程侧纵坡采用-2.0%，竖曲线半径为20 000 m。标准横断面：0.5 m(防撞护栏)+15.63 m(净宽)+0.382 m(防撞护栏)+0.476 m(隔离带)+0.382 m(防撞护栏)+15.63 m(净宽)+0.5 m(防撞护栏)，桥面总宽度为33.5 m。

2.2 主桥结构设计

2.2.1 主桥上部结构

跨越京九铁路的主桥采用2×65 m T构，主桥上跨截面形式为单箱三室斜腹板箱型，中支点梁高6.5 m，端部梁高3.3 m，长4.95 m；箱梁顶板总宽为33.5 m，厚28 cm；悬臂板各长4.0 m，端部厚20 cm，根部厚70 cm。箱梁顶板中墩顶和边支点位置处厚度增加至55 cm，底板厚70 cm，边板及中腹板厚均为60 cm。中支点对应的墩身顶横隔板厚360 cm，边支点的横梁厚150 cm。主桥预应力体系采用Ⅱ级低松弛高强钢绞线。箱梁断面如图2所示。

图2 箱梁断面图(cm)

2.2.2 下部结构

T构中墩采用尺寸为3.6×(8.0～12.0) m矩形截面墩梁固结。转动体系采用环道与中心支承相结合的结构；基础为钻孔灌注桩，桩径为1.5 m，共25根。

边墩为柱式墩，盖梁采用钢筋混凝土盖梁，宽2.5 m，高1.8 m，横向布置3个墩柱，直径为1.8 m。下接实体式承台，厚2.5 m。基础由8根钻孔灌注桩组成，桩径为1.25 m。

2.2.3 转铰设计

主要由上下转盘、转体支座和牵引系统组成转体结构。

(1)转体下盘

转体过程中下盘需要承担所有转体结构的全部重量，待完成转体后，上下转盘才共同承担上部所受全部荷载。由于前期所有荷载较大，因此下转盘需要采用高标号C50混凝土进行设计，其上设置转体支座、反力座、环形滑道等。转体下盘如图3所示。

图3 转体下盘示意图(cm)

(2)转体支座

转体支座采用转体球型支座，承载能力≥160 MN，组合高度为330 mm，分上下两片。转体支座是转动体系的关键部位，尤其是转动球铰，要求制作精度和安装精度非常高。转体支座示意图如图4所示。

图4 转体支座示意图

(3)转体上盘撑脚与滑道

转体的上盘撑脚被称为保险腿，这是由于转体时上盘撑脚是主要支撑结构。在转体时，对称的2个保险腿中心线重合，使得8个保险腿在纵轴线的两侧对称分布。保险腿可在撑脚下方的滑道内滑动，滑道宽1.2 m，径宽7.3 m，用于保证转体平稳，同时滑道面应保持同一高度，误差不超过2 mm。

上转盘下设有8对置于24 mm厚钢板上的双圆柱形撑脚，圆柱为1对，直径800 mm，厚16 mm，内有浇筑C50微膨胀混凝土的钢管。在上转盘安装时，考虑到转体结构与滑道的间隙问题，撑脚下需支垫20 mm厚钢板，转体时再及时抽掉垫板，如图5所示。

图5 转体上盘撑脚与滑道示意图(cm)

(4)转体上盘

转体上盘在转体时受力状态复杂，是转体体系的重要组成部分。上盘长宽均为9.5 m，高3.0 m。转台直径略小于上盘的圆形结构，直径8.5 m，高0.7 m。转台是施加转体牵引力的直接结构，通过支座、撑脚将力传递给上盘。其工作原理是通过在转台内预埋锚固P型锚具的牵引索，锚固端与圆心对称在同一直线上，并与预埋高度和牵引方向相一致。埋置于转台内的牵引索长度应≥5 m，出口点与转盘中心对称。外露的牵引索需做好防护措施，缠绕在转盘上。当条件达到允许时，进行转体体系转换，施加转动力矩，转台转动，如图6所示。

图6 上转盘示意图

2.3 转体结构力学性能计算

2.3.1 牵引力、安全系数计算

本桥转体总重量W为145 095 kN，其摩擦力计算为F=W×μ。按照规范，转体启动时静摩擦系数取值为0.05，转动中动摩擦系数取值为0.03，则计算可得静、动摩擦力F分别为7 251 kN、4 353 kN。

则转体拽拉力计算见式(1)：

T=2/3×(R·W·μ)/D

(1)

式中：R——球铰平面半径，取值为1.75 m；

W——转体总重量，取值为145 095 kN；

D——转台直径，取值为8.5 m；

μ——球铰摩擦系数，静、动摩擦系数取值分别为0.05、0.03。

根据以上计算可得，启动时及转动过程中所需的牵引力分别为995.8 kN、597.5 kN。根据以往经验，实际施工中测出的摩擦系数小于设计值。因此转体选用2套ZLD200型牵引系统，最大牵引力为4 000 kN，使得转动体系转动，启动时安全系数为4.01，转动时安全系数为6.69，满足转体要求。

2.3.2 转体时间计算

根据转体角度74°及上转盘直径8.5 m。转动上转盘74°对应弧长=π×D×74°÷360°=3.141 59×8.5×74°÷360°=5.489 m。计算出钢绞线牵引长度L=5.489 m+受力伸长值L1。L1对转体时间的影响可忽略不计。

正式转体时，转动角速度为0.02 rad/min，则转体时间T=(74÷180×π)/0.02≈65 min。根据试转体成果，考虑精调时间，转体到位后临时锁定撑脚转盘，调整位置及标高、刚性支撑锁定，共计用时90 min。则完成74°转体所需时间t≈90 min。

2.3.3 钢绞线安全系数计算

1 860 MPa级φ15.2 mm钢绞线的标准破断力为260 kN。钢绞线的极限承载为：17×260=4 420 kN。转体时两束钢绞线同时受力。启动时牵引索钢绞线的安全系数K3=4 420×2/995.8=8.88；转动过程中牵引索钢绞线的安全系数K4=4 420×2/597.5=14.8，满足要求。

3 转体施工与监控量测

3.1 转体施工

3.1.1 梁体转动过程分析

对转体结构进行试转，设计以0.02 rad/min速度进行转动，共转动73.5°，时长为64 min，预留3°～5°采用点动转体，以保证梁体转位准确。结构重心：转体施工前调整结构偏心误差≤0.10 m；平转角度：约74°(以施工时实际测量数据为准)；平转速度：角速度ω≤0.02 rad/min；梁端部水平线速度υ≤1.2 m/min。

3.1.2 箱梁位置的控制

桥面两端头中心轴线合龙前2 m内时，监测点人员需每隔10 cm给控制台报告一次监控数据；当桥面两端头中心线合龙前30 cm内，则每1 cm报告一次数据给控制台；当到达合龙前5 cm内时，则要求每1 mm报告一次，以保证控制台精准掌握转体情况，达到转体要求。

3.1.3 定位

转动最后阶段，利用千斤顶调整梁体姿态，使得梁体中心线与设计位置重合，梁体精准就位，就位后利用铁楔将撑脚与滑道钢板楔紧固定，以保持梁体结构的稳定。

3.1.4 封固上下转盘

平面位置和标高符合规范要求后，进行转体定位，为防止产生位移需要在撑脚量测下转盘上焊接型钢反力架，同时采用钢楔块进行临时锁定。然后将底盘清洗干净，焊接预留钢筋，浇筑C50微膨胀混凝土，上下盘连接成整体。

3.1.5 合龙段施工

两个边墩合龙段采用支架现浇法施工。合龙段长度为5 m。

3.2 监控量测

鉴于本桥的复杂性及特殊性，对转体施工进行典型振动测试，测试结果如图7所示。

(a)墩顶顺桥向振动时程

由图7可知，在转体过程中梁体振动明显加大，梁端最大竖向振动加速度为21.5 mm/s2，最大横向振动加速度为10.5 mm/s2，最大顺桥向振动加速度为5.4 mm/s2。在试转过程中梁端竖向振幅<经验预警值50 mm/s2。

4 结语

津石高速公路上跨京九铁路立交桥工程，主桥跨度布置为2×65 m连续T构，采用大节段现浇、转体法施工，转体重量为14 500 t。本文通过对该转体主桥的结构设计，确定了转体施工方法，同时在施工过程中进行了现场监控量测，结果表明转体施工各项指标符合标准要求，施工安全。