宽幅曲线转体T形刚构桥稳定性分析

袁霖宇

(广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东 广州 510507)

0 引 言

近几年,随着基础建设大规模的发展,出现越来越多跨越既有运营铁路的工程项目。为了避免中断或干扰铁路运输,保证铁路干线的正常运营,目前最常用的方法是转体施工法,尤其是平转体施工法。2020年中国国家铁路集团发文，明确要求公路、城市轨道交通和道路上跨高速铁路及其相关联络线和动车走行线的路基、桥涵地段,桥梁施工应优先采用转体施工方案。转体施工不仅能确保铁路运输的安全畅通,还能取得良好的社会效益和经济效益。

1 工程概况

该项目为某高速跨越韶赣铁路初步设计,方案拟采用2×75 m预应力混凝土T形刚构桥跨越铁路平面转体施工，如图1所示。以其中右幅桥为例,桥梁宽度25.1 m;桥梁位于曲线段上,曲线半径R为2 200 m;转体半径为64 m,转体角度为99°。桥梁断面为单箱三室,桥梁主墩为矩形空心墩,墩高13.5 m。转体重量为19 00 t。上、下承台均为4 m厚,承台下设有20根φ2.0 m钻孔灌注桩。

图1 墩底转体系统图

2 转体系统设计

转体系统一般由下转盘、球铰、上转盘、转体牵引系统等组成。下转盘为支承转体结构全部重量的基础,转体完成后,与上转盘共同形成基础;球铰是平转动法施工过程中的核心部位,要兼顾转体、承重及平衡多种功能;牵引系统是提供转动能力;滑道上的撑脚是转体时支撑转体的保险措施。

根据上述结构特点,一般桥梁转体过程中有两种平衡状态:一种是球铰承受转体系统以上的全部重量,通过上部结构自重及球铰摩阻力达到自我平衡,转动过程中撑脚不与滑道接触;另一种是由球铰与撑脚共同承受转体系统以上的全部重量,通过多点支撑及相应的摩阻力达到平衡,撑脚与滑道接触。

在设计过程中往往按第一种平衡状态进行设计,但考虑到其他不确定性因素造成桥梁倾覆, 故又必须考进行第二种平衡状态下受力分析,以保证撑脚设计合理。

3 偏心设置

对于宽幅曲线段桥梁,一般都存在不平衡弯矩,为保证转体过程中的平衡,可采取的方案有:

A.调整桥梁结构尺寸,例如曲线外侧腹板加厚、箱梁顶板设不对称切角等。

B.采用永久结构配重,例如箱室内部填砂、加厚横隔板等。

C.采用临时配重,待转体完成后拆除,例如在施工过程中设置沙袋、水箱等。

D.预设偏心,保证支撑中心与转体结构重心一致。

适用于支架法,而本项目拟采用挂篮法悬臂现浇,受挂篮模板限制,改变结构尺寸或永久配重,会增加挂篮加工难度,使挂篮施工烦琐,不利于结构安全。适用于小吨位不平衡结构进行配重,若采用此方法,会增加结构配重,增大施工难度。综合考虑,设计采用方案D,即预设偏心来消除不平衡配重。

因结构位于圆曲线上,纵向结构对称,横向不对称,故仅横向出现不平衡弯矩,转体前最大不平衡弯矩出现在最大悬臂状态。计算分析得出,最大悬臂状态时墩底最大弯矩为27 118 kN·m,承台以上转体结构总重力为141 768 kN,横向理论计算偏心为19.1 cm,故预设结构横向偏心为19 cm。

4 转体施工抗倾覆稳定分析

由于T形刚构桥迎风面较大,其在转体过程中,由于受风荷载及桥梁两边不均匀荷载作用,具有倾覆的风险,故有必要对转体结构进行抗倾覆、抗滑动验算。当处于第一种平衡状态时,仅靠球铰去平衡不利荷载产生的力矩,撑脚不参与工作;当处于第二种平衡状态时,通过球铰与撑脚去平衡不利荷载产生的力矩。

根据以下三种工况,通过空间有限元软件MIDAS Civil仿真分析,分别计算两种平衡状态下的稳定系数。

工况1:恒载+二期+纵风荷载+施工不平衡重。

工况2:恒载+二期+对称横风荷载。

工况3:恒载+二期+不对称横风荷载。

其中根据调查,该地区基本风速V=31.3 m/s,考虑施工过程中的阵风风速,不对称横风风压系数取0.5。由于施工误差等原因,会导致T形结构两端重量存在不平衡弯矩,计算时从梁0#块中心位置起，到转体一侧最大悬臂处设计理论重量增大3%,另一侧自重减少3%,通过结构容重调整实现[2]。

《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB 10093-2017)与《公路桥涵地基与基础设计规范》(JYG 3363-2019)均规定抗倾覆稳定系数不得小于1.5,施工荷载作用下不应小于1.2;抗滑动稳定系数不得小于1.3,施工荷载作用下不应小于1.2。《桥梁水平转体施工技术章程》(DG/TJ 08-2220-2016/J 13652-2016)中第4.4.5条规定转体平衡系统设计抗倾覆系数不应小于1.3。故本次设计基于保守考虑,转体施工过程中抗倾覆稳定系数要求不小于1.5,抗滑动稳定系数不小于1.2。

4.1 抗倾覆稳定系数计算

第一种平衡状态下抗倾覆稳定系数K0为：

第二种平衡状态下抗倾覆稳定系数K0为:

式中:R为球铰半径;f为球铰摩擦系数,取值为0.1;G为各竖向力之和;M不平衡为两边不平衡自重产生的弯矩;Ti为各水平力;hi为立面各水平力到转动中心的距离;Nu为撑脚轴向承压承载能力设计值;Nc为撑脚轴向承压计算值;R′为滑道中心半径。

两种平衡状态下的受力情况如图2、图3所示。

图2 第一平衡状态下受力示意图

图3 第二平衡状态下受力示意图

撑脚采用双钢管混凝土短柱,钢管内直径为800 mm,钢管壁厚为20 mm,钢管截面积Aa=0.1030 m2,钢管抗拉强度设计值fa=270 MPa,钢管内填充C55混凝土,截面面积Ac=1.005 3 m2,混凝土抗压强度设计值fc=24.4 MPa。

表1 抗倾覆稳定系数

4.2 抗滑动稳定系数计算

根据上面三种工况,在工况1和工况2下可能会发生水平方向滑动;在工况3下,球铰支撑面内可能会发生转动,故抗滑动稳定系数要根据这三种工况进行验算。

水平方向抗滑动稳定系数Kc为:

第二平衡状态下,球铰转动抗力由球铰和撑脚共同提供,故球铰支撑面内转动抗滑动稳定系数Kz为:

式中：R1为球铰平面半径;si为平面各水平到转动中心的距离；f′为撑脚摩擦系数,取值为0.05;G1为球铰所承受重力;G2为撑脚所承受重力,其余参数同上述一致。

不同平衡状态下抗滑动稳定系数计算结果见表2。

表2 抗滑动稳定系数

上述计算结果均是基于已设置了横向偏心而得出的,各项验算稳定性系数均满足设计要求。对比分析两种平衡状态,在上转盘设置撑脚作为保险措施是很有必要的,能有效地提高结构的抗倾覆稳定系数。在不平衡风荷载作用下,本设计抗扭转滑动的稳定性安全储备较小,因此对结构进行抗扭转滑动的稳定性分析是很有必要的。但由于计算中摩擦系数为经验取值,以及计算公式为理论公式,需对转体系统设置必要的防转动装置。

5 结 论

(1) 当转体T形刚构桥梁桥较宽,且位于曲线段上时,由于质量中心与结构几何中心不一致,在自重及均布荷载作用下会对结构产生偏心。对于悬臂现浇结构预设偏心是较为合理的措施,能有效地消除结构自重及均布荷载所产生的不平衡弯矩,从而保证转体施工过程中的稳定性。

(2) 在转体过程中,结构一般处于第一种平衡状态下,可第一种平衡状态下抗倾覆稳定系数较低,故转体施工前要进行必要的平衡测试,测定必要的不平衡力矩以及相关摩阻系数,以保证结构在转体过程中不倾覆。

(3) 本文结合理论公式,给出了转体前及转体时两种平衡状态下的稳定性分析计算方法,确保在进行转体桥梁设计时,转体系统尺寸合理。