轉(zhuǎn)體連續(xù)梁橋轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析概述

李哲

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000）

1 概述

近年來，隨著我國交通強(qiáng)國的建設(shè)，公路、鐵路路網(wǎng)越來越發(fā)達(dá)，不可避免的出現(xiàn)城市軌道交通、公路、道路與鐵路交叉的情況，根據(jù)國鐵集團(tuán)要求公路、城市軌道交通和道路上跨高速鐵路及其相關(guān)聯(lián)絡(luò)線和動(dòng)車走行線的路基、橋涵地段，以及上跨開行客車的普速鐵路的路基、橋涵地段，橋梁施工應(yīng)優(yōu)先采用轉(zhuǎn)體施工方案，因此轉(zhuǎn)體橋梁在涉鐵工程項(xiàng)目中的應(yīng)用將更加廣泛。橋梁轉(zhuǎn)體施工是一種施工方法，通常是在橋梁非設(shè)計(jì)軸線的位置現(xiàn)澆或者懸澆主體結(jié)構(gòu)，然后通過轉(zhuǎn)體就位。該施工方法廣泛應(yīng)用于上跨溝谷、河流、鐵路、高速公路等不能原位施工的情況。而對于轉(zhuǎn)體橋來說，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)是其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)由下轉(zhuǎn)盤、上轉(zhuǎn)盤、球鉸、滑道、牽引系統(tǒng)組成，轉(zhuǎn)體過程一般通過千斤頂對拉牽引索，形成旋轉(zhuǎn)力偶而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)體[1]。

2 工程背景

國道310 鄭州西南段改建上跨京廣鐵路立交橋涉鐵工程分別上跨京廣鐵路上、下行線，橋址處兩股道最小線間距為29.8m。采用斜交正做，整幅布設(shè)，橋梁全寬33.06m，涉鐵聯(lián)全長192m；跨徑布設(shè)為（52+92+52）m 現(xiàn)澆連續(xù)梁，京廣鐵路上下行兩側(cè)均設(shè)置轉(zhuǎn)體墩，轉(zhuǎn)體長度均為2×44m，轉(zhuǎn)體總重量：120000kN，轉(zhuǎn)體角度分別為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)78.8°和74.1°，鐵路上下行線間設(shè)置跨中合攏段，對稱轉(zhuǎn)體、線間合龍，不僅減小了跨徑、降低了轉(zhuǎn)體重量，而且節(jié)省了投資、保證了工期，更大大減少了對鐵路運(yùn)營安全的影響。（圖1）

圖1 橋梁轉(zhuǎn)體就位后示意圖

3 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)

對于轉(zhuǎn)體橋的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，其主要組成部分為轉(zhuǎn)體下轉(zhuǎn)盤、球鉸、上轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)動(dòng)牽引系統(tǒng)。我們在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)尺寸和橋梁整體受力進(jìn)行設(shè)計(jì)。下面結(jié)合工程項(xiàng)目實(shí)例進(jìn)行介紹。（圖2、3）

圖2 橋梁轉(zhuǎn)體系統(tǒng)平面圖

圖3 橋梁轉(zhuǎn)體系統(tǒng)立面圖

3.1 轉(zhuǎn)體下轉(zhuǎn)盤

下轉(zhuǎn)盤采用C50 混凝土。下轉(zhuǎn)盤作為整個(gè)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要用來承受上部轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重量，其下部為橋墩承臺(tái)基礎(chǔ)，待結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體成功后與上轉(zhuǎn)盤一起成為橋梁基礎(chǔ)。下轉(zhuǎn)盤上設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的下球鉸、保險(xiǎn)撐腳環(huán)形滑道及轉(zhuǎn)體拽拉千斤頂反力座等。

3.2 轉(zhuǎn)體球鉸

相關(guān)的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 技術(shù)參數(shù)表

3.2.1 球鉸直徑計(jì)算

結(jié)構(gòu)容許偏心距emax=100mm。球鉸直徑D1計(jì)算，依據(jù)EN1337-7，emax＜D1/8，得出，D1>800mm。下承臺(tái)混凝土（C50）主壓應(yīng)力（考慮偏壓效應(yīng)增大系數(shù)K=1.2），C50 混凝土的抗壓標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為[σcp]=32.5MPa：

其中，V- 球鉸設(shè)計(jì)的豎向載荷（kN）；

K- 偏壓效應(yīng)增大系數(shù)，取1.2；

k- 球鉸接觸面積折減系數(shù)，取0.65；

由此我們結(jié)合承臺(tái)尺寸選擇球鉸底部直徑D1為3300mm 滿足要求。

3.2.2 球鉸球面曲率半徑R 計(jì)算：

3.2.3 耐磨板應(yīng)力校核

球鉸耐磨板材料采用改性超高分子量聚乙烯，材料性能見表2。

表2

根據(jù)相關(guān)規(guī)范查詢改性超高分子量聚乙烯設(shè)計(jì)許用面壓可達(dá)到45MPa。耐磨板接觸面積為S=2πRh=2×π×8000×172=8641280mm2?？紤]偏壓效應(yīng)增大系數(shù)1.2，則計(jì)算平均壓應(yīng)力為：

滿足聚改性超高分子量聚乙烯耐磨板許用壓應(yīng)力要求。

3.2.4 牽引力計(jì)算及設(shè)備配置

3.2.4.1 摩擦力計(jì)算

3.2.4.2 牽引力計(jì)算

根據(jù)T=2fGR/3D

（式中：T- 牽引力；G- 轉(zhuǎn)體總重力；R- 鉸柱半徑；D- 牽引力偶臂；f- 摩擦系數(shù)）[2]所以：

R1- 球鉸平面半徑，R1=D1/2=3300mm/2=1650mm

μ- 球鉸摩擦系數(shù)，μ靜=0.1，μ動(dòng)=0.06

啟動(dòng)時(shí)所需最大牽引力

轉(zhuǎn)動(dòng)過程中所需牽引力

考慮到實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)中可能為不平衡轉(zhuǎn)體，有一個(gè)撐腳接觸滑道，控制撐腳反力在VS=2000kN 內(nèi)，則計(jì)算牽引力T

R2=D2/2=9000mm/2=4500m

最大啟動(dòng)牽引力

3.2.5 千斤頂選型

考慮到1.5 的動(dòng)力儲(chǔ)備系數(shù)，需要1410kN×1.5=2115kN，故選擇兩臺(tái)300 噸自動(dòng)連續(xù)型千斤頂，形成水平旋轉(zhuǎn)力偶，通過拽拉錨固且纏繞直徑1000cm 的轉(zhuǎn)臺(tái)圓周上的鋼絞線，使得轉(zhuǎn)動(dòng)體系轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.2.6 鋼絞線選型

選用22-φs15.2 鋼絞線，其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度：fytp=1860MPa，n=22；單根截面面積：A=139mm2；鋼絞線錨下控制應(yīng)力：fk=0.75fytp=0.75×1860MPa=1395MPa

則單束鋼絞線容許控制拉力[T]

[T]=nAfk=22*139*1395/1000=4266kN

安全系數(shù)K1=[T]/T 靜=4266/1410=3.0＞2.5，滿足要求[3]。

3.2.7 球鉸制造與安裝

鋼球鉸轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的核心，一般是由廠家定制安裝，其主要由上球鉸、下球鉸組成，設(shè)計(jì)直徑為φ3300mm，生產(chǎn)施工中其精度要求特別高，轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸φ260mm 鋼棒必須在下球鉸精準(zhǔn)安裝并灌注混凝土完成后才能放入下轉(zhuǎn)盤預(yù)埋套筒中。最后再安轉(zhuǎn)下球鉸摩擦板和上球鉸。

3.2.8 撐腳與滑道

沿上轉(zhuǎn)盤縱橫軸線兩側(cè)的位置分別設(shè)置8 個(gè)撐腳，用來支撐和保障轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)能夠平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。為進(jìn)一步保證結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)，在撐腳下方設(shè)置半徑R=450cm，寬度w=113cm 的滑道，使撐腳在滑道平面內(nèi)滑動(dòng)，要求滑道平面水平，精度控制在2mm 以內(nèi)。撐腳采用φ800mm×24mm 的雙圓柱鋼管，鋼管內(nèi)灌注C50 微膨脹混凝土，其下設(shè)置鋼板用于撐腳的走行。

3.3 轉(zhuǎn)體上轉(zhuǎn)盤

上轉(zhuǎn)盤采用矩形截面尺寸1500×1100cm，高280cm；轉(zhuǎn)臺(tái)直徑φ1000cm，高度80cm?？紤]上轉(zhuǎn)盤的空間受力和重要性，對其分別布設(shè)縱橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋。

轉(zhuǎn)盤是球鉸、撐腳與上轉(zhuǎn)盤連接的部分，也是直接施加旋轉(zhuǎn)牽引力的部分。旋轉(zhuǎn)牽引電纜嵌入轉(zhuǎn)盤中。預(yù)埋端為P型錨具。同一對索的錨固端位于同一直徑線上，并關(guān)于圓心對稱。確保每根索的埋設(shè)高度和牽引方向一致。嵌入轉(zhuǎn)盤的每根索長度大于300cm，每對索的出線點(diǎn)關(guān)于轉(zhuǎn)盤中心對稱。牽引索的外露部分應(yīng)平滑地纏繞在轉(zhuǎn)盤周圍，并放置在預(yù)埋鋼筋上，且不能相互干擾。施工中應(yīng)采取防止鋼絞線損壞或嚴(yán)重腐蝕保護(hù)措施。

拆除支撐球節(jié)上轉(zhuǎn)盤的支墩，進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)支承體系轉(zhuǎn)換前，必須保證上轉(zhuǎn)盤混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值。然后對轉(zhuǎn)盤施加繞球鉸中心的旋轉(zhuǎn)扭矩。最后，轉(zhuǎn)體施工時(shí)，要及時(shí)測量轉(zhuǎn)盤摩擦系數(shù)，并檢查球鉸工作是否正常。

3.4 轉(zhuǎn)體角速度控制

a.轉(zhuǎn)體角速度w≤0.02rad/min。

b.主梁端部水平線速度v≤1.2m/min。

3.5 轉(zhuǎn)體精度定位控制

a.為保證轉(zhuǎn)體過程中轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的精準(zhǔn)化，對轉(zhuǎn)體系統(tǒng)采用自動(dòng)化控制和手動(dòng)控制相結(jié)合，采用自動(dòng)控制轉(zhuǎn)至距離設(shè)計(jì)位置小于1m 時(shí)，應(yīng)切換至手動(dòng)控制，同時(shí)轉(zhuǎn)體期間，應(yīng)隨時(shí)通過測量獲取轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的最大弧長數(shù)據(jù)。

b.轉(zhuǎn)體過程中及時(shí)對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平校正，之后才能進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)操作和精度定位。

c.為防止超轉(zhuǎn)應(yīng)選取適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置限位裝置。

3.6 防傾保險(xiǎn)措施

a.8 組鋼管混凝土撐腳均布于上轉(zhuǎn)盤直徑為9.0m 的圓周上，撐腳下對應(yīng)有不銹鋼滑道，滑道上鋪設(shè)4mm 厚的不銹鋼板，不銹鋼板與撐腳走板面的距離為25mm。

b.轉(zhuǎn)體前應(yīng)對轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行稱重，根據(jù)稱重的結(jié)果在橋上施加配重，使整個(gè)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重心與球鉸中心位于同一豎直線上。

4 轉(zhuǎn)體施工注意事項(xiàng)

4.1 在轉(zhuǎn)體過程中，核實(shí)轉(zhuǎn)體橋梁轉(zhuǎn)動(dòng)影響范圍是否有障礙物。

4.2 轉(zhuǎn)體過程均為單向旋轉(zhuǎn)，應(yīng)設(shè)置限位系統(tǒng)，確保轉(zhuǎn)體角度和線位的準(zhǔn)確，避免出現(xiàn)過轉(zhuǎn)。

4.3 轉(zhuǎn)體施工前應(yīng)核查結(jié)構(gòu)相關(guān)預(yù)埋鋼筋和構(gòu)件是否到位。

4.4 轉(zhuǎn)體施工應(yīng)選擇無風(fēng)或微風(fēng)的天氣進(jìn)行施工，以保證轉(zhuǎn)體過程順利進(jìn)行。施工單位應(yīng)提前制定防護(hù)措施和應(yīng)急預(yù)案，轉(zhuǎn)體前提前關(guān)注氣象狀況，及時(shí)觀測掌握作業(yè)場地的風(fēng)壓情況，若出現(xiàn)超過4 級的大風(fēng)，應(yīng)停止轉(zhuǎn)體作業(yè)。

4.5 設(shè)計(jì)過程中應(yīng)準(zhǔn)確對轉(zhuǎn)體系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸前后左右的梁體重量進(jìn)行測算，確保轉(zhuǎn)體受力平衡，根據(jù)計(jì)算需要配重的應(yīng)及時(shí)調(diào)整，計(jì)算過程中誤差應(yīng)控制在3%以內(nèi)。

4.6 支架拆除前，必須拆除或清除橋上所有施工設(shè)備及堆放的材料（含箱內(nèi)模板），待支架完全拆除后方可進(jìn)行轉(zhuǎn)體施工。

4.7 施工過程中要及時(shí)對承臺(tái)、墩身（頂）的沉降觀測標(biāo)進(jìn)行觀測。

5 結(jié)論

連續(xù)梁轉(zhuǎn)體橋設(shè)計(jì)難度較大，工藝相對復(fù)雜，特別對于轉(zhuǎn)體系統(tǒng)精度要求高,這就需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)結(jié)構(gòu)受力情況合理設(shè)計(jì)，確保設(shè)計(jì)安全經(jīng)濟(jì)。本文中的工程項(xiàng)目已經(jīng)成功實(shí)施，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，可為同類工程的設(shè)計(jì)提供借鑒。