上海金山鐵路春申特大橋主橋設計與施工

張池權

(中鐵第四勘測設計院集團有限公司，武漢 430063)

1 概述

上海金山鐵路全長58 km，為雙線電氣化Ⅰ級鐵路，設計時速160 km，有砟軌道。建成后將成為上海市中心城區連接金山區的一條市域快速鐵路。

1.1 橋址概況及主要控制因素

春申特大橋位于上海市松江區既有滬春線右側，因從春申車站邊經過而得名，主要跨越北竹港及滬昆鐵路，主要控制因素為滬昆鐵路。

本橋在HK39+040處與既有滬昆鐵路交叉，滬昆鐵路為雙線電氣化鐵路。本橋與滬昆雙線的交叉里程分別為 HYDK1+387.694、HYDK1+409.621，交角分別為 16°7'39″、14°2'24″。交叉處滬昆鐵路軌面高程5.970 m，金山鐵路軌面高程16.187 m，兩線軌面高差10.217 m，容許跨越結構物軌面至梁底高度2.057 m。

1.2 主要技術條件

本橋為單線橋，橋上最小曲線半徑R=5 000 m，橋上最大縱坡12‰，全橋鋪設無縫線路。

1.3 氣象

上海地處中緯度沿海，在全球氣候帶分布中屬北亞熱帶南緣，是南北冷暖氣團交匯地帶，受冷暖空氣交替影響和海洋濕潤空氣調節，氣候濕潤，四季分明，降水充沛。年平均氣溫16.1℃，極端最高氣溫40.2℃，極端最低氣溫－12.1℃。平均每年受臺風影響1.5次，極端最大風速34.7 m/s。

1.4 地震動參數

橋址所在地區地震動峰值加速度為0.10g。擬建場地地基土類型主要為軟弱場地土，場地類別為Ⅳ類，特征周期為0.65 s。

2 主橋橋式方案比選

本橋跨越滬昆線的突出特點是:小角度、低高度。懸灌施工連續梁方案由于結構高度大大超過要求首先被排除。為此，本橋跨滬昆線主跨研究了另外3個方案:門式墩方案，1-15 m空間剛構(順線路長81.2 m)方案和1-96 m下承式鋼桁梁方案。

2.1 門式墩方案

32 m簡支梁加門式墩方案，即便是采用隱形帽梁，其結構高度仍不滿足跨越要求，此方案不可行。

2.2 空間剛構方案

空間剛構方案平、立面見圖1。此方案造價較低，但要在既有線邊施工近50根鉆孔樁，且需在既有線上方滿布膺架施工梁部混凝土，施工周期較長，對既有線運營影響巨大。

圖1 空間剛構方案跨滬昆鐵路平、立面(單位:cm)

2.3 鋼桁梁方案

下承式鋼桁梁方案平、立面見圖2。此方案雖造價相對較高，但主跨基礎只有12根鉆孔樁，梁部采用轉體施工，轉體滑動距離只有26.7 m，轉體時間只需要不到6 h，施工周期大大縮短，對既有線的影響大大減小。

圖2 鋼桁梁方案跨滬昆鐵路平、立面(單位:cm)

2.4 推薦意見

施工對既有線的影響程度決定本橋的橋式方案的取舍。綜上所述，在小角度、低高度條件下，跨越繁忙鐵路干線采用下承式鋼桁梁方案，采用轉體施工工藝，可以最大限度地降低施工對既有線的干擾，不失為一種比較優越的跨越方案。

因此，本橋主跨推薦采用1－96 m下承式鋼桁梁方案。全橋孔跨布置為:(13－32 m+1－24 m)T梁+(32+48+32)m連續梁+1－24 m T梁+1－96 m道砟橋面下承式鋼桁梁+(28－32 m+2－24 m+2－32 m+2－24 m)T梁，橋長1 778.42 m。

3 主橋設計［1］

3.1 主橋結構

3.1.1 主桁

主桁設計為無豎桿整體節點平行弦三角桁式，節間長度12 m，桁高12.8 m，主桁間距6.6 m，詳見圖3。

主桁上、下弦桿及部分斜桿采用焊接箱形截面。上弦桿內寬540 mm，內高650 mm，板厚20～32 mm。下弦桿內寬540 mm，內高900 mm，板厚28～32 mm。箱形斜桿(端斜桿及 A1E2、A1'E2'、E2A3、E2'A3')內寬540 mm，內高不等，板厚24～32 mm，其他斜桿采用H形截面，腹板外高538 mm，翼板寬700 mm，板厚20～24 mm。

3.1.2 橋面系構造

根據本線速度目標值及本橋所處環境(同潤家園小區邊，噪聲敏感點)，本梁采用鋼正交異性板整體道砟橋面。

鋼正交異形板橋面由橋面板、橫梁、橫肋及縱肋組成。

橋面板縱向與下弦頂板伸出肢焊接，橫向分段焊接。橋面墊層用輕質墊層體系，即鋼橋面板上鋪設3 mm MMA(甲基丙烯酸甲酯)高性能防水體系［2］，其上再粘著50 mm厚高粘著輕質墊層CAP(Concrete with Adhesive Pads，混凝土粘著墊板)［3］，道砟直接鋪設在CAP上。擋砟墻采用鋼擋砟墻，人行道置于主桁外側，凈寬1.0 m。本梁左側設置聲屏障，聲屏障設在人行道外側。

橫梁采用密布橫梁體系，間距3 m，即在主桁節點處設置橫梁，橫梁間設3道橫肋。橫梁及橫肋均采用倒T形截面，高900 mm，腹板厚20 mm，底板寬600 mm，厚28 mm，上翼板與主桁伸出肢焊接，腹板及底板與主桁伸出肢栓接。

本梁在軌道下方設置2道T肋，擋砟墻范圍之內設置6道U肋，兩側擋砟墻下各1道板肋。T肋腹板高360 mm，厚12 mm，底板寬240 mm，厚16 mm;U 肋高度260 mm，厚8 mm，間距600 mm;板肋高度200 mm，厚16 mm?？v肋全橋連續，遇橫梁、橫肋腹板則開孔通過。

3.1.3 縱向聯結系

本梁設上平面縱向連接系，交叉式結構?？v向平聯采用工字形截面，翼板寬400 mm，厚24 mm，腹板外高440 mm，厚16 mm。

圖3 鋼桁梁輪廓(單位:mm)

3.1.4 橋門架及橫聯

本梁在端斜桿處設置橋門架，在A7、A7'節點處設置橫聯。橋門架及橫聯均采用板式結構，其構成是在上平聯橫撐下疊焊橋門架或橫聯構件。該構件采用工字形截面，上翼板寬500 mm，厚20 mm，下翼板寬400 mm，厚20 mm，腹板厚16 mm。橋門架與橫聯端部最大高度5785 mm，中部最小高度2 040 mm。

3.2 主橋結構計算

3.2.1 計算模型

采用MIDAS建立全橋空間梁格模型。各桿件采用梁單元模擬，所有節點均為剛接。在進行弦桿內力計算時，采用虛擬車道進行加載;在進行橋面系縱橫肋計算時采用虛擬板單元進行加載。計算結構的橫向剛度及自振特性時考慮橋門架板式楣梁及板式中橫聯的影響。

3.2.2 主要設計指標

跨中靜活載撓度37.8 mm，撓跨比1/2 540;豎向靜活載作用下梁端轉角2.3‰rad。

按照恒載+1/2靜活載產生的撓度設置預拱度。主桁預拱度通過改變上弦拼接縫尺寸的方法實現。斜桿依舊交匯于上弦節點中心處，每個節間上弦伸長15 mm，伸長后上弦相鄰的節點中心線間距離為12 015 mm。

主桁材質采用370qD，連接系及橋面系材質采用Q345qD［4］。主結構用鋼量791.4 t，約8.2 t/m，最大桿件質量21 t。

4 主橋施工

滬昆線滬杭段是全國鐵路運輸最為繁忙的干線之一，金山鐵路以小角度跨越，如果采用傳統的頂推或拖拉法架設，需在滬昆兩線間設置臨時支點［5］，難以實施;鋼桁梁在既有線邊順鐵路方向拼裝完成后，如果以一個墩為旋轉軸，在另一個墩和臨時支墩上搭設1個滑道，只需將鋼桁梁平面轉體16°，梁端滑動距離只有26.7 m，只需不到6h即可將梁體架設就位。

在小角度跨越條件下，簡支鋼桁梁轉體架設技術具有如下突出優點:轉體角度小、滑動距離小，和傳統的頂推(拖拉)法相比，大大減少了頂推距離，從而可以大幅度縮短施工周期，把對既有線的影響降到最低。

4.1 施工步驟

根據現場施工條件，鋼桁梁拼裝需在滬昆線右側進行，這樣旋轉軸設在19號墩，18號墩及臨時支墩上搭設滑道。施工步驟如下。

第一步:施工18號、19號墩，可同步施工1～8號臨時支墩。1～8號臨時支墩在線路右側，順線路方向搭設。

第二步:在19號墩上安裝旋轉軸，在18號墩和8號臨時支墩上架設滑道梁。

第三步:在19號墩、1～8號臨時支墩上拼裝鋼桁梁。

第四步:鋼桁梁拼裝完成后，拆除1～7號臨時支墩，使鋼桁梁形變簡支狀態，達到轉體條件。

第五步:頂推或拖拉鋼桁梁，使鋼桁梁轉體至設計位置。

第六步:拆除旋轉系統及滑道，落梁并調整至設計位置，安裝支座，完成鋼桁梁架設。見圖4、圖5。

圖4 拼裝及轉體中的鋼桁梁

圖5 轉體就位后的鋼桁梁

4.2 關鍵技術

4.2.1 旋轉系統

常用的旋轉裝置是單支點轉軸支座，轉軸支座設置在端橫梁中間，它在旋轉的過程中既承重又限位。這種旋轉系統構造簡單，但端橫梁需要加強，支座噸位較大，且穩定性稍差。本工點的旋轉系統構思巧妙，采用三支點旋轉系統［6］:在支座處設置2個可以滑動的支撐腳承受梁體自重，在端橫梁中間設置不承重但能限位的旋轉銷軸，見圖6。

圖6 三支點旋轉裝置

旋轉銷軸用2種規格的無縫鋼管陰陽扣套接，陰口在下，與橋墩固結，陽頭在上，與梁部固結，鋼管內可灌注混凝土以提高其強度。

為減小支撐腳的摩阻力，墩頂支撐腳軌跡處鋪設不銹鋼板，支撐腳下安裝聚四氟乙烯滑板［7］。

4.2.2 滑道梁

鋼桁梁轉體端的運行軌跡是一個圓弧，但由于滑道梁是簡支結構，且半徑較小，滑道梁宜設計成直梁。本工點的滑道梁設計成箱形直梁，材質采用Q345qD，計算跨度26.7 m，梁高1.55 m，梁寬2.4 m，頂板厚36 mm，底板厚26 mm，腹板厚16 mm。為增強頂板的穩定性，頂板設縱向角鋼加勁肋。為增加滑道梁的抗扭剛度，梁體隔一定距離設置橫隔板。

為了使鋼桁梁轉體端在轉體過程中始終處于水平狀態，滑道梁設計應預留上拱度，上拱度按照滑道梁自重+鋼桁梁支反力產生的撓度設置。本工點滑道梁跨中最大上拱度40 mm。如果滑道梁在鋼桁梁轉體過程中處于下撓狀態，將極大地增加鋼桁梁滑動阻力。

為了減小滑動時的摩擦力，滑道上方可鋪設不銹鋼滑道板，鋼桁梁轉體端支座位置應安裝聚四氟乙烯滑板或工程塑料合金滑板MGE板。本工點在滑道上設置不銹鋼板，鋼桁梁支座鋼板下安裝MGE板作為滑船，鋼桁梁通過滑船在不銹鋼板上滑移。

4.2.3 頂推裝置

鋼桁梁轉體的動力有2種選擇:頂推或拖拉。頂推一般采用千斤頂，頂推力有保障，操作簡單，但由于千斤頂的行程短，不可能一次將鋼桁梁頂推就位，需要多次移動千斤頂，鋼桁梁轉體需要間歇進行。拖拉一般采用卷揚機，原則上可以不間斷一次拖拉就位，但牽引力相對較小且操作繁雜、難以控制［7］。本工點由于需要封鎖施工，每個封鎖點只有2 h，需要3個封鎖點才能完成轉體，因此選擇操作簡單、易于控制的頂推法。

本工點鋼桁梁總質量800 t，MGE板與不銹鋼板間的靜摩擦系數μ1=0.1，滑動摩擦系數μ2=0.06，則啟動頂推力為:Fmax=μ1N=400 kN，啟動后頂推力為:Fmin=μ2N=240 kN。據此，選擇 2臺行程 1 m的1 000 kN千斤頂。

4.3 頂推過程

本工點鋼梁轉體屬營業線施工范疇，必須在封鎖點進行施工。根據千斤頂一個行程時間(千斤頂設計行程1 m，施工時控制在90 cm，每個行程包括回油及頂推時間共10 min)以及上下行線行車的要求，本次轉體施工申請了3個封鎖點，每個封鎖點2 h，共6 h時間。根據封鎖點的時間要求，轉體施工按3個封鎖點分3 個階段實施［6］。

第一階段:在第一個封鎖點完成，計劃頂推8 m。此階段鋼桁梁前支點到達上下行線中間位置，滿足不超越下行線的要求。

第二階段:在第二個封鎖點完成，計劃頂推12 m。鋼桁梁前支點到達18號墩。

第三階段:在第三個封鎖點完成，計劃頂推6.7 m。鋼桁梁到達設計位置。

轉體過程中應對鋼桁梁及轉軸支撐腳的運行軌跡、滑道梁的撓度及受力狀態、頂推力變化等進行觀測，發現異常情況應立刻停止頂推。

5 結語

傳統的明橋面鋼桁梁不僅噪聲大，而且由于軌道防爬的考慮，一般只能用在直線及不大于3‰的坡度上，在使用上受到較大局限［8］。密布橫梁體系鋼正交異性板整體橋面是近幾年鐵路上興起的一種新結構［9］，它不僅克服了明橋面的上述局限性，拓展了鋼梁的使用范圍，還有效地解決了橋面系參與主桁共同作用給橋面結構帶來的不利影響，降低縱橫梁的高度、減小橋面用鋼量［10-11］，目前已廣泛應用于大跨鐵路橋梁。本橋鋼正交異性板上不設混凝土保護層，在防水層與道砟間只鋪設50 mm厚CAP高粘著輕質防護墊層，進一步減輕了結構自重。

小角度跨越鐵路一般采用門式墩和空間剛構方案。門式墩受到結構高度限制，空間剛構施工對既有線運營影響很大。采用下承式鋼桁梁結合簡支梁平面轉體架設技術，既解決了結構高度限制問題，也大大減小了施工對既有線運營的影響，不失為小角度跨越繁忙鐵路干線一種優越的橋式。該種橋式和施工方法已在本工點和集包第二雙線鐵路古城灣特大橋中成功應用［12］。在高速鐵路快速發展的今天，以小角度跨越既有鐵路干線的幾率越來越大，這種橋式方案必將得到越來越廣泛的應用。

［1］中鐵第四勘測設計院集團有限公司.上海金山鐵路春申特大橋施工圖文件［Z］.武漢:中鐵第四勘測設計院集團有限公司，2010.

［2］中鐵第四勘測設計院集團有限公司，等.廣珠城際軌道交通工程橋面防水層暫行技術條件［Z］.武漢:中鐵第四勘測設計院集團有限公司，等.2008.

［3］中鐵第四勘測設計院集團有限公司.廈深鐵路榕江特大橋施工圖文件［Z］.武漢:中鐵第四勘測設計院集團有限公司，2009.

［4］中鐵大橋勘測設計院集團有限公司.TB10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結構設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［5］姚法海.京秦客運專線125 m鋼桁梁頂推施工設計［J］.交通科技，2011(4):28 －31.

［6］中鐵二十局集團有限公司.跨繁忙干線鋼桁梁平面轉體施工技術［R］.西安:中鐵二十局集團有限公司，2011.

［7］陳科.鋼橋拖拉施工工藝及受力分析研究［D］.南京:東南大學，2009.

［8］鐵道第三勘察計院.TB10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［9］鐵道部工程設計鑒定中心，等.1995—2010中國鐵路大橋資料選編［Z］.北京:鐵道部工程設計鑒定中心，等.2011

［10］梅大鵬.南京大勝關長江大橋道砟整體橋面結構方案比選［D］.長沙:中南大學，2008.

［11］劉桂紅，易倫雄.采用正交異形鋼橋面板的鐵路鋼桁梁設計［J］.橋梁建設，2007(S2):8-10.

［12］贠庭貴.集包鐵路古城灣特大橋總體設計［J］.中國科技博覽，2009(15):299-300.