黃浦大街—金橋大道快速通道工程跨京廣鐵路變寬度斜拉橋設計

龍俊賢

(中鐵二院武漢勘察設計研究院有限責任公司,武漢 430071)

黃浦大街—金橋大道快速通道工程跨京廣鐵路變寬度斜拉橋設計

龍俊賢

(中鐵二院武漢勘察設計研究院有限責任公司,武漢 430071)

武漢黃浦大街—金橋大道快速通道工程跨京廣鐵路主橋為獨塔雙索面預應力混凝土箱梁斜拉橋,全長 260m,跨度為(138+81+41)m。橋面寬度由 39m寬漸變至 49.899m。介紹該斜拉橋的工程概況、總體設計、結構設計、變寬度的處理方法及跨鐵路施工方法。

斜拉橋;設計;變寬度;電氣化鐵路

1 工程概況

黃浦大街—金橋大道快速通道工程位于漢口地區東北方向,由現狀的黃浦大街和金橋大道組成,起于黃浦路立交落地點,止于三金潭立交,全長約 6.0 km,是漢口地區南北向重要的城市快速路,是聯系城市一環線、二環線、三環線的放射線和快速出城通道。

快速通道主線為城市快速路;主線 60 km/h,雙向6車道;跨鐵路橋下凈空不低于 8.2m;結構抗震設計方面,地震動峰值加速度系數 0.05g,地震基本烈度為6度。抗震設防類別為 B類,設防措施等級為 7度。

2 總體設計

黃浦大街—金橋大道快速通道橋梁跨越 13股道電氣化鐵路。現狀金橋大道是以地下通道形式下穿京廣鐵路,通道橫向布置為獨立 4孔,中間 2孔為機動車道,兩側 2孔為非機動車道和人行道,可通行公交車輛和出租車輛。現狀京廣鐵路下穿地下通道沿高架橋縱向長度110m。主橋結構跨度要達到130m左右,控制因素較多,對施工方案要求高,為該工程的難點。

由于跨京廣鐵路段橋梁距離竹葉山立交較近,其橋面設計高程受到制約,此處橋面設計高程最高不宜超過 36.5m,否則部分匝道最大縱坡無法滿足要求,而鐵路現狀軌頂高程最大約 23m,鐵路凈空要求不小于 8.2m,同時考慮橋面鋪裝厚度和橋面縱、橫坡影響,跨鐵路橋梁結構高度及考慮施工所需凈空總高度應控制在 4.5m以下。

跨鐵路段橋梁跨度較大,且平面上處于加減速車道變寬段內,整個橋梁為一整幅斷面,橋面變寬范圍為39.000～49.899m。考慮鐵路遠期發展要求,鐵路部門要求股道間不得設置橋墩,一跨跨過鐵路橋梁跨徑將達 138m。

通過橋型方案比選,主要通過橋型對鐵路運營干擾的影響方面,造型景觀方面,擠術先進性方面,經濟合理性等多方面比選,同時結合地形、地質條件等因素,主橋選用獨塔雙索面預應力混凝土箱梁斜拉橋方案,全長 260m,主跨 138m,跨度組成為(138+81+41)m。斜拉橋總體布置見圖1。

3 結構設計

3.1 設計特點

黃浦大街—金橋大道快速通道工程跨京廣鐵路主橋為獨塔雙索面預應力混凝土箱梁斜拉橋,橋梁起終點里程為 K2+177.5～K2+437.5。標準橋面寬度組成：2.5m(索錨區)+0.5m(防撞護欄)+15.75m(行車道)+1.5m(中間分隔帶)+15.75m(行車道)+0.5m(防撞護欄)+2.5m(索錨區)=39.0m,從里程K 2+346.144至 K2+177.6方向由 39m寬漸變至 49.899 m。橋梁縱坡主跨側為 0.5%,邊跨側為 -1.937%,設R=4 000m凸曲線。

主塔處塔、墩、梁固結。邊墩、輔助墩處豎向均設活動盆式橡膠支座,橫向邊墩處設橫向擋塊。

為滿足橋墩不侵占既有下穿通道的機動車道及非機動車道要求,斜拉橋主塔順橋向為柱式結構、橫橋向為“A”形,鋼筋混凝土結構;邊墩采用框架墩,立柱中心間距達 41.5m,立柱為 2.5m×2.5m矩形立柱,承臺為分離式,承臺縱向長 7.6 m,橫向寬 7.6 m,厚2.5m。

主梁采用雙邊箱梁截面,全橋分為等寬段主梁和變寬段主梁,等寬段主梁箱梁頂全寬 39m,箱梁底全寬 39.6m,路中心處梁高 3.8m;兩個邊箱之間的頂板采用 1.8m高,0.3m寬的肋板加勁(3道肋板),設雙向 1.5%橫坡。等寬段標準主梁截面尺寸如下：主梁頂板厚 0.26 m,主梁底板厚 0.36 m,邊箱豎腹板厚0.45m,邊腹板厚 1.2m,肋板厚 0.3m,一個 6m節段設置兩道橫梁,橫梁厚均為 0.48m,壓重區梁段采用單箱六室封閉截面,節段長度 3.7m,設置 1道橫梁,橫梁厚均為 0.68m,主梁頂板厚 0.26m,主梁底板厚 0.5m,中間豎腹板厚 0.6m,邊腹板厚 1.2m,肋板與底板閉合,肋板厚 0.3m。變寬段主梁頂板寬度由 39.000～49.899 m,主梁右腹截面不變,左腹截面線性變化,兩個邊箱寬度不變,橫向尺寸通過調整橫梁的跨度實現。

為方便橋梁運營階段在電氣化鐵路上方換索方便,斜拉索錨固塊設置在邊箱內(圖2)。

圖2 斜拉索錨固示意(單位：cm)

3.2 總體靜力計算

總體靜力計算采用空間桿系理論,以主梁橋軸線為基準劃分結構離散圖。梁、塔為空間梁單元,斜拉索為桿單元。總體計算根據橋梁施工流程劃分結構計算階段,根據荷載組合要求的內容進行內力、應力計算,驗算結構在施工階段、運營階段內力、應力及整體剛度是否符合規范要求。

邊界條件的處理：索塔按底部固結處理,過渡墩及輔助墩按豎向剛性支撐處理,邊跨支架及主梁 0號塊、1號塊支架按單向豎向剛性支撐處理。

計算結構圖示見圖3。

圖3 計算圖示

(1)設計荷載取值

恒載包括主梁、塔、索及防腐材料重力。混凝土主梁及索塔容重 27.3 kN/m3,梁、塔按實際斷面計取重力;斜拉索按所需鋼絲重 G×(1+8%)計(其中 8%為防腐材料重)。主梁橫隔板按集中力計入。汽車荷載采用公路—Ⅰ級車道荷載計算,汽車荷載計入橫向偏載、沖擊、車道折減等影響。汽車制動力的著力點在橋面上,其值按橋規規定的方法計算。支座摩阻力,支座摩擦系數按規范取 0.06。

溫度荷載計算取合龍溫度 10～15℃,根據當地月平均最高氣溫和最低氣溫情況,綜合考慮后計算取體系升溫 25℃,體系降溫 25℃。局部溫差按《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2004)4.3.10條規定的梯度溫度計算,日照正溫差 T1采用 15.2℃,T2采用5.74℃,日照反溫差 T1采用 -7.6℃,T2采用-2.87℃。梁與索的溫差 ±15℃;塔身左、右側溫差 ±5℃。

支座差異沉降按 2 cm計算。地震動峰值加速度系數 0.05g,地震基本烈度為 6度,按 7度設防。設計基本風壓為 400Pa,按規范的規定計算橫向風力和縱向風力。

(2)荷載組合

按各類作用效應可能出現的最不利狀況進行組合,對承載能力極限狀態進行作用效應基本組合,對正常使用極限狀態進行作用短期效應組合和作用長期效應組合。

(3)主要計算結果

施工階段最大拉應力為 1.468 MPa,最大壓應力為 12.6MPa,滿足規范要求。

運營階段混凝土箱梁在最不利組合狀態下上緣出現的最大壓應力為 12.8MPa,主梁下緣出現的最大壓應力為 9.9MPa,小于 16.2MPa,滿足相關規范要求。

運營階段混凝土箱梁正截面抗裂驗算按全預應力構件,短期作用效應最不利組合應力滿足規范要求。

運營階段混凝土箱梁最大主壓應力為 14.65 MPa,規范限值 σcp≤0.6fck=19.44MPa;運營階段混凝土箱梁持久狀況混凝土斜截面抗裂結果端支點處最大 σtp應力為 0.62MPa,均滿足規范要求。

運營階段主塔在最不利組合狀態下上緣出現的最大壓應力為 16.1MPa,主塔下緣出現的最大壓應力為15.6MPa,塔頂部分出現 0.94MPa拉應力,結構配筋后滿足強度要求。

主跨活載最大豎向位移 4.24 cm↓,δ/L=1/4363,塔頂最大活載順橋向位移 0.86 cm,滿足剛度要求。

斜拉索最小應力為 517.4 MPa,斜拉索最大應力為 666 MPa,斜拉索容許應力為 0.4fpk=0.4×1 670MPa=668MPa,故斜拉索拉應力滿足規范要求。斜拉索最大應力幅為 123.8MPa,滿足規范要求。

3.3 主塔錨索區空間分析

索塔橫橋向為 A字形,鋼筋混凝土結構,由塔座、下塔柱、中塔柱、上塔柱、下橫梁、中橫梁、上橫梁等組成。上塔柱為斜拉索錨固區,錨固端局部構造采用錨塊式。在上塔柱錨固區,設環向預應力,采用 fpk=785 MPa,JL32mm精軋螺紋鋼筋來平衡斜拉索水平分力。由于橋塔錨索區段受力復雜,需對該部位進行三維空間分析,以便準確地反映結構真實受力情況。

(1)計算模型

計算取橋塔錨索區頂部 3個節段為模型,取塔柱全結構進行分析,模型高 6.8 m。分析中考慮了預應力效應、斜拉索的空間斜度等。計算中將整個結構視作勻質彈性體,混凝土彈性模量 E取35000MPa,泊松比取0.166 7,容重取 26 kN/m3,未考慮混凝土的收縮、徐變和普通鋼筋對結構的影響。

采用通用有限元程序 MIDAS建立實體模型分析,模型采用空間四面體單元,模型共計有6 753個節點,30 042個單元。計算模型如圖4所示。

環向預應力鋼筋采用精軋螺紋鋼筋,規格為JL32,fpk=785MPa,錨下張拉控制力為 568 kN。橋塔預應力考慮了錨頭回縮損失、管道偏差損失,混凝土的收縮、徐變引起的各項預應力損失,采用在主塔預應力鋼筋位置施加等效力方式模擬,荷載施加在塔壁實際錨點位置上。模型考慮自重和斜拉索的影響,模擬了斜拉索索力的大小和方向。將索力作為計算荷載值,以面荷載方式施加于錨塊表面。

圖4 索塔計算模型

(2)計算結果

成橋階段和使用階段,錨索區控制點位置如圖5所示,塔頂錨索區控制斷面應力見表1。

圖5 錨索區控制點示意

表1 塔頂錨索區最大索力下控制斷面應力 MPa

從計算結果看出,橋塔錨固區在運營階段最不利工況下,所有截面均處于受壓狀態,應力儲備滿足要求。

3.4 主梁橫梁空間分析

采用空間有限元空間程序 MIDAS對橫梁建立實體模型進行分析。按照主梁截面的不同,分別建立了主跨變截面懸澆段橫梁、邊跨等截面標準段橫梁以及邊跨壓重段橫梁這 3個具有代表性橫梁的模型,分別進行了分析。

(1)計算模型

本次計算取主梁 2個梁段進行模型分析。模型中每個梁段長 6.0 m,結構尺寸與實際梁段相同。模型見圖6。

圖6 邊跨等截面段橫梁實體模型

模型采用實體單元離散,分別模擬了橫梁混凝土、預應力筋和斜拉索對梁的作用,還考慮了預應力效應、斜拉索的角度等因素的影響。斜拉索對梁段的支撐作用,本次計算將其換算沿索力方向的節點彈性支撐,其彈性剛度利用斜拉索的變形協調方程求出,分別將修正后的剛度值賦予模擬節點彈性支撐,在單元的一端施加沿索力方向的約束。

分析中將整個結構視作勻質彈性體,混凝土彈性模量 E取35000MPa,泊松比取0.1667,容重取 26 kN/m3,未考慮混凝土的收縮、徐變和普通鋼筋對結構的影響。預應力筋彈性模量 E取195000MPa,泊松比取 0.3,容重取 78.5 kN/m3,熱膨脹系數為0.000 012。預應力損失考慮了錨頭夾片回縮損失,預應力筋轉角損失,管道偏差損失,混凝土的收縮、徐變的影響。

混凝土采用八節點實體單元,有 x、y、z軸 3個方向的自由度;橫梁預應力鋼束采用桁架單元模擬,也有x、y、z軸 3個方向的自由度。

為了真實準確地模擬斜拉索對主梁的空間支撐作用,模型中,在主梁斜拉索實際位置采用節點彈性支撐。

橫隔梁預應力,是在考慮錨頭夾片回縮損失、預應力筋轉角損失、管道偏差損失,混凝土的收縮、徐變引起的各項預應力損失之后,施加在梁單元上的。模型中預應力鋼絞線規格為 15.2-15,標準強度 fpk=1 860MPa,彈性模量 E取195000MPa,泊松比取 0.3,容重取 78.5 kN/m3,熱膨脹系數為0.000012,張拉控制應力取1 395MPa。模型中采用桁架單元來模擬預應力鋼束,根據變形協調方程把預應力換算成溫度力。在定義好梁單元的材料、截面特性后,用施加溫度力的辦法來控制梁單元各個截面的應力,從而達到施加預應力的目的。

在模型上施加全部梁段自重,全部橫隔梁預應力,二期恒載,再與車輛組合,來分析運營中橫隔梁的橫向應力分布情況。

(2)計算結果

荷載組合工況：恒載 +預應力 +汽車(車輛荷載)。橫梁計算結果見圖7。

圖7 橫梁中心上、下緣橫橋向應力圖(單位：MPa)

從計算結果可知,在恒載 +汽車 +預應力這一組合工況下,4.5m等截面梁段橫梁中心下緣產生 9.3 MPa壓應力,上緣產生 2.5MPa的壓應力。

主跨變截面懸澆段橫梁、邊跨壓重段橫梁計算方法同上。

除以上計算外,該橋還采用 MIDAS空間分析程序對該斜拉橋的動力特性及穩定性進行了分析,對結構在安裝和運營狀態下的地震和風振效應也進行了分析。

4 施工方案

主橋跨鐵路部分采用掛籃懸澆法施工,邊孔采用支架現澆施工。掛籃懸澆施工時在鐵路上方搭設防護支架,防護支架采用萬能桿件支墩,支架頂棚采用 I63型鋼,間距 2m,工字鋼上搭設 10 cm×10 cm方木@30 cm,方木上鋪設 2 cm厚竹膠板,在接觸網懸掛正上方的防護支架底部安裝 2m寬的絕緣板。

5 結語

本橋雖然跨度不大,但是橋面為變寬度,寬度達39.000～49.899m,且上跨電氣化鐵路,設計施工均較復雜。本橋主梁變寬度通過調整橫梁的跨度實現,跨鐵路施工通過在鐵路上方搭設防護支架,防護支架下設防電板,然后采用掛籃懸澆法施工,確保了施工期間鐵路運營安全,另外斜拉索錨于主梁邊箱內,解決了橋梁運營階段在電氣化鐵路上斜拉索維護問題,斜拉索的維護不需要“要點”施工,不會影響鐵路的正常運營。

[1]JTG/T D 65— 01—2007,公路斜拉橋設計細則[S].

[2]JTG D 60—2004,公路橋涵設計通用規范[S].

[3]JTG D62—2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[4]JTG D 63—2007,公路橋涵地基與基礎設計規范[S].

[5]JTG/T B 02—01—2008,公路橋梁抗震設計細則[S].

[6]JTG/T D 60— 01—2004,公路橋梁抗風設計規范[S].

[7]周孟波.斜拉橋手冊[M].北京：人民交通出版社,2004.

U 448.27

A

1004-2954(2010)07-0081-04

2010-03-08;

2010-04-06

龍俊賢(1977—),男,工程師,2001年畢業于中南大學交通土建專業,工學學士,E-mail：18605901@qq.com。