第６１卷第５期 铁道标准设计 ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＴＡＮＤＡＲＤ ＤＥＳＩＧＮ Ｖｏ１．６１ Ｎｏ．５ Ｍａｖ ２０ｌ７ ２０１７年５月 文章编号：１００４—２９５４（２０１７）０５—００６５～０５ 郑万铁路上跨郑西客专联络线特大桥主桥 转体结构分析 贾宝红 （郑万铁路客运专线河南有限责任公司，郑州４５０００３） 摘 要：郑万铁路上跨郑西客专联络线特大桥为主跨１３８ ｍ独塔斜拉桥，该桥位于半径１ ４００ ｎｌ曲线上，采用国内最 大横向偏心球铰（偏心距０．８４７ ｍ），其可靠性与稳定性对保证施工安全至关重要。基于空间有限元软件Ｍｉｄａｓ ＦＥＡ分析转体结构在施．Ｙ－过程中的局部应力分布，并研究预应力筋对转体结构力学性能的影响。结果表明：（１）转 体结构整体处于较低的应力状态，局部存在应力集中，可通过构造措施保证其力学性能；（２）预应力筋的配置可大 幅减小由于局部承压而产生的拉应力，确保转体施工中上下转盘的结构安全；（３）通过设置预偏心，实现了转体施 工在大跨度小曲线斜拉桥上的成功运用，降低了桥面配重和转体重力。上述研究成果可为同类型桥梁转体施工提 供重要借鉴。 关键词：铁路桥；独塔斜拉桥；转体施工；横向偏心球铰；有限元 中图分类号：Ｕ４４５ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．１３２３８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４－２９５４．２０１７．０５．０１５ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｏｔａｒｙ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｘｔｒａ－ｌｏｎｇ Ｂｒｉｄｇｅ Ｃｒｏｓｓｉｎｇ－ ｏｖｅｒ Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ－Ｘｉａｎ Ｒａｉｌｗａｙ Ｌｉｎｅ ｏｎ Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ－ Ｗａｎｚｈｏｕ Ｄｅｄｉｃａｔｅｄ Ｐａｓｓｅｎｇｅｒ Ｔｉｅ—Ｌｉｎｅ ＪＩＡ Ｂａｏ—ｈｏｎｇ （Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ—Ｗａｎｚｈｏｕ Ｒａｉｌｗａｙ Ｄｅｄｉｃａｔｅｄ Ｐａｓｓｅｎｇｅｒ Ｌｉｎｅ Ｈｅｎａｎ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｏｎ Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ－Ｗａｎｚｈｏｕ ｄｅｄｉｃａｔｅｄ ｐａｓｓｅｎｇｅｒ ｔｉｅ－ｌｉｎｅ ｃｒｏｓｓｉｎｇ－ｏｖｅｒ Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ—Ｘｉａｎ ｌｉｎｅ ｉｓ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｐｙｌｏｎ ｃａｂｌｅ・ｓｔａｙｅｄ ｂｒｉｄｇｅ ｗｉｔｈ ａ ｍａｉｎ ｓｐａｎ ｏｆ １３８ｍ ａｎｄ ｉｓ ｔｈｅ ｌｏｎｇｅｓｔ ｒａｉｌｗａｙ ｃｕｒｖｅｄ ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ ｓｗｉｎｇ ｂｒｉｄｇｅ．Ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｌｏｃａｔｅｄ ｏｎ ａ １４００ｍ ｃｕｒｖｅ ｌｉｎｅ ｉｓ ｅｑｕｉｐｐｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔ ｌａｔｅｒａｌ ｅｃｃｅｎｔｉｒｃｉｔｙ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｈｉｎｇｅ（ＳＨ）ｉｎ Ｃｈｉｎａ，ａｎｄ ｉｔｓ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｒｅ ｏｆ ｇｒｅａｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓａｆｅｔｙ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＳＨ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｍｉｄａｓ ＦＥＡ ｐｒｏｇｒａｍ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｔｅｎｄｏｎｓ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ＳＨ ｉｓ ａｌｓｏ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ：（１）ｔｈｅ ｅｎｔｉｒｅ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｓｕｂｊｅｃｔ ｔｏ ａ ｌｏｗ ｓｔｒｅｓｓ ｗｉｔｈ ｏｎｌｙ ｓｏｍｅ ｌｏｃａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｓｏｌｖｅｄ ｂｙ ｓｏｍｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｍｅａｓｕｒｅｓ； （２）ｔｈｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｓｏｍｅ ｌｏｃａｌ ａｒｅａｓ ｃａｎ ｂｅ ｇｒｅａｔｌｙ ｒｅｄｕｃｅｄ ｂｙ ｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ ｔｅｎｄｏｎｓ ＳＯ ｔｈａｔ ｓａｆｅｔｙ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｅｎｓｕｒｅｄ；（３）ｔｈｅ ｓｅｔｔｉｎｇ ｏｆ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｅｎａｂｌｅｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｌｏｎｇ－ｓｐａｎ ｓｍａｌｌ—ｃｕｒｖｅｄ ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ ｂｒｉｄｇｅ，ｔｈｕｓ，ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｗｅｉｇｈｔ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｃｋ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｗｉｖｅｌ ｗｅｉｇｈｔ ｉｓ ｇｒｅａｔｌｙ ｒｅｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｍａｙ ｐｒｏｖｉｄｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｍｉｌａｒ ｂｒｉｄｇｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｒａｉｌｗａｙ ｂｒｉｄｇｅ；Ｓｉｎｇｌｅ ｐｙｌｏｎ ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ ｂｒｉｄｇｅ；Ｒｏｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；Ｌａｔｅｒａｌ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｈｉｎｇｅ；Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ 收稿日期：２０１７—０１—１０；修回日期：２０１７—０２—１Ｏ １ 概述（图１） 作者简介：贾宝红（１９６６一），男，高级工程师，１９８８年毕业于西南交通 大学铁道工程专业，工学学士，Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｉａｂａｏｈｏｎｓｏ０ｌ＠１６３．ｔｏｍ。 郑万铁路上跨郑西客专联络线特大桥位于郑州市 ６６ 铁道标准设计 第６ｌ卷 经济技术开发区，主要为跨越石武、郑西客运专线、 １０７国道、南三环等控制点而设，其中主桥与郑西客运 专线夹角ｌ７。。主桥设计速度１６０ ｋｍ／ｈ，为单线有砟 轨道铁路桥。综合考虑桥梁方案的合理经济跨 度¨ 、施工风险 及净空要求，采用（３２＋１３８＋１３８＋ ３２）ｍ转体独塔斜拉桥。 ｒ —一 Ｒ＝Ｉ ４００ 图１桥跨布置（单位：ｃｍ） ， ＿ｌ＿ 主桥线位于大纵坡及小半径曲线段，纵坡 一２９．１００％ｏ，曲线半径１ ４００ １１３，转体主梁悬臂长１３０ １３＂１， 转体主梁全长２６０ ｍ，为目前国内铁路最大跨度曲线 转体斜拉桥 ，并以球铰形心与主塔轴力偏心点重合 为原则设置了国内铁路最大的横向偏心球铰 ，横 向偏心达０．８４７ ｉｎ。 此外，本桥主墩下承台有ＤＮ１ ２００ ｍｍ水管及 荜ｌ＿ Ｌ ３５ ｋＶ电力电缆横向贯穿通过，因此需要在主墩下承 台内埋置１根 １．５０ ｍ的钢套管作为水管及电力电缆 的穿越通道。 考虑到本桥的上述特点，需要对转体结构进行详 细分析与计算 ，ｍ ，以保证其在整个转体施工 ” 过 程中的可靠与稳定 ’１ｒ ” 。 ２ 结构构造 ２．１整体构造 主桥上部结构采用单箱双室预应力混凝土箱形截 面，桥面箱宽１１．０ １１０＿，梁高２．５ Ｉｎ，主梁横断面如图 ２所示。全梁共设２２道斜拉索横梁，斜拉索横梁与拉 索位置对应设置。主塔桥面以上索塔采用倒Ｙ形，桥 面以下采用独柱形式，下塔柱与塔墩梁固结。塔底以 上索塔全高９０．００ ｍ，桥面以上塔高６１．００ ｉｎ，桥面以 下塔高２９．００ ｉｎ。索塔纵向宽度中上塔柱采用６ ｍ等 宽度布置，下塔柱由６ ｍ线性加宽至１０ ｍ，索塔结构如 图３所示。斜拉索采用空间双索面体系，扇形布置，全 桥共２２对拉索，梁上间距１２ １ＴＩ，塔上索距（锚点竖向 间距）１．８～３．０ Ｉｎ。 ２．２ 转体结构 转动球铰采用成套产品，其竖向承载力 １ １ｏ０ ５５０ 图２主梁横断面（单位：ｃｍ） ● ． ●． ｊ 幕 甘 ＋ （ｂ）索塔剖面 图３索塔构造（单位：ｅｍ） １６０ ０００ ｋＮ，横向设置０．８４７ ｒｎ偏心。球铰主要由上球 铰、下球铰、滑动摩擦板、销轴、骨架组成。上转盘高 ３ ｍ，有１．４ Ｉｎ厚承台，长和宽均为１３ Ｉｎ，下转盘亦为桥 塔的承台，厚５．５ Ｉｎ，有１根西１．５ ｍ钢套管贯穿通过， 转体结构的布置详见图４。 ２．３预应力体系 由于球铰接触面占整个下转盘面积较小，整个下转 盘处于局部承压状态，接触面两侧存在局部拉应力区 域。因此通过配置纵向、横向预应力筋来改善上、下转 盘的局部承压状态。预应力筋采用抗拉强度标准值 ． ｋ＝１ ８６０ ＭＰａ、弹性模量Ｆ。：１９５ ＧＰａ，公称直径为 西 １５．２０ Ｅｌｍ高强度、低松弛钢绞线，波纹管采用金属波 纹管。其中上转盘纵、横向各配置２５根１５一 ，１５．２０预 应力筋，下转盘纵、横向各配置３７根１９一 １５．２０预应力 筋。上、下转盘的预应力筋布置详见图５。 ３ 转体结构有限元建模过程 采用空问有限元软件Ｍｉｄａｓ ＦＥＡ分别对上、下转 盘进行空间分析。 ●，● ●● ，，第５期 宦 一郑万铁路上跨邵｛儿『 联络线特大桥主桥转 分析 ６７ 凝 ＩＩ｛ｊ线内删 ２ ２ ｍ￣ｉ４Ｌ｛Ｊｔ： ｆａ１立面 』、』 翅 二（ｈ１平面 图４转体结构布置（单位：ｃｍ ３．１ 上转盘计算模型 建奇 部分塔 ｆ｝ｌ ， 余部分以而倚哉形式作川 上转盘 丁 ＝Ｅ罐 厂——————— 堡 刚 于塔柱截面顶 ，ｆ 转盘仃限元分析模 ６所示 ：＝＝ 二三三 二丁————＿根据转体ｒｆｉ：ｔ￣忿，确定模， 转体前边 条件：撑脚呔 ・ 向约束，转动球铰一向全约束。模） 转体过 边 条件：转动球铰 全约束。模型中除顶 力筋采 … 』『】线 了￡模拟外， 余结构均采用实体 元模拟．．模 图５转盘预应力筋布置（单位：ｃｍ 共有 点３０ ８０３个，线 元８ ６６６个，【Ｊｕ 体 元 ｌ１５ ６２８个，、 （ａ）整体订限元模型 图６上转盘有限元分析模型 ３．２下转盘计算模型 桥塔的承台亦为转体结构的下转盘。由于承台 桩基础在结构受力与变形上的相互影响，承台 ｊ桩越 采用整体空间模型，基础为２ｌ根西２．２ ｍ钻孔佻，有限 元分析模型如图７所示。桩基按雎擦桩设计，摸， 桩 底采用固结处理，计算小考虑桩基横向及顺桥向刚度 Ｊ：部结构荷载以面力形式作用于球铰滑板表 。模型 （ａ）整体 ｒ限Ｊ 模 （ｈ）预应＿ＪＪ 限 亡换｝ 图７ 下转盘有限元分析模型 共有节点７５ ５６４个，线单元２０ ４６１个，四面体 元 ２３９ ４７６个。 （４）主梁支架现浇阶段，上转盘已张批令部预 』 力； ３．３ 计算方案 ３．３．１ 上转盘 （５）转体过 ，Ｉ：转艋 张拉全部预Ｊ、 ３．３．２ 下转盘 上转盘模型分为５个施：Ｊ二阶段进行计算： （１）桥塔未施工，不张拉预应力； 下转盘模 样分为５个施上阶段进行汁算： （２）桥塔施工完成下塔柱下实体段后，上转傩ｌｊ长 拉ｌ／２预应力（第一批预应力）； （１）桥塔术施Ｔ：，不张拉预应力； （２）桥塔施 至桥向（球铰力ｌ：５３ ５００ ｋＮ），下承 台张拉１／２预心力； （３）桥塔施工至桥面后， 转盘张拉全部预心力； ６８ 铁道标准设计 第６１巷 （３）桥塔施＿Ｉ二完成后（球铰力２：９４ ７００ ｋＮ），下承 仃张拉全部颅应力； （４）主 支架现浇阶段（球铰力３：９６ ２００ ｋＮ），下 接处。 表１ 各施工阶段主应力ＭＰａ 承台张拉个部预应力； （５）转体过程（球铰力４：１６２ ０００ ｋＮ），下承台张 扎 部预成力 除以ｌ 施工阶段汁算外，增加朱张拉预应力情况 下转体过 的汁算１ 况，以分析预应力筋对转体结构 力学 能的影响 ４ 计算结果 ３（） ４．１ 位移与变形 ２．５ ２．０ ｌ ５ ｌ ０ （】５ ０ ｌ——，Ｌ————… ——————— １ － 转体过程中上转盘和下转盘竖向变形如图８所 爪 从汁锌结果可知：上转盘结构整体最大竖向位移 ０．７ ｉｎｎｌ，最大竖向位移在远离转动中心的边缘；下 转船结构祭体最大 向位移蔗５．３ １７１１１３，位于斜对角方 向。转体结构的竖向变形较小，满足转体施工过程中 的发令・ 求 、 阶段１ 阶段２ 阶段３ 阶段４ 阶段５ 施ｒ阶段 图９ 各施工阶段最大主拉应力曲线 施¨喻段 囊 ．．■０ Ｍ…ｕ ７ 阶段１ 阶段２ 阶段３ 阶段４ 阶段５ 至 －５ 菩一１０ １５ ２０ —（ａ）上转盘 （ｂ）下转盘 图１０ 各施工阶段最大主压应力曲线 图８竖向位移云图（单位：ｍｍ） 下转盘最大主拉应力除第一阶段位于承台底部 ４．２施工阶段应力 外，其余施工阶段均位于预应力锚 ９和图１０。上转盘最大 ，最大主压应 施ｒ阶段的最大主拉应力和最大主压应力统汁 力第一阶段位于桩顶，第二、二、【Ｊｕ阶段化于水管洞 ｌ，ｘ，Ｊ‘ 的应力曲线 口下部，第五阶段位于球铰与转盘接触处 由图表 可以看出，主应力随施工阶段基本 现递增趋势。 置拉膻力除第一阶段位于ｆ 转艋顶部外，其余施工阶 段均他于颅应力锚固区，最大主压应力除第一阶段位 ｆ撑脚附近外，其余施：【：阶段均位于球铰与转盘交 施工阶段五转体过程中的主拉应力和主压应力云图 见．图１ １ 一 Ｃ５５混凝： 的容许值。 （｝】）上转盘主压应力 （ｃ）下转盘主托应 一 （ ｉ１ Ｆ转＆主 应力 图１１ 转体过程中主应力（单位：ＭＰａ） 通过以上分析，上、下转盘在各施工阶段均保持良 好受力状态，主拉应力、主压应力均小于铁路规范 阶段５），位于塔柱下实体段顶面，此区域经钢筋混凝 土截面配筋检算通过 除此之外，上转盘表面最大主 拉应力０．３３ ＭＰａ，预应力钢柬锚吲区附近主拉应力 ２．６１ ＭＰａ。最大主压应力ｌ６．３９ ＭＰａ，发生于球铰与 Ｉ 转盘施工过程中最大主拉 力１．８１ ＭＰａ（施工 第５期 红一郧厅铁路』：跨郧 ｑ锌专联络线特人桥主桥转 结构分析 ６９ 转盘交接部位，此部位材料为球铰钢板，满足抗 要 求。除去球铰部位，其余最大主 应力值约１０．４ ＭＰａ，满足规范要求。 下转盘施工过程中除去水管孔洞位置，最大主拉 应力１．８３ ＭＰａ，其中２．６７ ＭＰａ为张拉锚槽心力集中 （施＿』＿：阶段５），最大主压成力１２．８４ ＭＰａ（施 阶段 ５），横向正应力最大１．３８ ＭＰａ（施工阶段５） ．水镑穿 过位置处，最大主拉应力２．４ｌ ＭＰａ，发牛于水符僻壁 （挨着球铰附近），最大主压应力７．５７ ＭＰａ，发生于水 管洞口附近。均满足规范曼求。 此外，本文通过将转体结构没置预偏心，消除Ｊ 传 统曲线偏心结构对转动体系卜转盛的小利影响，Ｉ 转 盘变形及应力均得到有效改善， 转盘竖阳变形篾最 大为０．７ ｉｎｌｌｌ。同时避免ｒ在曲线梁桥面ｆ：没 过大 配重引起的转体重力大幅增加、施Ｔ风险增大．以较小 的经济代价满足桥梁施：Ｉ 安伞和经济悱 ４．３预应力筋对转体结构的影响 未张拉预应力情况下转体过程巾上、下转胤的最 大主拉应力云冈 图１２。若 考虑预心力筋锚［占Ｊ区 局部应力集中，末张拉预应力的上转ｌ盛卜表山ｆ主要受 拉，主拉应力最大约为０．７０ ＭＰａ，而张拉预应力的ｊ 转盘上表面主要受压，局部主拉应力最大仪为０．１７ ＭＰａ，减小约７６％。未张拉预麻力的下转盛下表 同 样主要受拉，主拉成力最大达到５．０８ ＭＰａ，小满足容 许主拉成力２．９７ ＭＰａ的限值要求，『１Ｅ『『张拉预Ｊ、 力的下 转盘下表面主拉应力最大为１．８３ ＭＰａ，减小约６４％， 并满足了规范要求。 （ａ）上转盘主托应力 （Ｉ ）』 转盘主ＪＫ膻力 图１２ 未张拉预应力转体过程中主应力（单位：ＭＰａ） 由此可见，通过在卜、下转盘中配氍１５一西ｌ ｌ５．２、 １９一西 １５．２的预应力钢束可以消除上、下转蕊局部拉 应力超限的不利影响，控制Ｌ、下转盘的混凝土成力 在一ｌ２．８４～１．８３ ＭＰａ范围内，使得在球铰偏心情况 下，转体装置仍能正常工作。 ５ 结论 针对郑万铁路上跨郑西客专联络线特大桥主桥转 体结构进行了分析计算，并得出如下结论 （１）转体结构变形合理，没有发现肺部的火稳或 突变。 （２）结构整体应力状态较低，局部 在应 集中 现象，主要位于球铰与转盘交接部位、水管僻道及预应 力锚固区，通过加强构造措施可以保证其力学性能 （３）由于球铰接触面占整体转盘 积较小，转盘 处于局部承压状态，接触面两侧存 局部扎心力Ｉ）ｔ域。 通过配置适当预应力筋可以很好地改善转体结构混凝 土的应力状态，确保转体施丁中上下转盘的结构安全。 （４）通过设置预偏心，实现＿ｒ转体施１－在大跨度 小曲线斜拉桥上的成功运用，同时消除了曲线结构自 身偏心，满足了满足转盘结构强度、稳定和转体施．Ｉ 的 安全性。 （５）通过设置预偏心，降低Ｊ 桥面配匦和转体重 力，降低了工程投资与转体Ｊｘ【险。本文中的预偏心结 构适用于所有转体存在偏心的桥梁结构，随符 彤复 杂桥梁越来越多，其应用前景将ｆ‘分广阔。 参考文献： ［１］ 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