高速铁路连续梁墩顶转体设计

高速铁路连续梁墩顶转体设计

王旭阳 许德利

中铁第一勘察设计院集团有限公司 陕西西安 710043

【摘要】西延高铁杜村特大桥（48+80+48）m连续梁上跨包茂高速，采用墩顶转体工艺，球铰采用可拆卸球铰，转体驱动系统采用液压马达多齿轮并联传动。介绍了可拆迁球铰转体系统，支撑、牵引和平衡系统的结构设计，并进行计算分析。液压马达驱动可拆卸球铰连续梁墩顶转体技术具有球铰更换安全性高，可拆卸重复利用造价低，转体施工的稳定性强等技术特点。该项技术的成功应用，供后续工程设计参考。

关键词：铁路桥梁；上跨高速；墩顶转体；可拆卸球铰；

1  工程概况

新建铁路西安至延安高速铁路是包海通道的重要组成。西延高铁杜村跨包茂高速立交特大桥为跨越包茂高速而设，线路与包茂高速夹角60°，跨越包茂高速设置一联（48+80+48）m连续梁。为保证高速公路运营安全，减少施工过程中对既有公路的运营干扰，采用悬臂浇筑+墩顶转体的施工方法。

2  结构设计

连续梁转体施工包含墩底转体法和墩顶转体法[1]，与常规的墩底转体法相比，墩顶转体法有以下优势：首先墩顶转体体系承重低，转体结构系统的设计难度小，可靠性高。其次，转体结构布置于桥墩顶部，承台尺寸小，有效跨度增加，工程难度及工程造价低。最后，结构的重心高度低，转体作业的安全性高[2][3]。故近年来墩顶转体得到广泛的推广和应用。

本桥采用墩顶转体工艺，球铰采用可拆卸球铰，转体驱动系统采用液压马达多齿轮并联传动，驱动系统占用空间小，可显著减小桥墩尺寸，球铰、撑脚、液压马达、齿条、砂箱等均可拆除重复利用，有效降低施工成本。

2.1梁部结构设计

主桥采用(48+80+48)m连续梁，为单箱单室预应力混凝土连续梁，合龙顺序为先边跨后中跨。沿包茂高速方向在9#、10#墩顶上各自悬臂浇筑完成78m的转体梁段,逆时针将梁体旋转60°至线路中心。连续梁悬灌施工最大悬臂状态下梁部圬工重3290t，选用4500吨的可拆卸球铰进行转体设计。

图2 梁体转动平面图

2.2下部结构设计

桥墩采用圆端形实体桥墩,墩身尺寸为4.8×9.0m，墩顶尺寸4.8×11.5m。为安装墩顶转体系统，便于转体施工和运营维修养护，墩顶至梁底距离预留1.0m安装球铰空间。常规墩顶转体系统尺寸较大，下转盘，滑道及牵引反力座等要布置在墩顶,墩顶结构相比普通墩顶大。而采用可拆卸球铰，液压马达多齿轮并联传动转体驱动系统，转体系统尺寸小，无需加宽桥墩，对节约下部工程圬工具有显著作用[4]。

2.3 转体系统设计

转体系统总布置主要由转体球铰系统、驱动系统、临时固结系统、撑脚系统组成。

1）转体球铰系统：设置于墩顶中间部位，为转体系统核心部件。由球铰上盘、球铰下盘、楔形组块、球铰底座及环形套箍组成。

2）驱动系统：在墩顶设置液压马达,在梁底预埋钢板上固定弧形齿条，齿条的分度圆直径与液压马达尺轮系统匹配。

3）临时固结系统：转体施工前，在梁底及承台之间设置临时固结，在梁底及墩顶设置砂箱。

4）撑脚系统：在预埋座板圆周上放置钢管混凝土撑脚，撑脚内浇注C120高强混凝土。

3 转体系统计算分析

3.1球铰下底板检算

墩顶转体采用竖向承载力为45000kN的可在承压状态下拆卸的新型球铰。球铰采用ZG270-500铸钢制造，环形套箍采用Q345钢板焊接加工。球铰下设置超高强混凝土座板，座板厚度0.20米，球铰经座板45°传力后，桥墩顶帽混凝土应力为：

3.2滑道与撑脚检算

上部结构偏心及风压引起的弯矩引起的不平衡弯矩为M=7315kN·m。

在直径4米滑道上共布置6组撑脚，单个撑脚受力为N=3658kN。

撑脚采用两根Φ406的钢管内填充C120级超高强混凝土，混凝土应力为：

3.3 转体驱动检算

墩顶转体采用液压马达驱动的方案，在梁底预埋钢板上固定弧形齿条，齿条的分度圆直径为5.2米，每道齿条对应的圆心角拟采用36°左右，根据本桥所需的转体角度60°，每侧布置4道齿条。

连续梁转体时考虑结构偏心及风压，撑脚最大受力为3643kN，采用千斤顶辅助进行启动，转动摩阻系数可按照0.06计算，转体所需的驱动力矩计算如下：

克服撑脚摩阻所需的转动力矩为:

克服球铰摩阻所需的转动力矩为:

所需的转动力矩及齿条上的切向力力为:

液压马达驱动齿轮直径取0.4米，则液压马达所需的输出力矩为:

每台马达的输出扭矩为36kN▪m，考虑到施工富裕，设置6台液压马达。

3.4 球铰的数值仿真分析

由于易更换转体球铰承载力大，受力复杂，特别是构件之间利用摩擦副提供滑动功能，且球面滑板、曲面滑板与球冠衬板之间是一种非线性接触连接状态，楔形块依靠两侧摩擦副来传递竖向和水平荷载，增加了受力分析难度，借助有限元分析的方法来计算球铰的受力状态[4]。综合分析球铰结构的应力、应变状态，在设计荷载作用下，球铰处于弹性阶段，不会发生破坏且可作为设备重复使用。

4  结语

本文以西延高铁跨包茂高速主桥墩顶转体为背景，针对转体应用、关键构件设计分析进行阐述。2023年7月29日该桥梁成功转体就位，球铰、撑脚、液压马达、齿条、砂箱等均已拆除，重复利用到其他转体施工桥梁，有效降低施工成本，有非常好的经济效益，极具推广意义。

【参考文献】

[1]殷晓波.上跨铁路(60+100+60)m连续梁墩顶转体施工结构设计研究[J].国防交通工程与技术,2018,16(03):34-37+5.

[2]邹永伟,李辉,徐升桥.铁路连续梁墩顶转体技术研究与应用[J].铁道标准设计,2020,64(S1):200-203.

[3]王奇.大吨位连续梁墩顶转体施工关键技术及应用[J].江苏建筑,2023(02):91-95.

[4]胡叶江.连续梁墩顶转体可拆卸球铰结构分析及试验研究[D].导师：高日.北京交通大学,2020.