高铁上跨既有铁路框架墩转体施工技术与应用

邓锡保 杨喜文 韩晓方 梁 磊 谢秉敏

(1. 中国铁路广州局集团有限公司,深圳 518001; 2. 中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

引言

截至2022 年底,我国铁路运营总里程已达15.5 万km,其中高速铁路为4.2 万km。 随着路网密度的不断增加,在铁路建设过程中,新建线路以桥梁上跨既有铁路成为常见工程现象,斜交角度越小,需要跨越的既有铁路范围越大。 上跨桥梁在施工期间以及后期运维过程中均会对桥下既有铁路的正常运营产生不利影响,因此需要通过研究确定合理的上跨桥梁设计和施工方案。

目前,新建线路多采用大跨度结构转体上跨既有铁路。 已有学者开展相关研究,左家强和李伟分别针对邯济铁路至胶济铁路联络线工程上跨胶济高铁和广佛江珠城际铁路跨越5 条铁路线的桥梁方案进行研究,均采用大跨度斜拉桥方案转体施工跨越既有铁路[1-2];马行川对跨线桥转体技术的特点和局限性进行归纳和总结[3];邹永伟等提出一种铁路连续梁墩顶转体技术[4];陈频志对铁路V 形桥墩转体跨越既有线技术进行研究[5];李辉等提出一种永临结合的连续梁墩顶转体施工方法[6];田小路和刘正飞等提出一种转体连续梁中跨合龙钢壳法技术[7-8];丁仕洪对桁架梁桥异位成型及转体施工技术进行应用[9];黄小安和姚杰分别研究跨度160 m 和132 m 简支钢桁梁跨越既有铁路的转体技术和实践应用[10-11];张壮等对铁路大跨度钢-混凝土组合梁桥在转体施工过程中的受力性能进行分析[12]。 另外,部分新建线路以框架墩桥梁跨越既有铁路,也可采用钢横梁,并通过汽车吊吊装施工[13]。

大跨度桥梁上跨既有铁路不仅工程造价较高,而且这些桥梁结构复杂,施工周期长,桥塔等高空施工作业安全风险高。 基坑开挖和后期沉降可能会对既有铁路的正常运营产生影响[14],尤其是高速铁路,对变形控制严格,而转体连续梁须要在既有铁路上方合龙,无疑增加了安全风险[15]。 另外,大跨结构通常需要设置温度调节器,而小角度斜交位置又常处于平曲线上[16],给结构设计带来困难。 对于框架墩桥梁而言,在钢横梁吊装过程中,除存在汽车吊倾覆的风险外,还存在触电风险,因此施工安全风险较高。

采用转体方法施工框架墩,可以提高框架墩桥梁在跨越既有铁路时的安全性,减少沉降对既有铁路的不利影响,缩短施工周期,降低工程造价和运营期维护成本。

1 框架墩转体施工技术

1.1 总体施工方案

框架墩为门式结构,在铁路上常用于新建线路跨越既有公路、市政道路和铁路等既有线路,框架墩由横梁、两个墩柱及其基础组成,上部结构支承在横梁上。框架墩转体施工的主要目的是通过安全性较高的转体施工方法实现横梁就位。

框架墩的两个墩柱分为转体墩柱和非转体墩柱,横梁与转体墩柱连接固定,形成“倒L 形”转体单元。因框架墩的转体单元为非平衡结构,故需要通过配重使转体结构保持平衡,转体系统设在转体墩柱的墩底承台上,见图1。 在施工过程中,首先施工桥墩基础,安装转体系统,浇筑桥墩混凝土;然后平行既有线路搭设支架,在支架上拼装横梁和配重平衡架,并将横梁与转体墩柱及配重架固定连接;然后按照计算确定的配重荷载在配重架施加压重[17];最后拆除支架,通过转体施工将横梁转体就位,并与非转体墩柱固定连接,完成框架墩施工。

图1 框架墩转体施工方案示意

1.2 转体系统

框架墩的转体系统主要包括球铰、滑道、撑脚、助推反力支座和张拉牵引系统[18],其总体布置见图2。

图2 转体系统布置

转体过程中,张拉牵引系统牵动整个结构转动,是转体系统的动力来源,可通过以下两种工况确定牵引力的大小。

(1)转体质量完全由球铰承担,根据力矩平衡,通过圆面积积分可得

(2)考虑转体质量不平衡,引起的不平衡弯矩为M,此时撑脚着地,牵引力需要克服球铰和撑脚两处摩阻力,根据力的平衡,牵引力为

式中,T为对称设置2 根牵引索时,单根索的拉力;μ为摩擦系数,启动时静摩擦系数和转动时动摩擦系数可分别取0.1 和0.06[19];W为转体质量;R为转铰球面半径;D为牵引索转台的直径;r为撑脚至转体中心的距离;W撑脚为撑脚分担的质量,W撑脚=M/r;W铰为球铰分担的质量,W铰=W-W撑脚。

撑脚支撑于滑道,可提高转体过程中系统的抗倾覆稳定性[20],撑脚通常采用钢管结构,根据受力需要确定是否灌注混凝土。

1.3 合龙连接技术

转体合龙连接位置设在非转体墩柱的钢混结合段上,合龙连接方案见图3。

图3 框架墩钢横梁合龙连接方案

转体施工前,将非转体墩柱上钢混结合段的钢结构分为一、二两部分,结合段钢结构一与钢横梁整体制造,并随钢横梁转体就位,结合段钢结构二临时支撑于非转体墩柱顶端。 钢横梁转体到设计位置后,首先利用千斤顶A 起顶、调整钢横梁的线形和位置,然后利用千斤顶B 将结合段钢结构二起顶并与结合段钢结构一下缘对齐,用螺栓临时固定,然后将结合段钢结构一、二两部分焊接,最后灌注结合段混凝土,形成框架墩结构。

2 转体框架墩跨越能力分析

框架墩转体过程中,横梁处于悬臂状态,与成桥状态相比受力较为不利,横梁应力和梁端挠度是控制转体框架墩适用跨度范围的关键因素,选取8 座采用常规施工方法实施的框架墩,分析钢横梁在一端悬臂状态下的结构应力和梁端挠度。

2.1 分析工况

已实施的8 座框架墩的跨度和结构尺寸见表1,跨度范围为18~30 m,墩柱高12~31.5 m,钢横梁为箱形截面,高2.7~2.8 m,1~3、5 和6 号钢横梁宽3.7 m,4 号钢横梁宽4.5 m,7 和8 号钢横梁宽3.28 m,横梁顶、底板厚28~36 mm,腹板厚20~28 mm,横梁断面见图4。

表1 框架墩跨度和结构尺寸m

图4 框架墩钢横梁断面(单位:mm)

转体施工过程中钢横梁处于悬臂受力状态,在结构自重作用下,分析钢横梁的应力和梁端挠度。

2.2 分析结果

钢横梁的应力和梁端挠度分析结果见表2。 钢横梁最大应力随跨度的增加呈线性增大趋势,跨度为30.0 m 时,应力为75 MPa,按照铁路钢结构设计规范,该应力远小于施工状态下Q345q 钢材的容许应力(252 MPa);梁端挠度随跨度增加同样呈线性增大趋势,跨度为30.0 m 时,梁端挠度为205 mm,该变形量对桥下既有线的影响较小,可满足既有线的安全要求。同时,转体到位后可以较为方便地通过千斤顶进行钢横梁线形和位置调整。 钢横梁最大应力和梁端挠度随跨度的变化情况见图5。

表2 钢横梁悬臂状态分析结果

图5 应力和挠度随跨度的变化趋势

因此,对于框架墩跨度在30 m 以内的情况,可以直接采用转体方法施工,无需进行额外的结构加强设计。

3 工程应用

3.1 工程概况

新建梅州至龙川高速铁路九漳特大桥3 号框架墩在里程DK89+117 处跨越既有京九铁路北东联络线,斜交角度约42°,该区段列车运行速度为200 km/h。新建梅龙高铁与既有京九铁路北东联络线的平面位置关系见图6。

图6 梅龙高铁与北东联络线平面位置关系

九漳特大桥3 号框架墩跨度为18.5 m,墩高15.6 m,上部结构为32 m 预制双线简支箱梁。 框架墩钢横梁采用钢箱结构,梁高2.7 m,梁宽4.5 m,钢材为Q345q;墩柱采用矩形断面,顺桥向宽4.42 m,横桥向宽2.5 m,C40 混凝土,墩柱顶部采用钢横梁支腿外包墩柱混凝土的钢混结合方式,每个墩柱设6 根ϕ1.25 m 桩基础。 3 号框架墩位于京九铁路北东联络线与漳龙铁路之间的夹心地带,大型吊装施工空间受限,因此采用转体施工。

钢横梁在工厂分节段制造后运输至桥址,在既有线路一侧进行焊接成形、吊装至墩顶后,与转体墩柱固结,采用配重平衡的墩底转体施工方法,配重架为桁式结构,桁高3.0 m,节间长3.6 m,总长10.8 m,配重荷载为127.6 kN/m,转体质量约为1 000 t。

3.2 转体框架墩设计成果

上部结构作用于框架墩顶的恒载支反力为2×5 970 kN,活载支反力2×2 927 kN,同时考虑了列车的制动力、横向摇摆力和离心力;基础不均匀沉降10 mm,基本风压400 Pa;根据桥址气温条件,整体升温工况下钢结构升温20 ℃,混凝土升温5 ℃;整体降温工况下,钢结构降温25 ℃,混凝土降温10 ℃。

在列车竖向静活载及温度组合作用下,钢横梁最大竖向挠度值为1.41 mm,小于规范限值L/1 400=13.2 mm;在主力和“主力+附加力”作用下,钢横梁的最大应力分别为84 MPa 和102 MPa,小于规范限值210 MPa 和273 MPa,疲劳应力幅17 MPa,小于容许值69.9 MPa,均满足规范要求。

新建梅龙高铁九漳大桥3 号框架墩转体施工关键设计参数见表3,抗倾覆稳定系数为1.94,满足1.3 的限值要求。

表3 框架墩转体施工关键设计参数

转体状态下,框架墩钢横梁的最大应力为25 MPa,配重架主桁最大拉应力97 MPa,最大压力应111 MPa,斜撑最大压应力62 MPa,斜撑平面内和平面外稳定性均满足规范要求。

3.3 实施效果

新建梅龙高铁九漳特大桥3 号框架墩转体单元于2023 年2 月装配完成,3 月5 日利用铁路天窗点转体就位,转体前和就位后现场情况见图7,转体角度约90°,转体施工耗时约1 h。 与钢横梁吊装方案相比,在施工时间基本相同的情况下,将钢横梁的现场焊接焊缝由2 条减少为1 条,同时极大地提高了施工过程中的抗倾覆稳定性,在提高结构施工质量的同时降低了安全风险。

图7 框架墩转体现场情况

4 结论

以新建梅龙高铁上跨既有京九铁路联络线为工程依托,研究以框架墩转体跨越既有铁路的施工技术方案,结论如下。

(1)框架墩宜通过配重平衡,在墩底设置转体系统,可以实现转体施工,转体质量约1 000 t;通过将非转体墩柱上的钢混结合段钢结构分为两部分制造,配合千斤顶调整姿态,可以实现转体就位后的快速合龙。

(2)跨度≯30 m 的框架墩,在钢横梁悬臂状态下,应力水平较小,梁端挠度可控,无需采取加强措施。

(3)与大跨结构转体施工的跨越方案相比,转体框架墩方案可以显著降低结构的复杂程度和工程造价;与框架墩钢横梁汽车吊吊装施工方案相比,可以减小触电风险,提高抗倾覆稳定性,显著降低施工风险,尤其适用于新建线路上跨高速铁路或繁忙干线。