集包第二双线霸王河特大桥连续梁转体设计与施工关键技术.docx

铁 道 建 筑22ailway engineeringjuly，2014文章编号: 1003-1995( 2014) 07-0022-03集包第二双线霸王河特大桥连续梁 转体设计与施工关键技术姚保辉( 中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)摘要: 以集包第二双线霸王河特大桥小半径单线连续梁转体工程实践为背景，介绍了设计与施工中关键 技术，主要阐述了合龙段钢壳设计与施工技术、曲线桥梁转体钢球铰设置横向预偏心技术和曲线连续梁 转体关键控制技术，对今后类似桥梁的建设具有较高参考价值。关键词: 小半径单线连续梁桥 转体设计与施工 关键技术中图分类号: u445 465 文献标识码: a doi: 10 3969 / j issn 1003-1995 2014 07 071工程概述近年来，随着国家铁路路网的日臻完善，新建铁路 桥梁上跨繁忙的既有干线铁路工程越来越多。受跨越 处地理、地形条件限制，小角度跨越的情况日趋增多， 往往需要大跨度桥梁跨越。转体施工方法以其施工速 度快，对既有铁路干扰少、施工安全性较好的优势成为 这类桥梁施工方法的首选。集宁至包头增建第二双线工程位于内蒙古自治区 西部，是我国“八纵八横”铁路网主骨架之一，京兰通 道的重要组成部分，是缓解京藏公路运输压力的重要 干线。霸王河特大桥在乌兰察布市葫芦车站附近上跨既 有京包铁路，京包铁路为四线 i 级电气化铁路，行车密 度大，平均每 6 min 就有一列列车通过。桥梁位于 = 1 600 m 的曲线上，设计速度 160 km / h，单线铁路，线 路中心线与既有铁路夹角约为 24，对既有线影响范 围大。本段线路受既有葫芦车站影响，桥面高程控制 严格，经多方案比选，桥梁主跨采用( 60 + 100 + 60 ) m 预应力混凝土连续梁，转体法施工。本桥是新建集包第二双线铁路唯一一座连续梁转 体桥，是该铁路线建设的控制性工程之一，同时也是目 前我国在小半径曲线上跨度最大的单线铁路转体桥。 为进一步积累和拓展连续梁跨越既有线桥梁转体设计 施工经验，实现安全、优质、快速跨越既有铁路的施工收稿日期: 2013-11-04; 修回日期: 2014-03-28作者简介: 姚保辉( 1971 ) ，男，陕西宝鸡人，高级工程师。目的，该桥建设中进行了大跨度铁路曲线连续梁桥转 体设计与施工关键技术研究，希望其思路对类似桥梁 的建设有所裨益。该桥 2009 年 1 月开始设计，2010 年 11 月竣工验 收，建成的霸王河特大桥如图 1 所示。图 1 霸王河特大桥2 主要关键技术2. 1 设计方案考虑到既有京包铁路为四线电气化铁路，行车密 度大，本线走行高度又受葫芦站控制，故进行了多方案 比较研究。若主桥采用悬臂现浇，必须抬高线路，预留 挂篮及临时防护管棚的空间。但由于葫芦站控制无法 抬高，且既有线上施工防护棚和梁体需要多次要点施 工，增大施工难度，延长施工工期。经研究比较，主梁采用平行既有铁路线搭设支架 并预压，在支架上大节段分段现浇形成 t 构之后结合 既有线运营、施工要点及天气等因素，择机实施转体施 工。除零号段长度为 10 m 外，t 构梁段长度采用 7，8， 8. 5 m 三种，中跨合龙段长 1. 5 m。待转体就位、线形2014 年第 7 期姚保辉: 集包第二双线霸王河特大桥连续梁转体设计与施工关键技术23调整完毕后封闭钢球铰，然后利用钢壳技术进行中跨 合龙段施工，从而完成跨既有铁路部分施工，最后进行 边跨合龙施工。本方案只在转体过程中及合龙段施工 时对既有线有一定的干扰。2. 2 合龙段钢壳设计新技术本桥上跨既有京包四线铁路，中跨合龙段位于既 有线上方。梁下有四道电气化接触网，梁底与接触网 硬横跨最小距离仅 30 cm，施工安全防护难度非常大。 合龙段施工成为该桥设计和施工的难点。通过技术研究和自主创新，本桥合龙段在国内 首次采用与梁体外形完全一致的高强度钢壳作为外 模，同时承受梁段自重与施工荷载，并与混凝土 形 成 结合梁参与结构受力。合龙段施工在完全封闭的钢 箱内进行，在既有线上方可以不做防护。合 龙段施 工时既有线不中断行车，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。同时合龙之后钢壳作为主体结构一部分， 不用拆除，即省工又大大降低了施工安全风险。 为 跨越既有铁路，尤其是客运专线跨越既有铁路的桥 梁施工提供了新思路。钢壳与连续梁合龙段的结构外形尺寸一致，采用 q235 钢板，板厚 12 mm，每侧钢壳长 135 cm。转体施 工前钢壳先埋入前一梁段 80 cm，外露部分长 55 cm。 转体完成后两钢壳外缘相距 40 cm，采用与钢壳主体 同等外形及厚度的宽 60 cm 的钢壳对预留缝进行封 补。待钢壳形成一个封闭的壳体后，在钢壳内开展钢 筋绑扎和焊接、预应力管道的安装和定位以及浇筑合 龙段混凝土。合龙段钢壳如图 2 所示。图 2 合龙段施工钢壳模板示意为便于钢壳吊装，钢壳分三部分加工，分别为底 板、腹板和翼缘板。钢壳内焊接钢板作为肋板来加强 钢壳整体刚度。加强肋板纵向间距 60 cm 布置，每个 钢壳 中 间 布 置 2 道 加 强 肋 板，肋 板 尺 寸 横 向 高 200 mm，厚 10 mm。2. 3桥梁转体钢球铰设置横向预偏心技术霸王河特大桥主桥属于大跨度铁路单线曲线连续 梁桥。在曲线梁中，由于曲率使得结构的内力相互耦 合，在恒载作用下会产生横向的面外不平衡弯矩。严 重影响单铰转体的安全，给施工带来安全隐患。另外， 本桥箱梁梁底距离既有铁路硬横跨只有 30 cm 高。为 了确保转体施工安全，以及克服自重引起的曲线桥梁 外侧弯矩，设计时将转体结构在横桥向的偏移量设计 成球铰的横桥向偏移量，使球铰中心与转体结构重心 在一条铅垂线上。转体完成后墩中心线与承台中心重 合，为顺利转体奠定了基础，实现了桥梁的稳定转体， 拓展了转体施工的应用范围。根据桥梁结构尺寸及线形，本桥计算的钢球铰中 心与墩中心的预偏心值为 15. 5 cm，如图 3 所示。同 时要求施工时严格按图施工，控制混凝土数量，不少 灌、不超灌，尽量减少不必要的施工荷载，各种施工工 艺应保证转动中心对称一致。图 3 转动中心与墩、承台中心的关系( 单位: cm)本桥在设置配重时，考虑了横向位移小，产生的不 平衡力矩有限的因素。同时采用在桥梁的纵向边跨配 重稍重些的措施，使边跨的 3 个钢支撑与滑道产生轻 微的接触即可。这样的配重措施使转体结构形成多点 接触从而变为超静定结构，实现了结构的安全、稳定。 同时由于 3 个钢支撑与滑道只是轻微的接触，相互作 用力较小，这样可以有效减小转动过程中的摩阻力距， 使转动的牵引力较小，转动过程用时较少，大大提高了 施工效率。同时采用这种配重措施也能有效地避免因 跨中结构与硬横跨距离太近而存在的安全隐患。2. 4钢球铰安装精度控制技术钢球铰是桥梁转体施工中最为关键的部件之一， 需委托专业单位设计、生产。本桥球铰设计承载能力 5 500 t，既是转体桥梁的转动中心，又承受着结构的全 部或绝大部分重力。钢球铰能否精确安装决定着桥梁 转体能否顺利进行并直接关系到施工安全。特别是对 于大跨度单线曲线桥梁，由于横向偏心的存在，使得整24铁 道 建 筑july，2014个结构不稳定，钢球铰的精确安装显得尤为重要。 钢球铰分为上钢球铰、下钢球铰和中心销轴三部分，中心转盘球面直径 2. 5 m，中心销轴直径 30 cm。 钢球铰由上下两块钢质球面板组成，上面板为凸面，与 上部的牵引转盘相连。下转盘为凹面，嵌固于下承台 顶面。本桥利用在上、下承台四周预埋 32 精轧螺纹钢 作为临时措施，防止上、下钢球铰的转动。32 精轧螺 纹钢安装完成后，采用全站仪和电子水准仪测控，对预 埋位置进行精调就位，使 32 精轧螺纹钢处于设计圆 弧上。由于精度要求高，通过研究制定了用圆弧骨架 来控制安装过程中的质量，避免了安装误差超标后的 返工处理，同时也提高了施工效率。2. 5曲线连续梁转体控制技术桥梁转体施工的关键在于转体的过程控制。通过 测试转动体部分的不平衡力矩、偏心距、摩阻力矩及摩 擦系数等参数，来确定桥梁转体的配重，为该桥转体施 工提供依据。应用称重试验的测试结果对转体桥梁进 行配重，可对转体施工起到很好的安全保障作用。桥梁成功转体的关键是转体启动时能否克服球铰 的静摩擦力，转动过程中能否克服球铰的动摩擦力。 设计时根据转体结构的总重力、钢球铰半径、摩擦系数 以及设计转角速度，来计算牵引力、助推力，并根据转 体施工采用的牵引索钢绞线性能指标确定桥梁连续转 体所需设备。经计算，本桥采用 2 台 qdcl 2000-300 型连续千 斤顶作为牵引千斤顶，2 台普通 ycw100 型 100 t 千斤 顶作为启动助推千斤顶。牵引束储备较大，可以提供 转体结构启动后所需全部扭矩。同时备用 2 台普通 ycw100 型 100 t 千斤顶，如发生异常无法启动时可用 其助推启动，发挥了施工设备的最大效率，施工得到了 充分的保证。由于四氟板静摩擦系数与动摩擦系数的差异，在 转体启动的瞬间会由于摩擦力的差值进而产生较大冲 击。对此必须予以重视，避免直接采用钢索 牵 引 启 动。在转体时尽量先用千斤顶顶推启动，再 用钢索 牵引转动，或采用助推启动千斤顶辅助启动，以确保 安全。为确保正式转体连续进行，应进行试转体。正式 转体采用同步千斤顶和计算机自动控制技术实现梁体 连续转体的精确控制。在转体过程中进行动态各项参 数的监控，如采用位移测试法获得每对撑脚处在转体 过程中任一时刻( 或状态) 的竖向位移值，并据此确定 转体过程中任一时刻( 或状态) 梁体有可能发生的竖 向刚体位移，从而指导调整转动梁体由于不平衡力矩或其他偶发因素可能导致的梁体倾斜量。在转体过程 中，应力求转速均匀，防止时快时慢产生冲击。3实施效果2010 年 9 月 27 日霸王河特大桥成功合龙。成桥 状态的线形和内力均满足设计要求，合龙段高程差在 18 mm 以内，中线最大误差仅 5 mm，取得圆满成功。目前，随着桥梁上跨结构物施工日益增多，采用传 统的挂篮施工存在较大的安全风险。霸王河特大桥连 续梁上跨既有京包线，施工技术难度大、安全风险高。 采用本次研究的大跨度铁路曲线连续梁桥转体设计与 施工关键技术，避免了在铁路既有线上方搭设棚洞和 挂篮施工，从而大大减少了铁路施工封锁要点时间，减 少了安全施工隐患，缩短了施工工期。施工更加安全 可靠、造价降低、工程质量容易保障，取得了显著的经 济效益和社会效益，得到各方一致好评，为同类工程施 工提供借鉴。4结语霸王河特大桥是目前我国在小半径曲线上跨度最 大的单线铁路转体桥，其功能定位、建造质量、工期和 投资控制均具挑战性。按照总目标要求，依靠科技进 步，加强自主创新，攻克技术难题，掌握关键技术，其成 果适用于铁路与公路等各种道路的转体桥施工，可为 类似工程积累经验并提供借鉴，推 广应用前景十分 广阔。参考文献1中铁第一勘察设计院集团有限公司 集包第二双线霸王河 特大桥主桥设计z 西安: 中铁第一勘察设计院集团有限 公司，20092中华人民共和国铁道部 tb 10002. 12005 铁路桥涵设 计基本规范s 北京: 中国铁道出版社，20053中华人民共和国铁道部 tb 10002. 32005 铁路桥涵钢