上跨深湛铁路T形刚构桥转体系统设计

杨水秀

（中国华西工程设计建设有限公司,广东 广州 510030）

0 引言

根据《国铁集团工电部关于加强穿（跨）越铁路营业线和邻近营业线工程方案等审查和施工安全管理的通知》（工电桥房函〔2020〕48号）[1]，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，以及上跨开行客车的普速铁路的路基、桥涵地段桥梁施工应优先采用转体施工方案。

随着我国铁路、公路交通运输网络的不断完善，地方上跨铁路采用转体法施工的桥梁也越来越多，转体施工技术可减少桥梁建设对铁路营运的干扰，并有效降低安全风险。

该文以茂名市北组团主干路网新建工程东环大道上跨深湛铁路T形刚构转体桥梁为工程背景，较全面地总结了该桥转体系统主要结构的设计计算方法，供类似工程参考。

1 工程概况

茂名市北组团主干路网新建工程东环大道位于茂名市境内，路线全长7.6 km，为双向八车道一级公路，设计行车速度80 km/h，路基标准宽40 m。在K6+420处与3条铁路相交，分别为广茂疏解线（K354+781）、深湛铁路（K390+694）、广茂线（K354+790）。上跨铁路左、右幅桥梁跨径组合均为2×90 m，采用T形刚构体系，单幅桥面宽20.75 m。双幅同步平面转体法施工，转体重量为1.9万t。桥型布置（左幅）如图1所示。

图1 桥型布置图（左幅）（单位：m）

2 转体设计标准

（1）转体结构：T形刚构，跨径组合2×90 m，转体最大悬臂长度组合2×82 m，单幅桥宽20.75 m，转体重量190 000 kN。

（2）球铰承载力：设计承载力228 000 kN。

（3）球铰尺寸：平面半径2.25 m，球面半径16.0 m。

（4）转体角度：左、右幅桥均为顺时针水平转体，左福桥平转角度为89.3°，右幅桥平转角度为87.3°。

（5）转体速度：最大角速度0.02 rad/min，最大悬臂端线速度1.64 m/min，理论转体作业时间左幅桥为77.9 min，右幅桥为76.2 min。

（6）牵引参数：牵引半径6.0 m，静摩擦系数取0.1，球铰单侧启动牵引力2 850 kN，最大启动牵引力3 076 kN。

（7）结构偏心：转体前调整结构偏心值不大于0.05 m。

（8）风荷载：基本风速为13.8 m/s（相当于6级风）。

3 转体系统设计

平转体系主要由转动支承系统、转动牵引系统和平衡系统组成，其中转动支承系统是平转法的核心。按转动支承时的平衡条件，转动支承可分为中心支承、撑脚支承及中心与撑脚共同支承3种。中心支承即由中心承压面承受全部转动重量，该桥转体系统按中心支承进行设计，撑脚作为转体时保持转体结构平稳的保险措施，起抗倾覆作用。

3.1 总体布置

转体系统由上承台、下承台、上转盘、下转盘、上球铰、下球铰、滑道、球铰骨架、滑道骨架、撑脚、砂箱及牵引系统等组成。

转体系统平、立面图如图2、图3所示。

图2 2×90 m T形刚构转体系统平面图（单位：cm）

图3 2×90 m T形刚构转体系统立面图（单位：cm）

根据混凝土球铰与钢制球铰的性能对比及实际应用情况，转体重量大于100 000 kN时严禁使用混凝土球铰，该桥转体重量达190 000 kN，因此采用钢制球铰作为转动支撑体系的核心部件。

3.2 设计荷载

3.2.1 转体重量

转体重量包含以下结构：梁体、防撞墙、墩身、上转盘、上球铰、撑脚，以及配重、临时荷载、防抛网等其他荷载。该桥设计转体重量为190 000 kN。

考虑实际施工误差及配重，转体重量取调整系数1.2，转体重量计算值为N=1.2G=228 000 kN。

3.2.2 梁体施工误差不平衡弯矩

梁体考虑1.5%的施工误差导致结构自重失衡，节段不平衡弯矩（kN·m）=节段重量（kN）×1.5%×节段中心至墩中心距离（m）。该桥转体最大悬臂梁体共划分23个节段（0#~22#），结构不平衡弯矩合计32 860.91 kN·m。

3.2.3 风荷载

我国《公路桥梁抗风设计规范》[2]（以下简称《抗风规》）针对主梁及桥墩分别采用以下公式计算风荷载。

根据《抗风规》5.3.1条规定，横桥向风作用下，主梁单位长度上的顺风向等效静阵风荷载Fg按式（1）计算：

根据《抗风规》5.4.1条规定，桥墩上的等效静阵风荷载按式（2）计算：

施工时要求不大于5级风，按6级风计算转体抗倾覆稳定，风速为13.8 m/s。

（1）主梁风荷载计算：横桥向风作用下主梁单位长度上的横向静阵风荷载为：

顺桥向风作用下主梁单位长度上的横向静阵风荷载为：

（2）桥墩风荷载计算：

桥墩的横桥向风荷载为：

桥墩的顺桥向风荷载为：

（3）风荷载组合：

1）桥梁横桥向风荷载为：

2）桥梁顺桥向风荷载为：

3.2.4 球铰荷载组合

球铰荷载组合如表1所示。

表1 球铰荷载组合计算结果

3.3 球铰验算

3.3.1 球铰竖向承载力计算

工况1：球铰中心支承时，球铰承担全部结构竖向力，N=22 800 kN。

工况2：球铰中心与撑脚共同支承时，球铰和撑脚共同承担结构竖向力，N=228 000−（32 860.91+1 081.4）

/5=221 211.5 kN。

可见球铰竖向承载力由工况1控制，球铰的设计竖向承载力N=228 000 kN。

3.3.2 球铰平面直径设计

根据《桥梁水平转体法施工技术规程》[3]，球铰所受压应力应满足式（11）要求：

式中，σ—球铰所受压应力；D—球铰平面直径；N—球铰的设计竖向承载力；[σa]—球铰下混凝土轴心抗压强度值。

根据式（11）可知，球铰平面直径需满足：取球铰平面直径D=4.5 m，算得σ=14.34 MPa，小于C50混凝土[σa]=22.4 MPa，故球铰平面直径满足要求。

3.3.3 球铰其他设计参数

结合已有转体桥的设计经验确定球铰的其他设计参数，如表2所示。

表2 球铰设计参数

3.4 抗倾覆稳定性验算

球铰发生竖向转动时，撑脚与滑道接触，此时为球铰及滑道共同支撑状态，撑脚中心线为抗倾覆转动中心，结构抗倾覆稳定计算如下：

（1）转体结构抗倾覆荷载组合1：自重。抗倾覆稳定系数为：

（2）转体结构抗倾覆荷载组合2：自重+纵风+梁体误差。抗倾覆稳定系数为：

3.5 球铰受力验算

中心支承时，在偏心荷载作用下，球铰为偏心受压构件，应力按式（15）验算：σmax小于球铰下C50混凝土轴心抗压强度设计值22.4 MPa，故承载力满足要求。

3.6 撑脚受力验算

撑脚是转体结构的最后一道抗倾覆防线，因此必须保证撑脚的承载力满足要求，并有相当大的安全储备。该桥采用钢管混凝土撑脚。

最不利情况下考虑单个撑脚受力，按式（16）计算：

根据《钢管混凝土结构技术规程》[4]，钢管混凝土柱承载力按式（17）计算：

撑脚直径D3=0.7 m，钢板厚度16 mm，钢管内混凝土为C50，Fc=22.4 MPa，fa=215 MPa，θ=0.98，[θ]=1.0，φ1=2.0。

单个支撑脚钢管混凝土设计承载力验算结果如式（18）所示：

综上，撑脚承载能力满足要求。

3.7 撑脚位置上承台抗冲切验算

转体时，考虑十年一遇风荷载的不平衡弯矩，此时将撑脚看成上承台的桩基共同受力，对上转盘进行类似于边桩抗冲切验算。撑脚向上冲切示意图如图4所示。

图4 撑脚向上冲切示意图（单位：cm）

冲切力设计值为：

上转盘抗冲切力为：

N＞F，故转体施工过程中上转盘的冲切承载力满足要求。

3.8 牵引力及牵引索应力计算

（1）中心支承时，结构的牵引力矩为：

对国内外转体桥梁的大量测试结果表明，静摩擦系数μ一般为0.07~0.08。牵引力计算时，取静摩擦系数μ=0.1，则转体启动所需的牵引力矩为：

上转盘设计直径为12 m，两侧同时牵引时，单端牵引力为：

（2）当球铰与撑脚共同受力，偏心距取最大值时，撑脚阻力矩为：

球铰阻力矩为：

两侧同时牵引时，则单端牵引力为：

（3）单侧启动牵引力取二者的较大值3 076 kN。牵引索设计为2对（4束）13-φ15.2钢绞线，钢绞线抗拉强度为1 860 MPa，转体时牵引索拉应力为：

综上，转体施工中牵引索拉应力满足要求。

3.9 定位销轴抗剪验算

由定位轴销的作用可知，对定位轴销的验算主要是抗剪强度验算。根据刚体惯性运动理论知识，以匀角速度绕转轴转动的刚体，若做惯性运动，转轴没有反力。否则，若结构“偏心”，尽管刚体以匀角速度绕固定轴旋转，但由于它并非惯性云顶，转轴处仍存在反力。[5]下面考虑结构“偏心”、风荷载及不平衡牵引力的影响，验算定位轴销的抗剪强度。

（1）风荷载。风荷载尝试的总水平剪力：

（2）不平衡牵引力。此处考虑反向水平牵引力的最不利影响：

（3）非惯性运动影响力。转体重量计算值为22 800 t，偏心距取5 cm（偏保守考虑），转体角速度为1.2 rad/s，根据离心力公式可得转体结构非惯性运动对转轴的剪力：

综合考虑以上三种因素，转体结构对水平转轴的最大水平剪力：

定位销轴采用45号锻钢，销轴直径30 cm，抗剪强度设计值为160 MPa，抗剪强度设计值为：

T＞F，故定位轴销抗剪满足要求。

3.10 牵引反力座检算

一套转体系统设两个牵引反力座，单个牵引反力座设计反力为3 076.1 kN。反力座的长为2.5 m，宽为1.5 m，高为1.6 m，反力作用点高度取1.4 m。按间距10 cm布置直径为32 mm（HRB400）钢筋，共16排。

千斤顶反力座采用MidasCivil建立有限元元模型，如图5所示。计算结果表明，钢筋最大拉应力30.15 MPa，小于HRB400钢筋抗拉强度330 MPa，故反力座承载力满足要求。

反力座最大位移为0.19 mm。

3.11 聚四氟乙烯板应力验算

球铰共布置3环10 mm厚聚四氟乙烯板，聚四氟乙烯板接触面积A=11.26 m2，采用螺钉固定于下球铰上。聚四氟乙烯板设计承载力≥100 MPa。

球铰中心支承不考虑撑脚受力时，当不平衡荷载作用于球铰上，球铰为偏心受压构件，此时为最不利受力状态。

假设承压面为小偏心受压，聚四氟乙烯板最大应力：

可见聚四氟乙烯板承载力满足要求。

4 结语

我国基础设施建设仍处于较快发展阶段，转体桥梁施工技术在实践中不断创新，得到了很大的发展，转体桥梁也随着施工技术的成熟朝着大跨径及大转体重量方向发展。但是我国对转体技术的理论认识远落后于实践，目前还未颁布完善的转体设计规范以指导转体桥梁设计，理论研究是转体桥梁技术发展的重点。

该桥转体系统设计安全可靠，希望该文总结的球铰主要构件的设计方法能为桥梁建设者提供参考。