武汉市梅家山立交跨京广铁路转体立交桥设计

 张红华

 (中铁武汉勘察设计研究院有限公司  武汉  430074)

摘要  武汉市鹦鹉洲过江通道武昌岸接线梅家山立交上跨京广铁路立交桥采用50 m+85 m+50 m变截面预应力混凝土连续箱梁，标准横断面为主线双向6车道+E匝道与主线并线渐变段(桥宽35. 0～26.O m)，采用单箱四室斜腹板箱形截面。为保证施工期间铁路运营的安全，在铁路左右侧分别采用转体施工，单个桥墩转体重量为9 600 t，转体角度分别为顺时针62。及70。。文中介绍了该桥桥型布置、上部结构和下部结构的设计，以及转体系统的组成、设计及相关计算结果。

关键词  连续梁转体系统有限元球铰上转盘撑脚

 武汉市鹦鹉洲长江大桥两岸接线工程，道路等级为城市快速路，全线采用高架桥加地面辅道型式。道路标准宽26 m，双向6车道；主线设计车速60 km/h，匝道40 km/h;主线桥面横坡为1.5%；跨京广铁路处净空不小于8.5 m;桥梁抗震设防类别B类，抗震设防烈度6。（对应水平向设计基本地震动加速度峰值0. 05g），抗震设防措施等级7级。

1  总体设计

 武昌岸接线工程梅家山立交主线桥于京广铁路下行线K1211+ 717. 20处上跨京广铁路。公路里程为K14+056～K14+241，全长185 m，标准横断面为主线双向6车道+E匝道与主线并线渐变段(桥宽35. 0～26.O m)。上跨桥桥址位于武昌火车站南咽喉，距武昌车站700 m左右，既有铁路共6股道。

桥跨的布置应满足京广铁路的红线控制范围及铁路各项技术要求，保证施工期京广铁路的运营安全。所选桥型应尽量减少桥梁维修对铁路运输的干扰，满足现状铁路及规划铁路的规范净空要求。综合考虑以上因素及桥梁结构的功能、安全、经济和美观性要求，以及结构与环境的协调性，梅家山立交主线桥采用50 m+85 m+50 m变截面预应力混凝土连续梁上跨京广铁路。采用转体施工，在铁路左右侧分别转体，转体桥墩为ZW220及ZW221，单个桥墩转体重量为9 600 t，转体角度分别为顺时针62。及70。。桥型布置见图1。

2上部结构设计

主梁采用单箱四室斜腹板箱形截面，中支点处梁高5.0 m，端部梁高2.5 m，梁底线形按圆曲线变化，50 m边跨端部直线段长9.15 m，中跨合龙段长3.5 m。箱梁顶板宽26～35 m，底板宽16. 65～25. 65 m，两侧悬臂板长各4.0 m，悬臂板端部厚22 cm，根部厚55 cm;箱梁体顶、底板倾斜形成桥面横坡。箱梁采用三向预应力体系，其中纵向预应力采用17-Qs15.2及9-Qs15.2钢绞线，15-17及15-17P型锚固体系，预应力采用顶、底板及腹板布束方式且尽量靠近腹板布置；横向预应力采用3-Qs15.2，BM15-3型锚固体系，单端交错张拉，间距50 cm；竖向预应力采用直径32 mm精扎螺纹钢筋，张拉控制应力为540 kN，沿主桥纵向间距100 cm布置，张拉完纵向预应力束后和横向预应力一并张拉。预应力混凝土连续箱梁横断面见图2。

3下部结构设计

3.1桥墩、承台及基础

 下部结构中墩采用双柱式框架墩，墩身横桥向尺寸为3.0 m，纵桥向尺寸2.5 m，转盘结构采用环道与中心支承相结合的球铰转动体系；基础采用直径2.0 m的钻孔灌注桩。矩形承台尺寸为12.6 m×12.6 m×3.0 m。边墩采用双柱式框架墩，墩身横桥向尺寸为1.7 m，纵桥向尺寸1.7m，基础采用直径1.5 m的钻孔灌注桩。单个矩形承台尺寸为6.8 m×2.5 m×2.5 m。

3.2转体系统

转体系统由下转盘、球铰、上转盘、转体牵引系统、助推系统及微调系统等组成，转体系统布置见图3。

 转体系统布置图中，球铰平面Ri，滑道中心半径Rz，球铰球面半径R3，定位钢柱直径Di，下盘滑道宽度D2，上盘保险腿直径D3，竖向外力F，，偏心e，保险腿受力F2，定位销剪力t，球铰采用C50混凝土。

 本桥设计尺寸为Ri =1. 65 m，R2一3.8 m，R3 =6 m,D,一0.27  rri,D2 =1.1 m,D3—0.8 m。根据上部结构计算，转盘上部结构合力取Fi一96 000 kN。假设主梁两侧不平衡力400 kN（包括齿块重量差和施工误差），作用于最大悬臂端，力矩16 300 kN．m，偏心为0.17 m。

 根据桥梁所在地区基本风压值计算主梁承受的风力为：F= 195.5 kN，桥墩承受风力F= 13.4kN，对转动平面的力矩之和为：195.5×14+28,8×5=2 881.3 kN．m，偏心0.03 m。风力和主梁自身不平衡力的合力矩偏心为0.172 m。

3.2.1球铰设计

 球铰是实现桥梁转体施工的关键，是转动体系的核心构件，本桥由于转体重量大，故采用钢球铰。

球铰按不考虑保险腿受力设计，当有不平衡荷载时，球铰为偏心受压构件，假设承压面为小偏心受压，转心面积A一7tRi2。

3.2.4定位销抗剪设计

 定位销受力最不利情况为结构荷载偏心最大，保险腿不受力的情况。结构偏心产生的水平不平衡力由定位销和球铰摩擦力共同承担，由于摩擦力很小，不考虑摩擦力的影响时，定位销承受的水平剪力为

 定位销直径取27 cm，抗剪容许应力80MPa，抗剪设计值为4 241 kN，满足抗剪要求。

3.2.5上盘受力计算

上盘是转体的重要结构，在整个转体过程中形成一个多向、立体的受力状态，上盘布有纵、横、竖三向预应力钢筋。上盘边长1 080 cm，高200cm;转台直径870 cm，高度90 cm。上转盘预应力布置见图4。

由于上转盘受力复杂，采用有限元软件MI-DAS FEA建立实体模型进行分析，模型见图5。经计算上转盘均为压应力，未出现拉应力，满足规范要求且有较大的富余。

4转体施工控制

 本桥为变宽度桥梁，转体施工前及转体施工时须对主梁的线形、下转盘应力、转盘平整度等进行一系列的控制测量。转体前必须委托科研单位对转体结构进行称重，实测其重心位置，并进行配重，使全部转体结构重量主要由中心球铰承担。

 正式转体前应进行试转，对监控量测和参数测试结果对理论启动牵引力、转动牵引力、配重等进行调整。应避免在雨雪天气、大风天气、夜间等外部不利条件下进行转体。可多次转体，但要尽量减少转体次数。必要时对梁体进行姿态微调，然后锁定上下转盘，对转体结构进行固封，并将悬臂梁端通过临时锁定结构联系在一起。

5结语

 梅家山立交跨京广铁路立交桥为武汉市鹦鹉洲长江大桥两岸接线工程的控制节点，工期紧，精度要求高，采用转体法施工。由于本桥为变宽度桥梁，试转之前，对转体结构进行了称重试验，并进行了合理的配重。该桥于2014年10月23日及24日对铁路左右侧桥梁进行了转体，分别历时40 min，转体过程平稳，梁体的应力状态和线形均满足设计要求。

 随着我国公路、市政及铁路建设的快速发展，桥梁跨越既有铁路的机会增多，为减少对铁路运营的影响，应优先采用转体施工。