傅賢超，王正儀，王興猛

(中鐵西南科學(xué)研究院，四川 成都 610031)

目前中國(guó)新建高鐵及既有鐵路提速快速發(fā)展，為了周圍居民的安全，應(yīng)實(shí)行線路全封閉，這必會(huì)對(duì)鐵路沿線居民正常出行帶來(lái)不便，需建設(shè)跨線人行天橋來(lái)解決由此帶來(lái)的影響。為了不影響現(xiàn)有線路的運(yùn)營(yíng)，跨線施工中以轉(zhuǎn)體工藝為最佳方案之一。本文以襄渝鐵路下行線K768+740人行天橋的設(shè)計(jì)為例，闡述轉(zhuǎn)體工藝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。本橋?yàn)門形剛構(gòu)橋轉(zhuǎn)體設(shè)計(jì)，橋跨布置為 21.5 m+15 m，長(zhǎng)、短跨比為 0.698，根據(jù)排水需要及地形情況設(shè)置2%單向縱坡。長(zhǎng)跨為變截面，采用1.8次拋物線線型，墩頂梁高 1.4 m，端部梁高0.5 m，采用雙肋，肋厚 0.3 m;短跨采用單肋，肋厚1.2 m;橋墩采用1.2 m ×1.4 m 鋼筋混凝土矩形實(shí)心墩，墩梁固結(jié)[1]。

1 轉(zhuǎn)盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)盤(pán)分為上、下轉(zhuǎn)盤(pán)。下轉(zhuǎn)盤(pán)與基礎(chǔ)相連，下轉(zhuǎn)盤(pán)頂面上設(shè)一層2 cm厚Q235鋼板，鋼板底面與下轉(zhuǎn)盤(pán)的預(yù)埋鋼筋焊接。鋼板上鋪設(shè)一層聚四氟乙烯板，以減小上、下轉(zhuǎn)盤(pán)間的摩擦。為了控制轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中上部梁、墩結(jié)構(gòu)的平衡安全，在下轉(zhuǎn)盤(pán)上設(shè)置8個(gè)保險(xiǎn)腿，并在保險(xiǎn)腿之間放置4個(gè)豎向千斤頂以微調(diào)平衡。上轉(zhuǎn)盤(pán)底面設(shè)一層不銹鋼鋼板，其目的是為了進(jìn)一步減小上、下轉(zhuǎn)盤(pán)間的摩擦系數(shù)。上轉(zhuǎn)盤(pán)為2 cm厚Q235鋼板制作成中心下凸的平面轉(zhuǎn)鉸，如圖1所示。轉(zhuǎn)體完成后，焊接上、下轉(zhuǎn)盤(pán)中的預(yù)埋鋼筋，澆筑之間的空隙，使上下轉(zhuǎn)盤(pán)固結(jié)為一個(gè)整體[2]。

圖1 轉(zhuǎn)盤(pán)立面及平面(單位:cm)

2 轉(zhuǎn)動(dòng)牽引力計(jì)算

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)可知轉(zhuǎn)體靜摩擦系數(shù)μg一般為 0.06 ～0.09，動(dòng)摩擦系數(shù) μd一般為 0.035 ～0.08，施工時(shí)可現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，并采取如在聚四氟乙烯板上添加黃油等措施來(lái)減小靜、動(dòng)摩擦系數(shù)，從而減小牽引力。

轉(zhuǎn)體牽引裝置設(shè)置在上轉(zhuǎn)盤(pán)兩側(cè)，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)壓力的形心在2r/3處。根據(jù)力矩平衡(圖2)∑M=0可得[3-4]

式中，G為轉(zhuǎn)體重量，R為上轉(zhuǎn)盤(pán)半徑，r為轉(zhuǎn)鉸半徑。若取 μg=0.08，G=1 500 kN，R=2 m，r=1 m，則 F=20 kN。

圖2 牽引計(jì)算圖式

牽引動(dòng)力可由兩臺(tái)5 t的卷?yè)P(yáng)機(jī)提供。由于卷?yè)P(yáng)機(jī)的性能不易根據(jù)實(shí)際情況控制速度，兩邊拉力不易平衡，降低了轉(zhuǎn)體穩(wěn)定性。在實(shí)際施工過(guò)程中用手拉鏈條葫蘆代替卷?yè)P(yáng)機(jī)，通過(guò)人工曳動(dòng)手鏈條使手鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將摩擦片棘輪、制動(dòng)器座壓成一體共同旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到牽引的目的。如何保證兩端牽引力大小一致，可按如圖3和圖4所示布置，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)方向確定鋼絲牽引繩纏繞方向，如轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針，則A端牽引繩順時(shí)針向上纏繞3圈，B端順時(shí)針向下纏繞3圈，纏繞圈數(shù)由上轉(zhuǎn)盤(pán)邊緣轉(zhuǎn)動(dòng)距離確定(一般兩端牽引繩各纏繞3圈)。A端纏繞3圈之后通過(guò)兩個(gè)定滑輪改變牽引方向，與B端牽引繩平行，B端牽引繩穿過(guò) C滑輪，與A端牽引繩用U型螺栓擰緊，從而可保證A，B兩端牽引力大小一致，而C滑輪另一端連接手拉鏈條葫蘆。手拉鏈條固定端安裝一個(gè)拉力讀數(shù)器，牽引力大小可隨時(shí)從儀器上讀取。表1所示為襄渝鐵路跨線部分人行天橋?qū)崪y(cè)牽引力以及計(jì)算得到的靜摩擦系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)。

圖3 牽引裝置平面

圖4 牽引裝置立面圖

表1 襄渝鐵路跨線人行天橋牽引力數(shù)據(jù)

3 轉(zhuǎn)盤(pán)應(yīng)力驗(yàn)算

轉(zhuǎn)盤(pán)結(jié)構(gòu)采用C50鋼筋混凝土，上部結(jié)構(gòu)為T形不對(duì)稱懸臂剛構(gòu)，密度按2.6 t/m3計(jì)算，根據(jù)模型計(jì)算可知主梁和橋墩總重為1 280 kN，平衡重(配重)為135 kN，考慮安全系數(shù)和施工臨時(shí)荷載，轉(zhuǎn)體上部結(jié)構(gòu)按施加1 500 kN重量計(jì)算。采用有限元分析軟件建模，結(jié)果如圖5所示(負(fù)值為壓應(yīng)力，正值為拉應(yīng)力，單位為Pa)。轉(zhuǎn)盤(pán)最大壓應(yīng)力為4.04 MPa，最大拉應(yīng)力為0.89 MPa，應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)中上、下轉(zhuǎn)盤(pán)均用鋼板套箍，不但減小轉(zhuǎn)體的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)，同時(shí)也增加了轉(zhuǎn)盤(pán)的強(qiáng)度，使結(jié)構(gòu)更加安全可靠[5]。

圖5 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力云圖(單位:Pa)

4 抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算

由于本橋設(shè)計(jì)為不對(duì)稱布置，通過(guò)在短跨邊施加平衡重以達(dá)到轉(zhuǎn)體平衡。由于施工誤差和結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差的存在，實(shí)際情況很難達(dá)到理論上的完全平衡，這就需要計(jì)算橋梁在配重作用下的穩(wěn)定性，以免發(fā)生傾覆。

結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算的方程可表示為

其中，[KD]為結(jié)構(gòu)彈性剛度矩陣，對(duì)桿系結(jié)構(gòu)反應(yīng)了其單元截面剛度EA和EI的影響;[KG]為幾何剛度矩陣，也稱為初始應(yīng)力矩陣，與桿系結(jié)構(gòu)與桿件的長(zhǎng)度、位置和初始軸力有關(guān)。幾何剛度矩陣使單元?jiǎng)偠劝l(fā)生了變化，主要是由于軸力在桿彎曲時(shí)產(chǎn)生的效應(yīng)所致。

根據(jù)式(2)可以求得在{F}作用下的位移{δ}，如荷載不斷增加，則結(jié)構(gòu)位移不斷增大。由于[KG]與荷載大小有關(guān)，這時(shí)結(jié)構(gòu)的力與位移不再是線性關(guān)系，如{F}達(dá)到 λσ{F}時(shí)，結(jié)構(gòu)達(dá)到隨遇平衡狀態(tài)，這就是所要求的臨界荷載。若{F}增加至λ倍，則內(nèi)力和幾何剛度也增加至λ倍，由(2)式可得

如λ足夠大，使得結(jié)構(gòu)達(dá)到隨遇平衡狀態(tài)，即當(dāng){δ}增加{Δδ}時(shí)，上列平衡方程也能滿足，即有

同時(shí)滿足式(3)和(4)的條件是

式(5)就是計(jì)算結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)的結(jié)構(gòu)方程式，若方程有 n階，則理論上存在 n個(gè)特征值 λ1，λ2，…，λn，但工程上只有最小的特征值或最小的安全系數(shù)才有實(shí)際意義，這時(shí)的特征值為 λσ，臨界荷載為 λσ{F}。

根據(jù)有限元模型的計(jì)算分析可得，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中橋梁結(jié)構(gòu)在配重作用下的穩(wěn)定系數(shù)為3.39(如圖6所示)，而規(guī)范規(guī)定，施工中的橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)不得小于2，故本橋抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

圖6 懸臂狀態(tài)在配重作用下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)

5 抗風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)在不同的地區(qū)和不同的季節(jié)有不同的抗風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》，風(fēng)荷載應(yīng)該按下式進(jìn)行計(jì)算。

式中 W——風(fēng)荷載(Pa);

W0——基本風(fēng)壓值;

K1——風(fēng)載體形系數(shù);

K2——風(fēng)載高度變化系數(shù);

K3——地形地理?xiàng)l件系數(shù)。

根據(jù)全國(guó)基本風(fēng)壓圖可查詢得到重慶地區(qū)(橋梁所在地)基本風(fēng)壓值W0=0.3 kN/m2，但考慮到鐵路地形的特殊性，應(yīng)按風(fēng)力等級(jí)來(lái)考慮。正式轉(zhuǎn)體時(shí)(懸臂狀態(tài))要求風(fēng)力不超過(guò)6級(jí)，因此以最大風(fēng)力來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性。風(fēng)力為6級(jí)時(shí)的最大風(fēng)壓值W=v2/1 600=312/1 600=0.6 kN/m2。根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》，綜合橋梁設(shè)計(jì)，取主梁K1=1.2，橋墩K1=1.4;K2=1.0;K3=1.2。則主梁上的風(fēng)荷載為 WZ=0.864 kN/m2，橋墩上的風(fēng)荷載為 WD=1.008 kN/m2。計(jì)算結(jié)果表明，橋梁在風(fēng)荷載作用下的穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到了26.58，如圖7所示，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范要求，故抗風(fēng)穩(wěn)定性滿足要求。

圖7 懸臂狀態(tài)在風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)

6 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)每一個(gè)施工階段進(jìn)行計(jì)算分析。當(dāng)脫架完成，梁體處于懸臂狀態(tài)階段，結(jié)構(gòu)最不穩(wěn)定，故文中轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)應(yīng)力驗(yàn)算、平衡重下的穩(wěn)定分析和抗風(fēng)穩(wěn)定性均以懸臂狀態(tài)為準(zhǔn)。計(jì)算結(jié)果表明轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中內(nèi)力和穩(wěn)定性均滿足設(shè)計(jì)要求。目前該橋及后續(xù)數(shù)十座橋已成功轉(zhuǎn)體，轉(zhuǎn)鉸均為通用設(shè)計(jì)，節(jié)省了設(shè)計(jì)費(fèi)、轉(zhuǎn)鉸加工及安裝費(fèi)，降低了工程造價(jià)。本項(xiàng)技術(shù)為以后輕型橋梁轉(zhuǎn)體設(shè)計(jì)提供了參考。

[1]王興猛，傅賢超，曹文.襄渝鐵路線下行 K768+740人行天橋設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)[R].成都:中鐵西南科學(xué)研究院，2010.

[2]曹文，王正儀，王興猛.輕型橋梁轉(zhuǎn)體施工專項(xiàng)試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑，2011(12):13-15.

[3]張聯(lián)燕，譚邦明，陳俊卿，等.橋梁轉(zhuǎn)體施工[M].北京:人民交通出版社，2001.

[4]中華人民共和國(guó)交通部.JTJ 041—2000 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2000.

[5]張立明.Algor、Ansys在橋梁工程中的應(yīng)用方法與實(shí)例[M].北京:人民交通出版社，2005.