铁路连续梁桥转体施工的创新与实践

倪燕平

铁路连续梁桥转体施工的创新与实践

倪燕平

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

结合集包第二双线霸王河1号大桥小半径连续弯梁转体工程实践,介绍一种新的合龙段施工方法,合龙段采用预埋与梁体外形相同的钢壳,使后续的合龙段施工在封闭钢壳内进行,最大限度地减小了对既有铁路的影响;同时采用球铰设横向预偏心解决曲线梁偏载问题。

铁路桥;弯桥转体,合龙段;预偏心

近年来,随着我国铁路建设规模的不断扩大,跨越繁忙的干线铁路和公路的铁路桥梁日益增多,如何尽量减小对既有繁忙干线的影响是设计、施工单位面临的技术难题。

由于转体施工速度快、对既有工程影响小,因此各设计单位结合自身工程特点对其工程应用进行了大量的探索[1]。近年来,转体施工已应用于郑西、哈大、沪杭、武咸城际等高铁的桥梁建设实践,结构形式涵盖了连续梁[2]、刚构[3]、拱桥、斜拉桥等多种桥型,转体最大重力也达到了168 000 kN[4]。但是,跨越繁忙干线桥梁的设计也存在一定的不足,首先从应用范围而言,目前实施的转体桥梁大都应用于直桥和大半径弯梁桥,由于小半径连续弯梁面外存在较大的横向不平衡弯矩,在小半径弯梁中的应用还受到一定的限制;再者虽然采用转体施工后绝大部分梁段均在铁路以外进行,但连续梁合龙段施工仍采用传统工艺进行,仍需在繁忙干线上方进行吊架现浇施工,吊架及模板的安装拆除等作业仍会影响既有铁路的安全。对于跨高速铁路桥梁而言,由于防护设施的实施难度较大,这一点将直接影响设计方案的可行性,在跨高速铁路桥梁设计中,也曾经出现被迫将桥型改为T形刚构、独塔斜拉桥等方案,或采用非对称施工连续梁的案例。

因此,对于转体施工连续梁的合龙段设计以及转体施工在小半径连续弯梁中应用进行研究和探索是十分必要的。结合集包第二双线霸王河1号大桥工程,对上述问题进行了一定的探索,希望其思路对同类桥型的设计有所裨益。

1 工程概况

京包线集宁至包头段增建第二双线工程位于内蒙古自治区西部,属京包通道西段,东起内蒙古自治区乌兰察布市,西至包头市,线路全长308 km。设计速度目标值为160 km/h,预留200 km/h。

集包第二双线在本段上、下行线分离,其中上行线平面位于半径R=1 600m的圆曲线上,以24°夹角上跨既有京包4线电气化铁路。上行线霸王河1号特大桥位于乌兰察布市西南葫芦车站附近,由于本段线路受高程控制,不能采用T形刚构等建筑高度高的结构,因此,主桥采用(60+100+60)m单线预应力混凝土连续弯梁。

2 设计的关键技术问题及对策

由于本桥跨越全路运输最为繁忙的铁路干线之一——既有京包四线电气化铁路,为减小对既有铁路的影响、保证运营安全,本桥采用转体施工。

本桥设计的关键技术问题有以下两点:降低合龙段施工对既有铁路的影响;连续弯梁面外不平衡弯矩的配重方案。

设计中针对上述关键技术问题采取了如下对策:首先中跨合龙段采用预埋与梁体外形相同的高强度钢壳(图1),待梁体转体到位后吊装钢壳合龙节,并将合龙节与预埋钢壳焊接为整体。该钢壳作为外模并承受梁段自重和施工荷载,运营阶段与混凝土形成结合梁参与结构受力。这样合龙段施工在完全封闭的开口钢箱内进行,对既有线的运营没有安全隐患,无需在既有线上进行防护,可以不中断行车,显著提高了跨既有铁路桥梁施工的安全性和可靠性,更加显示出转体施工的优越性,为跨越既有铁路尤其是客运专线的桥梁施工提供了新的思路。

再者采用球铰设横向预偏心来平衡曲梁面外的不平衡弯矩,从而解决曲线梁横向内外侧不平衡问题,解决了繁琐的不平衡配重问题,转体完成后墩中心线与承台中心重合,拓展了转体施工的应用范围。

图1 钢壳与梁体的连接

3 结构设计

3.1 上部结构

主桥上部结构采用(60+100+60)m单线预应力混凝土连续梁,为纵、竖双向预应力结构。主梁采用单箱单室箱形截面,曲梁曲做,梁顶宽7.5 m,梁底宽5.0 m。梁底曲线采用二次抛物线,中支点梁高7.50m,跨中及边墩现浇段梁高4.60m。箱梁顶板厚度为0.36 m,底板厚度为0.45～1.0 m,腹板厚度为0.45～0.8m。

主梁采用在支架上大节段分段现浇形成T构,之后转体的施工方案。除零号段长度为10m外,T构梁段长度采用7、8、8.5m 3种,中跨合龙段长1.5m。每个T构梁段末端预埋与箱梁外轮廓完全相同的钢壳。钢壳采用Q345钢制作,由两侧埋入节和合龙节组成。埋入节总长1.35m,埋入箱梁内80 cm,外露55 cm;合龙节与埋入节的外形相差一个钢壳板厚,总长50 cm,待转体就位后吊装合龙节,并与埋入节的外露部分焊接为整体(图2,图3)。钢壳为开口箱形结构,壁厚12mm,中间设置板式加劲肋和横隔板,加劲肋宽度为200mm,间距50 cm左右;沿桥梁纵向75 cm左右设置1道横隔板。

图2 钢壳节段连接示意

图3 钢壳横断面(单位:cm)

3.2 下部结构

桥墩采用圆端形实体墩,基础采用12根φ1.5 m的钻孔灌注桩,为减小对既有铁路影响,承台斜置。由于采用转体施工,承台采用上、下两层承台的方式,上承台平面尺寸为8 m×8 m,厚度为4 m;下承台平面尺寸为12.2m×8m,厚度为3m。为保证转体过程中的稳定性,在上承台底部沿R=3.25 m的半径均匀设置8对φ60 cm的钢管混凝土撑脚;环形滑道有不锈钢板和四氟乙烯板组成;转体铰采用5 000 t级厂制钢球铰。

经计算,为了消除曲线桥面外的不平衡弯矩,需在桥墩中心与球铰中心间设置17 cm的预偏心,为避免上承台自重引起附加偏心,球铰中心与上承台中心重合。

由于桥墩中心与球铰中心不重合,如果不在上承台(球铰)中心和下承台中心间设置预偏心,则旋转就位后桥墩中心必然与下承台中心间产生偏心,这样一来虽然解决了转体过程的不平衡,却带来了桥墩及上部结构的荷载对基础产生附加偏心。为避免出现上述情况,设计中在保证桥墩中心与球铰中心(上承台中心)预偏心17 cm不变的前提下(图4),在上、下承台中心间设置的纵向6.9 cm,横向15.5 cm预偏心(图5),这样旋转就位后就能够保证桥墩中心与承台中心重合,不产生附加偏心,仅上承台自重产生纵向6.9 cm,横向15.5 cm附加偏心,其影响可以忽略。

图4 墩中心与上承台的关系(单位:cm)

4 结 论

(1)本桥设计中首次提出了采用钢壳和混凝土组合结构中跨合龙段方案,其中钢壳作为外模并承受梁段自重和施工荷载,从而使合龙段施工在完全封闭的钢箱内进行,对既有铁路的影响降至最低,显著提高了跨既有铁路桥梁施工的安全性和可靠性,更加显示出转体施工的优越性,为跨越既有铁路尤其是客运专线的桥梁施工提供了新的思路。

图5 上、下承台间预偏心设置(单位:cm)

(2)通过在桥墩中心和球铰中心间设置预偏心的方式可以有效平衡弯梁的面外不平衡弯矩,避免了弯梁繁琐的配重问题;并在上下承台间设置纵横预偏心,解决了旋转中心改变后引起的桥墩与下承台的偏心问题,从而拓展了转体施工的应用范围,其思路可供同类桥型设计借鉴。

[1] 程飞,等.我国桥梁转体施工技术的发展现状与前景[J].铁道标准设计,2011(6):67-71.

[2] 钱桂枫,等.沪杭高速铁路大跨径预应力混凝土桥梁工程与技术创新[J].铁道标准设计,2011(6):63-66.

[3] 袁定安.武咸城际铁路连续梁跨武广高速铁路转体施工技术[J].铁道标准设计,2012(4):63-69.

[4] 曲树强.铁路客运专线桥梁V形墩连续刚构转体施工技术[J].铁道标准设计,2009(4):46-49.

Construction Innovation and Practice of Railway Continuous Girder Bridges by Swing Method

NIYan-ping
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi'an 710043,China)

Combined with the project practice of small-radius continuous curved girder of the No.1 Bawanghe Bridge on the second double-line of the Ji'ning-Baotou Railway,a new construction method for the closure segmentof bridge is introduced in thispaper.At the closure segment,there was an embedded steel shellwith the same outline just as the girder body with,so that the follow-up construction at this closure segmentwas able to be carried out within the steel shell of a relatively closed space;therefore, the interference effect on those existing railway was able to be reduced to a considerable degree.At the same time,the pre-eccentricity between spherical hinge and pier was given so as to solve the problem of unbalanced load in the curved girder.

railway bridges;curved bridge by swing method;closure segment;pre-eccentricity

U448.21+5;U445.465

A

1004-2954(2013)07-0064-02

2013-02-26;

2013-03-10

倪燕平(1972—),女,高级工程师,1998年毕业于兰州铁道学院,工学硕士。