京新高速公路上地斜拉橋頂推施工設(shè)計

焦亞萌，劉永鋒，鐘建輝

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 工程概況

京新高速上地斜拉橋是京新高速公路(五環(huán)路－六環(huán)路)工程的一部分，為(46+46+230+98+90)m 5跨連續(xù)獨(dú)塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土曲線斜拉橋。橋梁全長510 m，主梁寬35.5 m，主塔高99 m。全橋位于圓曲線(半徑920 m)+緩和曲線(A=474.76 m)+直線及縱坡(2.0%)+豎曲線(半徑11 000 m)+縱坡(－1.478%)上。主跨跨越北京地鐵13號線、既有京包鐵路及規(guī)劃京張城際鐵路，與既有線路小角度斜交，交角約為19°。其中主跨B段212 m現(xiàn)澆箱梁，采用塔后預(yù)制，頂推就位。頂推段總重2.5×105kN，頂推距離213 m，拖拉軌跡為圓曲線。其大跨度、大噸位、長頂程、復(fù)雜曲線上單點(diǎn)頂推的設(shè)計與施工工藝位居國內(nèi)前列。全橋布置與拖拉段示意見圖1。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 主梁結(jié)構(gòu)處理

根據(jù)線路情況:平面上，頂推段主梁長212 m，前163.9 m位于A=474.76 m、L=245 m的緩和曲線上，后48.1 m位于直線上。縱斷面上，前68.81 m位于2‰的上坡段，后143.19 m位于－1.478‰的下坡段，豎曲線半徑11 000 m。橫向由4%的單向橫坡變化至2%的雙向橫坡。空間曲線特征復(fù)雜。主梁截面為單箱五室斜邊腹板截面。

圖1 全橋布置與頂推段示意(單位:m)

為保證頂推施工的精度，降低施工難度，對主梁結(jié)構(gòu)采取以下處理措施。

(1)平面上，將B段主梁的線路線形(緩和曲線+直線)擬合出1條R=3 500 m圓曲線，線路線形與擬合圓曲線比較，向圓曲線內(nèi)側(cè)最大偏移Δ=0.343 m，向圓曲線外側(cè)最大偏移Δ=－0.304 m。以擬合圓曲線作為箱梁底板中線，即頂推前進(jìn)的軌跡線。以線路線形作為頂板中線，這樣，既保證了線路線形的平順，又有效地降低了頂推前進(jìn)限位的難度。

(2)縱斷上，將B段主梁首尾的最低點(diǎn)相連，得到1條坡度－3.76‰直線，該直線作為箱梁底面線，也就是頂推前進(jìn)的豎向軌跡線。這樣，主梁首尾兩端梁高為3.52 m，與前后A、C梁段平順相接，中間則為變高段，最高處加高0.511 m。這樣就使主梁頂推軌跡豎向在3.76‰的上坡直線上。

(3)將主梁邊斜腹板下0.3 m設(shè)置成直段，以利于頂推前進(jìn)中的限位和糾偏。頂推段主梁截面見圖2。

圖2 頂推段主梁截面(單位:mm)

通過以上對主梁的結(jié)構(gòu)處理，使得多線性的主梁頂推平面軌跡為圓曲線，立面軌跡為直線，橫向限位力方向垂直于運(yùn)動軌跡，為主梁的準(zhǔn)確頂推就位提供了良好技術(shù)條件。

2.2 預(yù)應(yīng)力鋼束的布置

頂推過程中，主梁各截面交替出現(xiàn)正負(fù)彎矩，所以除腹板束外的預(yù)應(yīng)力筋絕大多數(shù)只布置在頂?shù)装迳希瑑H以軸向力的方式來抵抗頂推施工中的交變彎矩。本橋主梁預(yù)應(yīng)力筋中，一部分是承受運(yùn)營荷載的永久束，其余是只承受頂推施工荷載的臨時束，其中頂板大部分臨時束配置在頂板外，為體外臨時束，體外臨時束錨下張拉控制應(yīng)力取1 210 MPa，錨固在梁端頂板頂?shù)腻^固塊上，中間每8 m對應(yīng)主梁橫隔板位置設(shè)置一截面0.4 m×0.4 m的條狀轉(zhuǎn)向塊。頂推前張拉的永久束均注漿，張拉的臨時束則不注漿，以便將來拆除。

頂推施工前，頂板頂配置40束19－7φ5 mm的體外臨時束，頂板內(nèi)配置16束19－7φ5 mm的臨時束，利用2束19－7φ5 mm的永久束。腹板利用最下方的共12束27－7φ5 mm的永久束(上方的10束27－7φ5 mm的永久束頂推就位后再張拉)。底板利用10束19－7φ5 mm的永久束，配置8束19－7φ5 mm的臨時束。頂推段前端預(yù)應(yīng)力鋼束布置見圖3。

圖3 頂推段前端預(yù)應(yīng)力鋼束布置

2.3 臨時墩

2.3.1 臨時墩的布置

本橋由于跨越線路較多，臨時墩的布置主要受地面既有線路的控制，可調(diào)余地很小。臨時墩布置見圖4。主塔前設(shè)置 L1～L6a共11個臨時墩，塔后設(shè)置L6b～L21共32個臨時墩。其中L4臨時墩布置在箱梁的中腹板位置下方，導(dǎo)梁不經(jīng)過L4臨時墩。頂推過程中，最大懸臂長度為63 m，最大正彎矩跨度為49 m。

本橋頂推中，曲線內(nèi)外側(cè)臨時墩均對稱布置，初步設(shè)計中，曾考慮將臨時墩交錯布置，結(jié)果主梁主拉應(yīng)力達(dá)到6 MPa多，由扭轉(zhuǎn)引起的應(yīng)力對主應(yīng)力貢獻(xiàn)很大，故不宜采取交錯布置的方式。

圖4 頂推過程臨時墩的平立面布置(單位:m)

2.3.2 臨時墩基礎(chǔ)及墩身形式

由于各臨時墩所處位置不同，基礎(chǔ)形式也各異。L6a和L6b利用主塔的承臺做基礎(chǔ)，L12和L19則分別利用5號墩和6號墩的承臺做基礎(chǔ)。由于臨近城鐵和鐵路，為減小承臺開挖對線路的影響及便于將來拆除，各臨時墩承臺主體均外露在地面線以上。L2內(nèi)與L3外位于城鐵和京包鐵路之間，采用人工挖孔樁，受地下水位控制，樁長20 m。其余各臨時墩基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁，樁長42～53 m。其中，L2內(nèi)、L3、L4、L5外臨時墩由于臨近城鐵及鐵路，承臺方向基本與線路方向平行，墩身與承臺之間有20°左右夾角。各臨時墩樁基形式見表1。

表1 各臨時墩樁基形式

臨時墩墩身除L3內(nèi)以外，其余均采用壁厚為22 mm的鋼管柱形式的墩身，墩底1 m為直段，通過法蘭盤與承臺相連。墩底1.5 m范圍內(nèi)填充自密實(shí)混凝土，以上填充沙子。各臨時墩墩身形式見表2。3－φ1.3 m墩身樣式見圖5。

表2 臨時墩墩身形式

L3內(nèi)臨時墩支撐點(diǎn)位于城鐵護(hù)網(wǎng)內(nèi)，為不影響城鐵，采用鋼箱懸臂錨碇結(jié)構(gòu)。支承力臂3.8 m，錨碇力臂15 m。鋼箱結(jié)構(gòu)截面4 m×3 m，壁厚50 mm，尾部采用8束9－7φ5 mm的預(yù)應(yīng)力筋與7 m×7 m×7 m的混凝土錨碇連接。

圖5 臨時墩結(jié)構(gòu)(單位:m)

2.4 導(dǎo)梁

本工程導(dǎo)梁伸出段長44 m，為最大懸臂跨度的0.7倍。分為預(yù)埋段、尾段、中段和前段。預(yù)埋段長5.22 m，其中4 m預(yù)埋在混凝土梁內(nèi)。尾段、中段、前段分別長14.27、14、14.51 m，以方便運(yùn)輸和吊裝。導(dǎo)梁為2肢變高度箱室結(jié)構(gòu)，中間通過平聯(lián)結(jié)構(gòu)連接。導(dǎo)梁底面與主梁一樣，按R=3 500 m的圓曲線設(shè)置。

根據(jù)計算的最大撓度，為便于導(dǎo)梁在頂推過程中爬上臨時墩，在導(dǎo)梁前端設(shè)置30 cm高的象鼻倒角。

2.5 滑動系統(tǒng)

臨時墩頂?shù)幕瑒酉到y(tǒng)，從上到下由新型MGE材料滑塊(30 mm厚)、鏡面不銹鋼板(4 mm厚)、滑道鋼板(40 mm厚)、調(diào)坡鋼楔塊(26 mm厚)構(gòu)成。頂推穩(wěn)定時前進(jìn)速度約為8～10 m/h。

實(shí)測MGE現(xiàn)場的啟動摩擦系數(shù)為0.05～0.06，穩(wěn)定滑動時的動摩擦系數(shù)為0.03～0.04。與傳統(tǒng)的聚四氟乙烯滑板相比，其具有摩擦系數(shù)小，抗壓強(qiáng)度高，且動靜摩擦系數(shù)相近，不易出現(xiàn)竄動、爬行的現(xiàn)象。

滑道進(jìn)出口處開坡口，根據(jù)頂推現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，坡口不宜過小，厚度方向應(yīng)比滑塊厚2～3 cm為宜，以利于滑塊的喂送與滑出。

2.6 動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)采用12臺2 000 kN的串聯(lián)穿心千斤頂，以主塔下塔柱作為反力座，主梁上鋼絞線錨固于尾端下底板上。通過千斤頂?shù)倪B續(xù)工作，使整個頂推過程連續(xù)進(jìn)行。

頂推過程中，可以調(diào)節(jié)12個千斤頂?shù)捻斖屏磔o助糾偏。

3 頂推過程計算

采用Midas civil對頂推過程進(jìn)行模擬計算。計算考慮1.05倍的沖擊系數(shù)。臨時支承按只受壓彈性連接考慮，每前進(jìn)2 m一個階段。模型見圖6。

圖6 頂推模型

3.1 導(dǎo)梁

(1)最大撓度

向上0.033 m(前進(jìn)140 m，導(dǎo)梁前端過L2臨時墩25 m);

向下－0.256 m(前進(jìn)160 m，導(dǎo)梁前端過L5臨時墩63 m，最大懸臂狀態(tài))。

(2)導(dǎo)梁與主梁連接處內(nèi)力值(表3)

表3 導(dǎo)梁與主梁連接處內(nèi)力

(3)導(dǎo)梁最大、最小應(yīng)力(表4)

表4 導(dǎo)梁最大、最小應(yīng)力 MPa

3.2 臨時墩反力

頂推各階段塔前各臨時墩頂反力見圖7，塔后各臨時墩頂反力見圖8。各臨時墩頂最大反力作為臨時墩及基礎(chǔ)的設(shè)計依據(jù)。

圖7 頂推過程中塔前各臨時墩墩頂反力

3.3 主梁正應(yīng)力

頂推過程梁體最大、最小正應(yīng)力及位置見表5。

表5 主梁最大最小應(yīng)力和位置 MPa

頂推過程主梁的上、下緣最大、最小正應(yīng)力分別見圖9、圖10，滿足規(guī)范要求。

3.4 主梁主應(yīng)力

頂推過程主梁的最大主應(yīng)力分別見圖11，滿足規(guī)范要求。

圖8 頂推過程中塔后各臨時墩墩頂反力

圖9 頂推過程主梁上緣應(yīng)力包絡(luò)圖

圖10 頂推過程主梁下緣應(yīng)力包絡(luò)圖

圖11 頂推過程主梁最大主應(yīng)力

4 施工要點(diǎn)及經(jīng)驗(yàn)

2011年5月7日，經(jīng)過10多天的連續(xù)頂推(由于跨越城鐵，只能在晚上城鐵停運(yùn)后，進(jìn)行頂推作業(yè))，重達(dá)2.5×105kN的B段212 m主梁頂推213 m后準(zhǔn)確就位，前端偏差7 mm，尾端偏差4 mm。整個頂推施工過程中，根據(jù)現(xiàn)場各項監(jiān)測數(shù)據(jù)，主梁、各臨時墩的應(yīng)力、變形均與計算結(jié)果吻合較好。

(1)主梁底面的平整，尤其是滑動路徑面的平整，對頂推施工的順利尤為重要，應(yīng)采取一系列工程措施來保證梁底的平整度。如澆筑主梁前預(yù)壓支架，現(xiàn)澆主梁位置的臨時墩梁底鋼模加長等，以保證臨時墩位置處的主梁底平順過渡。

(2)第一次頂推啟動時，由于牽引索為柔性，長達(dá)221 m，主梁向前躥動約70 cm。設(shè)計應(yīng)保證一定的前躥安全空間。

(3)由于主梁底面的不平順，頂推過程中，可能出現(xiàn)喂送不進(jìn)去滑塊的情況，所以臨時墩設(shè)計時應(yīng)考慮具備頂梁的條件。

(4)頂推過程中，最重要是保證主梁與臨時墩頂之間持續(xù)有滑塊，當(dāng)沒有滑塊時，應(yīng)采取措施，如頂梁等，補(bǔ)充滑塊，否則，主梁和臨時墩都有很大的風(fēng)險。

(5)頂推過程中，由于重力很大及橫向不斷的糾偏調(diào)整，滑塊的變形損耗較大，施工前應(yīng)考慮一定的損耗，準(zhǔn)備充足。

5 結(jié)語

京新高速上地斜拉橋的順利頂推就位，其大跨度、大噸位、長頂程、復(fù)雜曲線上單點(diǎn)頂推的設(shè)計與施工工藝，為今后的頂推頂推施工設(shè)計提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

(1)通過對主梁截面的適當(dāng)處理，可以使拖拉頂推法更廣泛的適用于緩和曲線等多種復(fù)雜線性相結(jié)合的梁段，使其均可按照圓曲線軌跡進(jìn)行拖拉。

(2)頂推中應(yīng)盡量利用主梁永久束，減少臨時束的使用。

(3)臨時墩的布置形式不宜采用交錯布置的方式，必要時可以采用懸臂墩形式來實(shí)現(xiàn)對稱布置。

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