跨既有鐵路矮塔斜拉橋設計與轉體施工

王富君

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

1 矮塔斜拉橋簡述

矮塔斜拉橋的出現,使斜拉橋和梁式橋作為一個整體體系設計變成了可能。與一般斜拉橋不同,矮塔斜拉橋的豎向荷載由主梁和斜拉索共同承擔,當斜拉索的承擔率不同時,其結構受力特性也不相同。根據橋梁結構和施工方法確定斜拉索的承擔率有很大的靈活性,但也是一個難點。根據相關資料統計,已建成矮塔斜拉橋的主梁梁高與跨度、主塔高度與跨度的關系如圖1～圖3所示,圖中數據對擬定構造尺寸有幫助作用。

圖1～圖3中等效跨度L指3跨橋的最大跨徑,2跨橋按最大跨度的1.8～2.0倍換算。圖中數據表明,目前矮塔斜拉橋的最大跨度基本都在300 m以下,梁高、塔高與跨度的關系離散性也比較大,這也說明矮塔斜拉橋構造尺寸與斜拉索的大小及其角度有關系,也就是說與斜拉索承受主梁豎向荷載的分擔率有關系,一般情況橋塔越高,斜拉索的分擔率就越高。矮塔斜拉橋設計應從擬定的構造尺寸和預應力鋼束配置情況,結合其施工方法,通過設計計算,根據主梁的撓度、應力、強度等結果綜合分析,確定其預應力束配置以及斜拉索的豎向荷載分擔率。

圖1 跨中梁高與跨度關系

圖2 墩頂梁高與跨度關系

圖3 塔高與跨度關系

2 橋式方案選擇

橋位處原道路采用下穿方式穿越鐵路線,既有下穿橋在道路方向上長約40.8 m,橋上既有6股鐵路線,均為電氣化鐵路,橋位處各種鐵路用電力桿密集。既有下穿框架橋為3孔橋,中間孔為機動車道,兩邊孔為非機動車道。根據城市建設要求,原中間孔改為城市景觀渠,機動車道需上跨鐵路通過。

跨越既有鐵路線橋梁施工時,為了盡可能降低橋梁施工對既有鐵路正常運營的干擾,本橋最終確定采用2跨矮塔斜拉橋,墩頂平面轉體法施工,根據T構澆筑和轉體就位后后澆段支架邊緣距鐵路最小距離控制條件，跨度確定為2×70 m。

3 2×70 m矮塔斜拉橋設計與施工

該橋根據跨既有鐵路線的實際情況,在鐵路一側平行鐵路方向分段澆筑2×65 m斜拉T構,然后墩頂平面轉體就位,澆筑長4.96 m后澆段。

3.1 構造形式

本橋為雙向6車道,全橋總寬27.5 m,其中中央分割帶3 m,兩側防護欄各0.5 m,兩側行車道各11.75 m,橋梁橫斷面見圖4。

圖4 橋梁橫斷面(單位：cm)

橫斷面采用單箱三室箱梁截面,斜拉索錨固于中室頂板下方,中室兩側腹板中心間距2.7 m。跨中中、邊腹板厚分別為0.3 m和0.4 m,梁端處采用2.5 m長的過渡段,分別增厚至0.7 m和0.6 m。中墩中心兩側各22 m至19 m處中、邊腹板分別增厚至0.5 m和0.6 m,中墩中心兩側各6.2 m至3.2 m處中、邊腹板分別增厚至0.9 m和0.8 m。

端橫梁厚2.0 m,索橫梁厚0.4 m,中橫梁在兩邊室處采用雙壁形式,厚度1.5 m,凈距離3.4 m,墩中心頂處采用平面尺寸為6.4 m×6.4 m的正方形實體,此處是為了擬合轉體球鉸尺寸。

主梁在S1索和中墩之間采用梁底圓曲線(半徑111.25 m)過渡的變高截面,變化段長21 m,在此范圍內,底板厚度先從25 cm漸變至70 cm,同樣采用圓曲線過渡,變化段長18 m,然后從70 cm增厚至140 cm,變化段長3 m,中墩頂等高截面長6.4 m。見圖5。

圖5 成橋立面(單位：cm)

斜拉索采用163根φ7 mm平行鋼絲,獨塔雙排布置,共28根斜拉索。橋塔錨固區為了配合錨具對稱、交錯布置所需尺寸,采用擴大構造尺寸、變截面的方式過渡,詳見圖6。

圖6 橋塔、橋墩構造(單位：cm)

橋址處地基承載能力較弱,主橋墩又承載了橋梁絕大部分荷載,使主橋基礎所需樁基較多(20根φ1.5 m鉆孔灌注樁),承臺平面面積大。轉體時作用于球鉸的荷載為永存荷載,球鉸平面直徑小,一般在4 m以下,若采用墩底轉體方法施工,必須采用很厚的承臺才能使分配于各個樁基的豎向力相對比較均勻,基坑開挖過深又不利于既有鐵路框架橋路基的穩定,為了解決這個問題,本橋采用墩頂轉體法施工,橋墩采用A形橋墩,詳見圖6,這樣既降低了承臺厚度,又優化了樁基受力,還減輕了轉體重力。

3.2 設計荷載

梁體、橋塔的自重按γ=26 kN/m3計算；收縮徐變荷載根據規范計算,持續時間按10年考慮；邊護欄和防護屏按26 kN/m計算,中護欄及路緣石按26.5 kN/m計算,橋面鋪裝按85 kN/m計算。活荷載根據規范按最多6車道加載計算,沖擊系數根據成橋后橋梁恒荷載體系計算其豎向基頻,根據最終計算結果,豎向基頻為2.01 Hz,根據規范對應沖擊系數為0.107,計算中按0.11取值。

梁體溫度梯度根據橋面鋪裝厚度按規范取值；橋塔溫度梯度按單側升溫或降溫5 ℃計算,整體升溫和降溫分別按20、-25 ℃計算；索與主梁和橋塔的溫差按15 ℃計算；成橋理論溫度按20 ℃設計。

3.3 施工方案

該橋轉體T構澆筑時離鐵路很近,為確保鐵路運營安全,相關部門要求采用滿堂支架現澆施工。考慮到懸臂長65 m,若采用一次澆筑,混凝土硬化過程與支架產生不協調變形,可能會使梁體出現施工裂縫。為了盡可能規避這些不安全因素,設計時將65 m長梁體分為5段澆筑,每個階段分別澆筑9、9、14.5、15、17.5 m,具體施工步驟如下。

(1)施工橋墩,在主橋墩頂安裝轉體球鉸,試轉后臨時固定。

(2)澆筑第1階段梁段,2×9 m,張拉T1預應力束，預應力束大樣及編號詳見圖7。

(3)澆筑橋塔。

(4)澆筑第2階段梁段,兩端各9 m,張拉T2預應力束。

(5)澆筑第3階段梁段,兩端各14.5 m,張拉T3預應力束,張拉S1斜拉索，斜拉索編號見圖5。

(6)澆筑第4階段梁段,兩端各15 m,張拉T4預應力束,按由外到內的順序依次張拉S4、S3、S2斜拉索。

(7)澆筑第5階段梁段,兩端各17.5 m,張拉T5預應力束,按由外到內的順序依次張拉S7、S6、S5斜拉索。

(8)澆筑兩側防護欄、安裝防護屏,拆除支架,稱重、施加配重,轉體施工就位。

(9)搭設后澆段施工支架,澆筑后澆段梁段,兩側各4.96 m,按腹板、底板、頂板位置順序對稱張拉成橋預應力束。

(10)澆筑后澆段兩側防護欄、安裝防護屏,施工中央分割帶路緣石、安裝鋼護欄,橋面鋪裝。

圖7 箱梁預應力束配置(單位：cm)

以上各個施工主梁澆筑階段,均先張拉橫橋向預應力,再張拉縱橋向預應力。本橋斜拉索采用一次張拉的方法,主梁和橋塔處均采用張拉端墩頭錨,這樣施工時可根據具體情況選擇在塔上張拉或梁內張拉。

3.4 計算分析

對于該橋而言,橫橋向設計與一般箱梁橋雷同,只是橋面板有無索區和有索區的區別,這里不再多述,下文主要對縱橋向設計進行闡述。

主梁按A類預應力混凝土構件設計,橋塔按鋼筋混凝土構件設計,斜拉索成橋后(收縮、徐變完成后)安全系數按2.5設計、施工階段按2.0設計。主梁、橋塔按平面桿系單元模擬；斜拉索按桁架單元模擬,施工階段另用索單元進行校核。

根據施工步驟,橋梁在整個過程中有3個主要受力狀態：

(1)在支架上分段澆筑、張拉預應力束和斜拉索過程。

(2)拆除支架,橋梁處于斜拉T構狀態。

(3)成橋狀態。

對于(1)狀態,因梁體采用滿堂支架分段現澆施工,梁體和支架每個施工階段的受力狀態是基于如下認識進行設計的：

①當張拉預應力束后,梁體對支架的作用力會重新分布,某些局部位置可能增大；

②斜拉索張拉后,梁體對支架的作用力會減小,支架的安全度會更高。

設計計算時,對支架的模擬按兩種極端狀態,即：不考慮支架支撐和只受壓無限剛支撐進行分析。若兩種模擬方法使梁體在各個施工步驟的最終狀態下上、下緣應力滿足規范要求,則梁體在支架上的中間狀態也是安全的。這樣的設計方法避免了設計階段模擬支架精度不夠而且煩瑣的過程。

狀態(2)完全處于斜拉懸臂T構狀態,所有T構重力全部作用于橋墩上。此狀態主要驗算梁體、斜拉索的應力狀態和梁端撓度。成橋(3)狀態主要驗算梁體應力、強度和索的應力。

通過初步分析計算,本橋施工階段和成橋階段主梁應力都不控制最終計算結果,計算分析焦點集中到了施工階段梁體位移和成橋后主梁抗彎承載能力驗算上。綜合分析發現,適當增加橋塔高度可以在降低斜拉索索力情況下減小主梁在轉體懸臂狀態時撓度,而對成橋后梁體強度驗算影響很小,故本橋采用橋塔高度比圖3粗線對應值大些。

本橋每個斜拉索張拉階段,梁體都未脫離支架(不考慮支架支撐時,梁體豎向撓度總是向下),受支架支撐的梁體變形相對較小,這就給張拉索力控制帶來了很大方便,這也是設計之初考慮的一個因素。最終成橋索力采用遞歸計算方法,使成橋后短期效應組合下斜拉索最大應力控制在1 670/2.5=668 MPa,即索拉力值4 190 kN,考慮到《公路斜拉橋設計細則》中規定矮塔斜拉橋索的安全系數可采用1.67,本橋成橋恒荷載索力采用主梁收縮徐變完成后的索力。各個狀態下斜拉索索力值見表1。

表1 各狀態下斜拉索索力值 kN

表1中：T1為理論初始張拉力,該力用于計算索的無應力索長,本橋索兩端坐標按理論成橋狀態下塔端和梁端的錨固點計算；T2為轉體狀態索力；T3為初成橋恒荷載狀態下索力；T4為按10年期考慮收縮、徐變完成后恒荷載狀態下成橋索力；T5為汽車荷載引起的最大索力。

從表1可以看出,成橋后由混凝土主梁收縮、徐變引起的斜拉索索力下降較大。而主梁的抗彎剛度較大,斜拉索承擔的汽車荷載較小。

成橋主梁預應力束配置數量由正截面下拉抗彎承載能力驗算控制,因底板束產生的二次力較大,本橋采用了底板束與腹板束結合的配置方法,每條腹板配置1排(3根)腹板束,頂、底板束采用12-φs15.2,腹板束采用19-φs15.2,計算中未考慮普通鋼筋的作用,將其作為安全儲備考慮,預應力束配置詳見圖7,頂、底束采用平彎方式在腹板處錨固。

根據最終計算結果：轉體狀態時,梁端和各索橫梁處的向下撓度值分別為80、55、42、30、20、11、5、1 mm。全橋墩頂以上總重11 0650 kN,橋塔重5 200 kN,橋面鋪裝、防護欄等二期恒載重19 250 kN。轉體重力86 250 kN。轉體時斜拉索豎向荷載分擔率為(49 900-5 200)/(86 250-5 200)=55.2%,成橋初時(48 300-5 200)/(110 650-5 200)=40.9%,收縮、徐變完成后(43 800-5 200)/(110 650-5 200)=36.6%。縱向預應力束總質量86.4 t,指標值為26 kg/m3。

4 結語

隨著國家鐵路路網不斷加密,跨越既有鐵路橋梁也隨之增加,鐵路作為國家經濟大動脈,任何對鐵路正常運營干擾,都會給國家經濟造成巨大的損失。大懸臂平面轉體施工法,因其在鐵路上方操作的時間很短,大大降低橋梁施工對既有鐵路線正常運營的干擾。在梁橋基礎上結合斜拉索優點的矮塔斜拉橋,不僅提高了梁橋的跨越能力,同時降低了梁高,降低梁高即縮短了橋梁整體長度,也減少了橋梁轉體施工及成橋后的重力,降低了橋梁基礎造價。故從施工安全性和經濟性考慮,對中等跨度的跨越既有鐵路線橋梁,平面轉體法施工的矮塔斜拉橋有很大的優越性。

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