高鐵上跨既有鐵路框架墩轉體施工技術與應用

鄧錫保 楊喜文 韓曉方 梁 磊 謝秉敏

(1. 中國鐵路廣州局集團有限公司,深圳 518001; 2. 中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

引言

截至2022 年底,我國鐵路運營總里程已達15.5 萬km,其中高速鐵路為4.2 萬km。 隨著路網密度的不斷增加,在鐵路建設過程中,新建線路以橋梁上跨既有鐵路成為常見工程現象,斜交角度越小,需要跨越的既有鐵路范圍越大。 上跨橋梁在施工期間以及后期運維過程中均會對橋下既有鐵路的正常運營產生不利影響,因此需要通過研究確定合理的上跨橋梁設計和施工方案。

目前,新建線路多采用大跨度結構轉體上跨既有鐵路。 已有學者開展相關研究,左家強和李偉分別針對邯濟鐵路至膠濟鐵路聯絡線工程上跨膠濟高鐵和廣佛江珠城際鐵路跨越5 條鐵路線的橋梁方案進行研究,均采用大跨度斜拉橋方案轉體施工跨越既有鐵路[1-2];馬行川對跨線橋轉體技術的特點和局限性進行歸納和總結[3];鄒永偉等提出一種鐵路連續梁墩頂轉體技術[4];陳頻志對鐵路V 形橋墩轉體跨越既有線技術進行研究[5];李輝等提出一種永臨結合的連續梁墩頂轉體施工方法[6];田小路和劉正飛等提出一種轉體連續梁中跨合龍鋼殼法技術[7-8];丁仕洪對桁架梁橋異位成型及轉體施工技術進行應用[9];黃小安和姚杰分別研究跨度160 m 和132 m 簡支鋼桁梁跨越既有鐵路的轉體技術和實踐應用[10-11];張壯等對鐵路大跨度鋼-混凝土組合梁橋在轉體施工過程中的受力性能進行分析[12]。 另外,部分新建線路以框架墩橋梁跨越既有鐵路,也可采用鋼橫梁,并通過汽車吊吊裝施工[13]。

大跨度橋梁上跨既有鐵路不僅工程造價較高,而且這些橋梁結構復雜,施工周期長,橋塔等高空施工作業安全風險高。 基坑開挖和后期沉降可能會對既有鐵路的正常運營產生影響[14],尤其是高速鐵路,對變形控制嚴格,而轉體連續梁須要在既有鐵路上方合龍,無疑增加了安全風險[15]。 另外,大跨結構通常需要設置溫度調節器,而小角度斜交位置又常處于平曲線上[16],給結構設計帶來困難。 對于框架墩橋梁而言,在鋼橫梁吊裝過程中,除存在汽車吊傾覆的風險外,還存在觸電風險,因此施工安全風險較高。

采用轉體方法施工框架墩,可以提高框架墩橋梁在跨越既有鐵路時的安全性,減少沉降對既有鐵路的不利影響,縮短施工周期,降低工程造價和運營期維護成本。

1 框架墩轉體施工技術

1.1 總體施工方案

框架墩為門式結構,在鐵路上常用于新建線路跨越既有公路、市政道路和鐵路等既有線路,框架墩由橫梁、兩個墩柱及其基礎組成,上部結構支承在橫梁上?？蚣芏辙D體施工的主要目的是通過安全性較高的轉體施工方法實現橫梁就位。

框架墩的兩個墩柱分為轉體墩柱和非轉體墩柱,橫梁與轉體墩柱連接固定,形成“倒L 形”轉體單元。因框架墩的轉體單元為非平衡結構,故需要通過配重使轉體結構保持平衡,轉體系統設在轉體墩柱的墩底承臺上,見圖1。 在施工過程中,首先施工橋墩基礎,安裝轉體系統,澆筑橋墩混凝土;然后平行既有線路搭設支架,在支架上拼裝橫梁和配重平衡架,并將橫梁與轉體墩柱及配重架固定連接;然后按照計算確定的配重荷載在配重架施加壓重[17];最后拆除支架,通過轉體施工將橫梁轉體就位,并與非轉體墩柱固定連接,完成框架墩施工。

圖1 框架墩轉體施工方案示意

1.2 轉體系統

框架墩的轉體系統主要包括球鉸、滑道、撐腳、助推反力支座和張拉牽引系統[18],其總體布置見圖2。

圖2 轉體系統布置

轉體過程中,張拉牽引系統牽動整個結構轉動,是轉體系統的動力來源,可通過以下兩種工況確定牽引力的大小。

(1)轉體質量完全由球鉸承擔,根據力矩平衡,通過圓面積積分可得

(2)考慮轉體質量不平衡,引起的不平衡彎矩為M,此時撐腳著地,牽引力需要克服球鉸和撐腳兩處摩阻力,根據力的平衡,牽引力為

式中,T為對稱設置2 根牽引索時,單根索的拉力;μ為摩擦系數,啟動時靜摩擦系數和轉動時動摩擦系數可分別取0.1 和0.06[19];W為轉體質量;R為轉鉸球面半徑;D為牽引索轉臺的直徑;r為撐腳至轉體中心的距離;W撐腳為撐腳分擔的質量,W撐腳=M/r;W鉸為球鉸分擔的質量,W鉸=W-W撐腳。

撐腳支撐于滑道,可提高轉體過程中系統的抗傾覆穩定性[20],撐腳通常采用鋼管結構,根據受力需要確定是否灌注混凝土。

1.3 合龍連接技術

轉體合龍連接位置設在非轉體墩柱的鋼混結合段上,合龍連接方案見圖3。

圖3 框架墩鋼橫梁合龍連接方案

轉體施工前,將非轉體墩柱上鋼混結合段的鋼結構分為一、二兩部分,結合段鋼結構一與鋼橫梁整體制造,并隨鋼橫梁轉體就位,結合段鋼結構二臨時支撐于非轉體墩柱頂端。 鋼橫梁轉體到設計位置后,首先利用千斤頂A 起頂、調整鋼橫梁的線形和位置,然后利用千斤頂B 將結合段鋼結構二起頂并與結合段鋼結構一下緣對齊,用螺栓臨時固定,然后將結合段鋼結構一、二兩部分焊接,最后灌注結合段混凝土,形成框架墩結構。

2 轉體框架墩跨越能力分析

框架墩轉體過程中,橫梁處于懸臂狀態,與成橋狀態相比受力較為不利,橫梁應力和梁端撓度是控制轉體框架墩適用跨度范圍的關鍵因素,選取8 座采用常規施工方法實施的框架墩,分析鋼橫梁在一端懸臂狀態下的結構應力和梁端撓度。

2.1 分析工況

已實施的8 座框架墩的跨度和結構尺寸見表1,跨度范圍為18~30 m,墩柱高12~31.5 m,鋼橫梁為箱形截面,高2.7~2.8 m,1~3、5 和6 號鋼橫梁寬3.7 m,4 號鋼橫梁寬4.5 m,7 和8 號鋼橫梁寬3.28 m,橫梁頂、底板厚28~36 mm,腹板厚20~28 mm,橫梁斷面見圖4。

表1 框架墩跨度和結構尺寸m

圖4 框架墩鋼橫梁斷面(單位:mm)

轉體施工過程中鋼橫梁處于懸臂受力狀態,在結構自重作用下,分析鋼橫梁的應力和梁端撓度。

2.2 分析結果

鋼橫梁的應力和梁端撓度分析結果見表2。 鋼橫梁最大應力隨跨度的增加呈線性增大趨勢,跨度為30.0 m 時,應力為75 MPa,按照鐵路鋼結構設計規范,該應力遠小于施工狀態下Q345q 鋼材的容許應力(252 MPa);梁端撓度隨跨度增加同樣呈線性增大趨勢,跨度為30.0 m 時,梁端撓度為205 mm,該變形量對橋下既有線的影響較小,可滿足既有線的安全要求。同時,轉體到位后可以較為方便地通過千斤頂進行鋼橫梁線形和位置調整。 鋼橫梁最大應力和梁端撓度隨跨度的變化情況見圖5。

表2 鋼橫梁懸臂狀態分析結果

圖5 應力和撓度隨跨度的變化趨勢

因此,對于框架墩跨度在30 m 以內的情況,可以直接采用轉體方法施工,無需進行額外的結構加強設計。

3 工程應用

3.1 工程概況

新建梅州至龍川高速鐵路九漳特大橋3 號框架墩在里程DK89+117 處跨越既有京九鐵路北東聯絡線,斜交角度約42°,該區段列車運行速度為200 km/h。新建梅龍高鐵與既有京九鐵路北東聯絡線的平面位置關系見圖6。

圖6 梅龍高鐵與北東聯絡線平面位置關系

九漳特大橋3 號框架墩跨度為18.5 m,墩高15.6 m,上部結構為32 m 預制雙線簡支箱梁。 框架墩鋼橫梁采用鋼箱結構,梁高2.7 m,梁寬4.5 m,鋼材為Q345q;墩柱采用矩形斷面,順橋向寬4.42 m,橫橋向寬2.5 m,C40 混凝土,墩柱頂部采用鋼橫梁支腿外包墩柱混凝土的鋼混結合方式,每個墩柱設6 根?1.25 m 樁基礎。 3 號框架墩位于京九鐵路北東聯絡線與漳龍鐵路之間的夾心地帶,大型吊裝施工空間受限,因此采用轉體施工。

鋼橫梁在工廠分節段制造后運輸至橋址,在既有線路一側進行焊接成形、吊裝至墩頂后,與轉體墩柱固結,采用配重平衡的墩底轉體施工方法,配重架為桁式結構,桁高3.0 m,節間長3.6 m,總長10.8 m,配重荷載為127.6 kN/m,轉體質量約為1 000 t。

3.2 轉體框架墩設計成果

上部結構作用于框架墩頂的恒載支反力為2×5 970 kN,活載支反力2×2 927 kN,同時考慮了列車的制動力、橫向搖擺力和離心力;基礎不均勻沉降10 mm,基本風壓400 Pa;根據橋址氣溫條件,整體升溫工況下鋼結構升溫20 ℃,混凝土升溫5 ℃;整體降溫工況下,鋼結構降溫25 ℃,混凝土降溫10 ℃。

在列車豎向靜活載及溫度組合作用下,鋼橫梁最大豎向撓度值為1.41 mm,小于規范限值L/1 400=13.2 mm;在主力和“主力+附加力”作用下,鋼橫梁的最大應力分別為84 MPa 和102 MPa,小于規范限值210 MPa 和273 MPa,疲勞應力幅17 MPa,小于容許值69.9 MPa,均滿足規范要求。

新建梅龍高鐵九漳大橋3 號框架墩轉體施工關鍵設計參數見表3,抗傾覆穩定系數為1.94,滿足1.3 的限值要求。

表3 框架墩轉體施工關鍵設計參數

轉體狀態下,框架墩鋼橫梁的最大應力為25 MPa,配重架主桁最大拉應力97 MPa,最大壓力應111 MPa,斜撐最大壓應力62 MPa,斜撐平面內和平面外穩定性均滿足規范要求。

3.3 實施效果

新建梅龍高鐵九漳特大橋3 號框架墩轉體單元于2023 年2 月裝配完成,3 月5 日利用鐵路天窗點轉體就位,轉體前和就位后現場情況見圖7,轉體角度約90°,轉體施工耗時約1 h。 與鋼橫梁吊裝方案相比,在施工時間基本相同的情況下,將鋼橫梁的現場焊接焊縫由2 條減少為1 條,同時極大地提高了施工過程中的抗傾覆穩定性,在提高結構施工質量的同時降低了安全風險。

圖7 框架墩轉體現場情況

4 結論

以新建梅龍高鐵上跨既有京九鐵路聯絡線為工程依托,研究以框架墩轉體跨越既有鐵路的施工技術方案,結論如下。

(1)框架墩宜通過配重平衡,在墩底設置轉體系統,可以實現轉體施工,轉體質量約1 000 t;通過將非轉體墩柱上的鋼混結合段鋼結構分為兩部分制造,配合千斤頂調整姿態,可以實現轉體就位后的快速合龍。

(2)跨度≯30 m 的框架墩,在鋼橫梁懸臂狀態下,應力水平較小,梁端撓度可控,無需采取加強措施。

(3)與大跨結構轉體施工的跨越方案相比,轉體框架墩方案可以顯著降低結構的復雜程度和工程造價;與框架墩鋼橫梁汽車吊吊裝施工方案相比,可以減小觸電風險,提高抗傾覆穩定性,顯著降低施工風險,尤其適用于新建線路上跨高速鐵路或繁忙干線。