蓋小紅

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司橋隧處，西安 710043)

1 概述

哈大客運專線運糧河特大橋838～839號墩在DK913+321.63處上跨既有哈大線［1］，跨線段橋梁上部結(jié)構(gòu)為(60+100+60)m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，下部結(jié)構(gòu)為圓端形橋墩，鉆孔樁基礎(chǔ)。既有哈大線為Ⅰ級雙線電氣化鐵路，哈大客運專線與既有哈大鐵路兩線夾角為24°。主橋平面布置見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)體部分主橋平面布置(單位:cm)

本橋若采用掛籃懸臂跨線現(xiàn)澆施工，因兩線夾角小，凈空受限，勢必加大擋護與防護工程量，且與既有線行車運營干擾大，施工工期長。鑒于上述因素，設(shè)計采用平行于既有哈大鐵路掛籃懸臂澆筑連續(xù)梁0號～13號塊，然后平轉(zhuǎn)法進行轉(zhuǎn)體施工并合龍。轉(zhuǎn)體立面布置見圖2。

圖2 轉(zhuǎn)體部分主橋立面(單位:m)

2 主要構(gòu)件構(gòu)造及設(shè)備規(guī)格

2.1 轉(zhuǎn)動體系的構(gòu)成

平轉(zhuǎn)法轉(zhuǎn)動體系主要由轉(zhuǎn)動系統(tǒng)、頂推牽引系統(tǒng)和平衡系統(tǒng)3大部分構(gòu)成［6］。轉(zhuǎn)動系統(tǒng)由上轉(zhuǎn)盤、下轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)動球鉸構(gòu)成，通過上轉(zhuǎn)盤相對于下轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，達到轉(zhuǎn)體目的;頂推牽引系統(tǒng)由牽引設(shè)備、牽引反力支座、頂推反力支座構(gòu)成;平衡系統(tǒng)由球鉸、上轉(zhuǎn)盤、大噸位千斤頂及梁頂懸臂端放置的2 m3的備用水箱構(gòu)成。轉(zhuǎn)動體系立面布置見圖3，下轉(zhuǎn)盤平面布置見圖4。

圖3 轉(zhuǎn)動體系立面布置(單位:cm)

圖4 轉(zhuǎn)動體系下轉(zhuǎn)盤平面布置(單位:cm)

2.2 轉(zhuǎn)動系統(tǒng)設(shè)計

轉(zhuǎn)動系統(tǒng)為球鉸支承與撐腳支承相結(jié)合，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)為球鉸支承，發(fā)生傾斜時為球鉸與撐腳共同支承。球鉸選用725所設(shè)計生產(chǎn)的73 000 kN轉(zhuǎn)體球鉸，球鉸平面直徑D=3.0 m，設(shè)計最大靜摩擦系數(shù)為0.1，最大動靜摩擦系數(shù)為0.06。球鉸分為2部分，上球鉸鑲嵌于上轉(zhuǎn)盤磨心圓弧部分，磨心直徑φ=3.8 m。下球鉸嵌于下轉(zhuǎn)盤內(nèi)，通過型鋼托架與下轉(zhuǎn)盤固定。

2.3 平衡系統(tǒng)設(shè)計

在上轉(zhuǎn)盤上沿φ6.6 m的圓周設(shè)置8對φ0.7 m的鋼管混凝土圓形撐腳，鋼管壁厚5 mm，管內(nèi)充填C40纖維混凝土。

環(huán)形滑道由2部分組成，表層為厚5 mm的四氟板，下面為厚5 mm的不銹鋼板。四氟板通過環(huán)氧樹膠粘貼于不銹鋼板上，不銹鋼鋼板鑲嵌于下轉(zhuǎn)盤打磨好的環(huán)形滑道槽內(nèi)，滑道槽表面平整度及高程誤差控制在1.0 mm以內(nèi)。撐腳與滑道空隙為10 mm。在轉(zhuǎn)體過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)體發(fā)生傾斜，撐腳支承于滑道上，與球鉸構(gòu)成多點支承。

為了防止轉(zhuǎn)體施工過程中發(fā)生意外豎向塌落，保證安全轉(zhuǎn)體，在下轉(zhuǎn)盤上沿滑道兩側(cè)各設(shè)置了8個助推反力支座，助推反力支座沿圓周方向夾角為12°，徑向厚度40cm。平衡轉(zhuǎn)體時助推反力支座為助推千斤頂提供支反力，當(dāng)轉(zhuǎn)體發(fā)生豎向塌落時，助推反力支座進一步起到支撐轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的作用。

2.4 牽引系統(tǒng)設(shè)計

成功轉(zhuǎn)體的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)體啟動時能否克服球鉸的靜摩擦力，轉(zhuǎn)動過程中能否克服球鉸的動摩擦力?；诖藸恳O(shè)備由2臺ZLD100型連續(xù)千斤頂及兩臺YCW100型備用助推千斤頂組成。助推千斤頂主要用于克服靜動摩擦力的差值，以保證連續(xù)千斤頂均勻加力。同時助推千斤頂還起調(diào)整轉(zhuǎn)體運行姿態(tài)的作用。

3 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)受力分析及計算

3.1 空間計算模型

連續(xù)梁梁體、墩身及上、下盤按梁單元對結(jié)構(gòu)進行離散。樁基按等剛度彈簧模擬進行彈性支承約束?？臻g計算采用Midas程序計算。

3.2 結(jié)構(gòu)不平衡荷載

3.2.1 梁部施工誤差荷載

梁部考慮2.5%的施工誤差導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自重失衡，由梁部懸臂對稱中心位置起一側(cè)梁部自重按設(shè)計理論重力增加2.5%，另一側(cè)重力減少2.5%。通過調(diào)整懸臂現(xiàn)澆梁段的材料容重γ值來實現(xiàn)施工誤差導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不平衡荷載的加載。

3.2.2 風(fēng)荷載

風(fēng)壓強度計算公式［3］采用

式中 W——風(fēng)荷載強度;

W0——基本風(fēng)壓值，取 W0=750 Pa;

K1——風(fēng)載體形系數(shù);

K2——風(fēng)壓高度變化系數(shù);

K3——地形、地理條件系數(shù)。

懸臂一側(cè)按風(fēng)壓強度的50%加載，另一側(cè)按100%加載。

3.3 球鉸處內(nèi)力計算成果

838號墩磨心處內(nèi)力計算成果見表1。

表1 838號墩磨心處內(nèi)力計算成果

3.4 球鉸計算

3.4.1 球鉸豎向承載力計算

工況1:轉(zhuǎn)體處于平衡時，結(jié)構(gòu)豎向力全部由球鉸承擔(dān)，N球=N=61 400.8 kN。

工況2:轉(zhuǎn)體傾斜時，結(jié)構(gòu)豎向力由球鉸與撐腳共同承擔(dān)，N球=N－N2=N－M/R=61 400.8－25 924.6/3.3=53 544.9 kN，式中，R為撐腳距球鉸中心的半徑。由上知工況1控制球鉸豎向承載力。考慮15%的安全儲備，球鉸的豎向承載力按73 000 kN選擇型號。

3.4.2 球鉸的設(shè)計直徑

式中 D——球鉸平面直徑;

N——球鉸的設(shè)計豎向承載力;

K——球鉸接觸面積折減系數(shù)，取0.65;

［σa］——球鉸下混凝土的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強度。

經(jīng)計算D=2.35 m，設(shè)計取3 m。

根據(jù)上述計算分析結(jié)果，球鉸選用725所設(shè)計生產(chǎn)的73 000 kN轉(zhuǎn)體球鉸，球鉸平面直徑3 m，設(shè)計最大靜摩擦系數(shù)為0.1，最大動靜摩擦系數(shù)為0.06。

3.5 上轉(zhuǎn)盤計算

上轉(zhuǎn)盤力學(xué)模型簡化為跨中鉸支承，端部撐腳支承的簡支外伸梁見圖5，按鋼筋混凝土構(gòu)件進行截面設(shè)計，這里不再詳述。

圖5 上轉(zhuǎn)盤力學(xué)模型計算圖式(單位:cm)

由表1知，主+縱向風(fēng)力組合時所產(chǎn)生的不平衡彎矩最大，即 M=G×e=25 924.6 kN，當(dāng) G=61 400.8 kN時 e=0.42，N2=25 924.6/3.3 =7 855.9 kN(雙肢撐腳豎向壓力)。上轉(zhuǎn)盤控制截面最大彎矩 M上=7 855.9×(3.3－0.42)=22 625.0 kN·m。上轉(zhuǎn)盤截面尺寸為8 m×9.6 m，底面水平雙向各布置66根φ28 mm的鋼筋，鋼筋間距為12 cm左右，計算求得混凝土σh=3.2 MPa，受拉鋼筋重心處應(yīng)力σg=161.1 MPa，裂縫寬度ωf=0.177 mm，均滿足要求。

3.6 牽引系統(tǒng)計算及設(shè)備選型

3.6.1 牽引力及助推力計算分析

工況1:轉(zhuǎn)體處于平衡狀態(tài)，當(dāng)施加的外力偶矩大于球鉸處摩擦力產(chǎn)生的阻力力矩時，轉(zhuǎn)體發(fā)生轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)體啟動及轉(zhuǎn)動時，阻力矩分別由靜摩擦力及動摩擦力產(chǎn)生。為使連續(xù)千斤頂加力均勻可控，轉(zhuǎn)體做勻速轉(zhuǎn)動，避免轉(zhuǎn)體劇烈振動，動摩擦力矩由連續(xù)千斤頂克服，靜摩擦力矩與動摩擦力矩的差值由助推千斤頂克服。

牽引力計算

助推力計算

工況2:轉(zhuǎn)體失去平衡，撐腳與滑道接觸時，阻力矩由球鉸動摩擦力矩及撐腳摩擦力矩組成。

牽引力計算

助推力計算

式中，T1為牽引力;D為牽引力偶臂;G為球鉸處豎向壓力;M1為球鉸處動摩擦力產(chǎn)生的阻力矩;M2為撐腳處動摩擦力產(chǎn)生的阻力矩;f1為球鉸處動摩擦系數(shù);f2為滑道處動摩擦系數(shù);T2為助推頂力;Mj1為球鉸處靜摩擦力產(chǎn)生的阻力矩;Mj2為撐腳處靜摩擦力產(chǎn)生的阻力矩;fj1為球鉸處靜摩擦系數(shù);fj2為滑道處靜摩擦系數(shù);R1為撐腳中心線至轉(zhuǎn)動中心的距離。

計算成果及牽引設(shè)備選用型號見表2。

表2 838號墩計算成果及牽引設(shè)備選用型號

3.6.2 慣性制動距離計算

為使轉(zhuǎn)體準(zhǔn)確就位，轉(zhuǎn)體停止施加外部牽引力時，由于其自身慣性將繼續(xù)滑動一段距離后才靜止，此距離稱慣性制動距離。準(zhǔn)確計算出慣性制動距離，將有助于轉(zhuǎn)體平穩(wěn)一次就位。計算原理將轉(zhuǎn)體簡化為一個重G的剛體沿球鉸半徑2/3的圓周轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)體由動變靜時，根據(jù)能量守恒原理，摩擦力所做的功應(yīng)等于轉(zhuǎn)體由動變靜的動能。

工況1:轉(zhuǎn)體處于平衡時

連續(xù)梁懸臂梁端設(shè)計線速度V1=1.1 m/min，梁端至轉(zhuǎn)動中心的半徑為R=49 m，球鉸半徑r=1.5 m，球鉸2/3處的線速度V2=1.1/49×(2/3×1.5)=0.022 4 m/min，則轉(zhuǎn)體的動能

設(shè)止動所需的轉(zhuǎn)角為α，則摩擦力所做的功為

則慣性制動距離L=Rα=49×0.004 2=0.2 m

在止動階段，當(dāng)連續(xù)梁梁端與所要轉(zhuǎn)位的實際位置相差0.2 m時應(yīng)停止外力牽引，利用慣性就位。

工況2:轉(zhuǎn)體失去平衡時，則摩擦力所做的功為球鉸與撐腳摩擦力所做功的和。經(jīng)計算其慣性制動距離為0.15 m。

4 結(jié)語

連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工能很好地解決梁體施工與所跨建筑物運營干擾的問題［4］，有效地縮短了橋梁施工工期，減少了對既有建筑物的防護工程。連續(xù)梁轉(zhuǎn)體設(shè)計中應(yīng)貫徹安全第一，防患措施全面的設(shè)計思想。

［1］中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司.運糧河特大橋838～839號墩轉(zhuǎn)體部分橋設(shè)計［Z］.西安:中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，2009.

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