赵大勇

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070)

跨线桥梁常用的施工方法有顶推法、悬臂浇筑、预制拼装、水平转体等。水平转体施工法能较好地克服高山峡谷、水深流急等困难，尤其在修建跨越运输繁忙的城市道路和铁路线的立交桥时，其优势更加明显。在国内，跨线桥的转体法施工已有较多应用；宁卫强[1]等结合兴郭路上跨苏嘉杭高速公路工程，对跨径布置为(55+85+55) m预应力混凝土连续箱梁转体桥的设计与施工要点进行了介绍；李青山[2]以中宁县石碱公路上跨包兰铁路工程为背景，对(2×55) m平面转体预应力混凝土T构桥的设计要点进行了说明；王树旺[3]对宿淮铁路跨京沪铁路(2×56) m转体T型刚构桥转体的应力、偏心、下转盘、球铰和上转盘的关键技术进行研究，初步总结了转体结构设计的计算项目与方法。以往对转体桥的研究取得了一定的成果，但是缺少对转体桥设计及施工要点的系统性总结，特别是对转体系统的研究较少。

以新宁高速公路上跨京沪铁路立交桥(64+64) m预应力混凝土转体T构桥为例，详细介绍转体桥上、下部结构设计计算要点，特别是转体系统的设计，总结了转体结构设计的计算项目和检算方法，以期为同类型的桥梁设计工作提供参考。

1 工程概述

新宁高速是山东省“九纵五横一环七连”高速公路网中“横四线”的一部分，道路全长59.8 km(全部为新建)，全线设计速度为120 km/h，双向四车道，路基宽度为27 m。拟建上跨桥在山东省泰安市宁阳县兴隆村与京沪铁路交叉，交叉处对应的铁路里程为京沪铁路下行线K599+644，线路中心线与铁路中心线交角为64.5°。

拟建上跨桥位于京沪铁路南驿-歇马亭站区间，为电气化区段，共二股线路，线间距12 m，由东向西依次为京沪铁路下行线、京沪铁路上行线。上跨处铁路位于半径为1 000 m的圆曲线上，路基结构为土质路基。轨面高程：上行线为127.81 m、下行线为127.95 m。铁路两侧有电气化立柱，地下有电缆、光缆等设备(见图1)。

图1 线路平面示意

2 桥型方案研究

京沪铁路为国家干线铁路，运输较繁忙，拟建上跨桥区段运营列车对数为130对，其中客车67对，货车60对。为减小上跨桥施工对京沪铁路既有设备及运营的影响，采用预应力混凝土T构一跨通过，转体施工。根据跨越京沪铁路的桥梁跨径以及施工方法，在工可阶段，对两种桥型方案进行比选：(64+64) m预应力混凝土转体T构(整幅转体法施工)、(60+60) m预应力混凝土转体T构(分幅转体法施工)，综合考虑安全适用、经济合理等要求，最终确定采用(64+64) m预应力混凝土转体T构、整幅转体法施工方案。

3 上部结构设计

3.1 结构形式

(1)桥跨布置

主桥为(64+64) m预应力混凝土T构，梁长127.84 m，梁端距分孔线0.08 m，支座中心距梁端0.7 m(见图2、图3)。

图2 主桥立面布置(单位：cm)

图3 主桥平面布置(单位：cm)

(2)桥面宽度

在引桥标准断面的基础上两侧各加宽2.1 m，即桥面宽度为30.7 m(见图4)，断面布置为：0.5 m(SS级防撞护栏)+1.5 m(缓冲带)+0.6 m(SX级防撞护栏)+11.75 m(车行道)+0.5 m(SS防撞护栏)+1.0 m(中分带)+0.5 m(SS级防撞护栏)+11.75 m(车行道)+0.6 m(SX级防撞护栏)+1.5 m(缓冲带)+0.5 m(SS防撞护栏)=30.7 m。

图4 桥面布置(单位：cm)

3.2 梁体构造

主桥上部结构为大悬臂单箱三室等斜率斜腹板箱形截面，道路中心线处中支点梁高6.0 m，边支点梁高2.8 m，梁底曲线按二次抛物线变化，端部直线段长6.92 m。整幅桥面宽30.7 m，底板宽21.688～20.089 m；两端悬臂板长度均为4 m，端部厚20 cm，根部厚55 cm；箱梁顶板厚30 cm，中墩顶增至55 cm；底板厚度为30～110 cm，腹板厚60～80～100 cm；中支点处墩梁固结，对应墩身处设置两道横隔板，板厚为100 cm，边支点处端横梁厚150 cm；梁体顶板倾斜，形成2%的横坡，底板呈水平(如图5、图6所示)。

图5 边支点截面(单位：cm)

3.3 梁体分段

主桥采用大节段现浇施工工艺，全梁共分7个梁段，中支点处1#(1′#)节段长24 m，后依次浇筑2#(2′#)节段24 m、3#(3′#)节段24 m。主梁转体就位后浇筑梁端4#(4′#) 3.92 m。

箱梁为纵、横、竖三向预应力体系，纵向预应力钢束为19-φs15.2、15-φs15.2及12-φs15.2钢绞线，15-19、15-15及12-15型群锚体系。预应力钢束的布置应尽量靠近腹板；横向预应力钢束为4-φs15.2，BM15-4型群锚体系，间距50 cm，单端交错张拉；竖向预应力钢束为JL785螺纹钢筋，梁顶开槽张拉，间距50 cm，腹板两侧为梅花形布置。端横梁预应力钢束为12-φs15.2钢绞线，M15-12锚具，两端张拉；中横梁处预应力钢束为15-φs15.2、3-φs15.2钢绞线，M15-15、BM15-3和BM15-3P型锚具。其中，15-φs15.2钢束采用两端张拉，其他为单端交错张拉(见图7)。

图6 中支点截面(单位：cm)

图7 主梁施工节段(单位：cm)

3.4 结构分析

(1)计算参数

①恒载：一期恒载按结构自重计入(含预应力)；二期恒载按护栏82.1 kN/m，铺装荷载为10 cm(混凝土)+10 cm(沥青混凝土)。

②汽车荷载：设计荷载为公路—Ⅰ级的1.3倍，腹板内力不均匀系数取1.2，结构竖弯基频为2.14 Hz，汽车荷载冲击系数为0.12。

③温度荷载：结构整体温差按±30 ℃，梯度温差按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)[4]取值。

④不均匀沉降：支座不均匀沉降取10 mm。

⑤收缩徐变：按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2018)[5]计算。

⑥风荷载：成桥阶段按100年一遇风速计算，施工阶段按20年一遇风速计算。参考《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T 3360—01—2018)[6]中全国各气象台站基本风速值表中本地区取值。

⑦制动力：制动力按单向行驶3车道计算。

⑧地震作用：抗震设防烈度为7度，桥梁抗震设防类别为A类，抗震措施按8度设防；基本地震加速度为0.10g。

⑨荷载组合：按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)中的有关要求进行组合[4]。

(2) 计算原则

纵向平面计算：按施工步骤划分施工阶段，对结构施工及成桥阶段的强度和应力进行分析[7]。主梁按照全预应力混凝土构件进行设计。

箱梁横向计算：取纵桥向单位长度箱梁并在横向简化等效为框架，支点在两腹板下，按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2018)[5]计算桥面板有效分布宽度，换算为单位长度集中力作用于横向框架上；温度荷载按规范规定取值。

(3) 结构计算

采用桥博4.0有限元程序对单梁进行施工及成桥阶段计算，并用Midas Civil进行复核。根据施工方法，划分为支架现浇箱梁节段、张拉相应节段预应力钢束、称重、配重、转体施工、浇筑边跨后浇段、张拉后浇段预应力钢束、施工桥面附属设施及铺装、收缩徐变等12个施工阶段。根据不同施工阶段，激活相应单元，施加该阶段荷载并张拉预应力钢束(见图8)[8]。

图8 计算几何模型

对各阶段施工荷载、恒载、车道荷载、整体升降温、温度梯度、支座不均匀沉降等荷载效应进行组合，结果表明：极限状态下，结构整体受力性能满足规范要求；由极限状态下箱梁正截面抗裂性验算结果可知，箱梁全截面受压，满足全预应力混凝土构件设计的相关要求。

4 下部结构设计

4.1 墩身及基础

中墩为墩梁固结箱形截面，墩身纵横向尺寸为11 m×6 m，墩壁厚1 m。主墩采用16根φ1.8 m钻孔灌注桩基础，按嵌岩桩设计。承台分上下两层，上承台兼做转体支座的上转盘，高3.9 m，下承台顺桥向尺寸为17.25 m，横桥向尺寸为17.25 m，高3.0 m，上承台(上转盘)为三向预应力体系，转体施工完毕后，用C50微膨胀混凝土封闭转体支座。交接墩为柱式墩，墩顶设L形帽梁。承台为‘工’字形，桩基为8根φ1.8 m的钻孔桩，按嵌岩桩设计。

4.2 转体结构设计

根据桥位所处地理条件，经对比分析，采用球铰转体施工。转体结构由下转盘、球铰、上转盘、转体牵引系统等组成[9-14]。128 500 kN的转体结构重量通过上承台传递给球铰，再由球铰传递给下转盘。转体结构立面、平面布置见图9、图10。

图9 转体结构立面布置(单位：cm)

图10 转体结构平面布置(单位：cm)

(1)转体下转盘

下转盘顺桥向尺寸为17.25 m，横桥向尺寸为17.25 m，高3.0 m，是支承全部重量的基础。转体施工完成后，采用C50微膨胀混凝土封铰，与上转盘形成整体基础。下转盘上埋设有球铰支座的下球铰，直径7.8 m、宽1.3 m的环形钢板下滑道及沿滑道圆周对称布置8组千斤顶反力座。千斤顶反力座是安全储备措施，用于启动力不足或超转时的矫正。

(2)球铰

转体球铰由上球铰、下球铰、圆柱形聚四氟乙烯滑块、定位中心转轴四部分组成。球铰直径为4.0 m，中心转盘球面半径为7.992 m，上转盘球缺高0.461 m，下转盘球缺高0.254 m。中心转轴直径为27 cm。转体球铰上面板通过球缺和圆柱与上转盘的转台连接；下面板通过定位型钢骨架固定并嵌入下转盘顶面；上球面板与下球面板之间镶嵌1101块聚四氟乙烯滑块。

(3)转体上转盘

上转盘平面纵向长12 m，横向宽12 m，厚2.0 m，采用三向预应力体系；转台直径为8.9 m，高1.0 m，其上缠绕19-φs15.2 mm钢绞线。转体完毕后，上下转盘间的转台及球铰用C50微膨胀混凝土封闭。沿转台外侧圆周均匀对称布置8组撑脚，每组撑脚由2个φ800×24 mm、高1.8 m的钢管组成，管内灌注C55微膨胀混凝土，下设30 mm厚钢板。

(4)转体牵引系统

转体系统由张拉千斤顶、液压系统、张拉控制系统、钢绞线、多台辅助千斤顶等组成，张拉千斤顶通过牵引反力座拉拽缠绕于转台上的19-φs15.2 mm钢绞线，使得转体结构转动。

(5)转体牵引力计算

球铰转动摩擦力矩

(1)

式中R——球铰半径/m，取2 m；

W——转体重量/kN，取128 500 kN；

μ——球铰摩擦系数，μ静=0.1，μ动=0.06。

计算最小牵引力

(2)

式中N——转体时支撑腿最大支撑力/kN，取2 000 kN[15]；

D——转台直径/m，取8.9 m；

R1——支撑腿半径/m，取3.9 m。

计算结果

启动时：M静=17 150 kN·m

转动时：M动=10 280 kN·m

启动时所需要最大牵引力：T=2 015 kN

转动时所需要最大牵引力：T=1 210 kN

(6)转体施工技术参数

在京沪铁路东侧现浇至(60+60) m最大悬臂T构状态后，用千斤顶对梁体进行称重，测试转动体的不平衡力矩、偏心矩、摩阻力矩及静摩擦系数，确定桥梁转体的平衡配重。以0.015 rad/min的角速度顺时针转体63.7°就位，转体重量约128 500 kN，转体时间为75 min，预留4 m后浇段，待转体就位后搭设支架现浇。选用两套QYD3500S-200型连续张拉千斤顶系统进行转体。转体施工参数如下。转体总需时间：75 min；转体重力：128 500 kN；转台直径：8.9 m；千斤顶动力：3 500 kN；启动牵引力：2 015 kN；动力储备系数：3.47；牵引钢铰线数：19根；牵引力：4 945 kN；牵引索安全系数：2.46；梁端所过弧线长：71.15 m；梁端线速度：94.9 cm/min；转体角速度：0.85°/min；转盘走过弧线长：4.95 m；拉索速度：6.6 cm/min。

5 结束语

上跨铁路立交桥设计过程中，应结合场地条件选择合理的桥梁结构类型及施工方法，除满足受力性能外，还应满足铁路建筑限界、线路既有设备安全、路基边坡稳定等要求。此外，还需考虑跨线桥施工对既有铁路运营的影响。