張涿高速公路臥佛寺連接線永定河大橋方案研究

曹 全

(北京鐵路局，北京 100860)

1 工程概況

張涿高速公路臥佛寺連接線(康祁公路)永定河大橋位于官廳水庫大壩下游150 m處，跨越官廳水庫下游永定河段及豐沙鐵路(上、下行線)，與豐沙鐵路下行線交叉角度約為74°，橋位處永定河段河床底面寬約102 m，兩側山坡陡峭;跨越豐沙鐵路上、下行線間距約為34.8 m，高差約為13.5 m。在初步設計階段提出了需要對豐沙鐵路上下行進行棚洞防護的跨度為(55+98+98+55)m剛構連續梁方案、在3號墩進行單轉體的跨度為(55+98+98+55)m剛構連續梁方案以及在2號墩采用墩中轉體同時3號墩采用墩底轉體的橋跨布置為(58+93+97+58)m剛構連續梁方案，通過3個方案進行工程風險分析研究，最終實施方案為雙轉體方案。橋梁全長308 m。橋梁全寬12.4 m。

2 方案設計

2.1 設計原則

針對建設條件、結構方案、施工技術安全、運營管理安全風險進行研究，從而更加全面地進行橋型方案比選，優化工程建設方案，以達到安全、經濟、高效的管理目標，幫助業主、建設方和有關部門做出科學決策。初步設計階段安全風險評估采用專家調查法，實施過程中引入了專家參與、專家咨詢、專家決策過程。在實施過程的諸多環節——風險源篩選、風險分析、風險評價、應對策略等，都有專家參與咨詢和決策。

(1)該項目建設環境特點之一，官廳水庫下游的永定河是首都的水源地之一，在設計方案上需要采取橋面全封閉措施，確保橋上污水不排到永定河中。施工期間要特別注意環境保護，制定可行的施工方案。

(2)該項目建設環境特點之二，本橋跨越繁忙的豐沙鐵路上下行，各方案均需要采取可靠措施，保證施工期間對鐵路運營風險的影響最小。在橋型選擇上，豐沙鐵路運營的安全是最大的風險源。

(3)該項目建設環境特點之三，針對本橋跨越山谷，橋墩的高度相差很大，從剛度匹配合理的角度，3號墩墩頂需要設置活動支座，從而形成了剛構連續梁橋方案。

(4)針對高墩穩定性風險，加強最大懸臂及成橋后的穩定性非線性計算分析;計入施工規范容許范圍內的誤差對結構的影響;充分考慮薄壁墩在風、溫等作用下的高墩穩定性。為了降低施工安全風險，在風險評估的基礎上，采用墩中轉體的施工技術，減輕轉體重力，合理確定了采用40 m墩高的轉體方案。

(5)針對成橋受力狀態不確定性以及風力、溫度作用下結構受力性能變化不確定性，采用多種空間結構分析軟件進行仿真計算分析，嚴格現場控制和周密施工全過程監控。

2.2 設計標準

(1)道路等級:二級公路。

(2)計算行車速度:60 km/h。

(3)荷載標準:公路－Ⅰ級的1.3倍。

(4)橋梁設計基準期:100年。

(5)橋面寬度:凈寬11.4 m+2×0.5 m防撞護欄=12.4 m。

(6)橋面橫坡:1.5%雙向橫坡。

(7)橋面鋪裝:13 cm厚C40混凝土調平層+5 cm厚中粒式瀝青混凝土。

(8)橋下凈空:本橋跨越豐沙鐵路，橋下凈高＞7.96 m。

(9)抗震設防烈度:8度，地震動峰值加速度:0.2g。

2.3 大橋設計方案

2.3.1 55 m+98 m+98 m+55 m剛構連續梁方案(方案1)

全橋采用主跨為98 m的剛構連續梁方案，橋梁全長308 m?？紤]跨越鐵路及保證合龍段與鐵路有一定安全距離，跨徑布置為(55+98+98+55)m，采用鐵路棚護后對稱懸臂澆筑的方法進行梁體的施工，在豐沙線上下行之間設計2 m合龍段，合龍段中心距豐沙上行11.2 m。通過防洪評價，在永定河中設2個50 m左右的高墩，墩梁固結，3號墩墩高11.4 m，墩頂設縱向活動支座。［1-3］見圖1。

圖1 方案1立面布置(單位:cm)

主梁:(55+2×98+55)m T構箱梁為變高單箱單室截面，箱梁頂寬12.4 m，底寬7.0 m;箱梁高度在與主墩墩身對應的梁段4.0 m范圍內梁高均為6.0 m，邊跨現澆段處及跨中處梁高均為2.75 m，其余部位梁高按二次拋物線變化。箱梁在主橋主墩處4.0 m范圍為實體中橫隔梁，在橋臺處設置2.5 m厚邊橫梁，中橫梁上均設有過人洞。

主墩:1號、2號主墩均采用圓端形空心薄壁墩配圓端形實體墩座，墩高分別為52 m和54 m。3號墩采用圓端形實體橋墩。3號墩高11.4 m?？紤]到3號墩剛度大，為減小梁體溫度應力，3號墩墩頂擬設置盆式支座，針對采用的對稱掛籃懸澆，在3號墩順橋向距墩中心3 m處對應腹板位置對稱設置鋼管混凝土臨時支墩，順橋向每側臨時墩采用φ1 000 mm×30 mm鋼管混凝土立柱2根，內灌注C50補償收縮混凝土，兩立柱間布置2根φ1 000 mm×30 mm的水平橫撐形成格構，每根立柱頂布置7根JL32精軋螺紋鋼筋，用于抵抗懸澆時的不平衡力矩，設計不考慮落梁。

本方案主要針對施工圖(55 m+98 m+98 m+55 m組合剛構)中鐵路棚洞防護要點時間長，施工風險與難度大，鐵路局各相關部門提出由于豐沙鐵路至2009年底運量陡增，鐵路棚洞防護施工對鐵路影響過大，明確表示鐵路棚洞防護施工基本不具備可行性。

2.3.2 58 m+95 m+95 m+58 m連續剛構方案(方案2)

全橋采用主跨為95 m的剛構連續梁方案，跨徑布置為(58+95+95+58)m，橋梁全長308 m。該方案將豐沙鐵路下行線西側3號橋墩設轉體墩，3號墩頂段梁體采用先平行于鐵路方向掛籃懸澆然后轉體至橋位的平轉方案，轉體角度74°，轉體質量約為8 500 t。其余2個高墩墩頂梁段采用掛籃懸臂澆筑方案，在2個中跨設合龍段?？紤]轉體梁端跨越鐵路時，合龍段與鐵路應有足夠的安全距離，轉體時梁體按不平衡梁段布置(即65 m+52 m)，跨越鐵路側為65 m懸臂，轉體到位后跨過豐沙鐵路上下行線，在豐沙鐵路跨上行線東側設置合龍段的方案。平行鐵路澆筑梁體時，控制懸澆梁段邊緣距離豐沙鐵路下行線最小距離為18.60 m;轉體到位后梁端距離豐沙鐵路上行線最小距離為6.02 m。承臺平行于鐵路下行線設置，距鐵路下行線最小距離14.77 m。

主梁:主梁采用混凝土箱梁。箱梁頂寬12.4 m，底寬7.0 m，與墩固結處梁高8.0 m，跨中梁高3.5 m，順橋向梁高呈二次拋物線變化。主梁為單箱單室截面，兩側懸臂長均為2.7 m。

主墩:1號、2號主墩均采用圓形空心薄壁墩，墩高均為54.0 m，3號轉體墩采用圓端形實體橋墩。3號轉體墩墩高10.0 m，墩橫橋向寬7.0 m，順橋向寬自墩底至墩頂由5.0 m漸變至4.0 m?？紤]到3號墩剛度大，為減小梁體溫度應力，3號墩墩頂擬設置盆式支座，進行梁體現澆和轉體前，應將墩梁進行臨時固結同時需要將上下轉盤進行臨時鎖定。

設計方案采用支架現澆方案，設計和施工難度均較大，轉體時，邊跨需要較大噸位的配重，該方案技術上可行，但橋型方案上存在較大的工程風險［4］。

2.3.3 55 m+93 m+97 m+58 m連續剛構方案(方案3)

考慮橋梁上跨豐沙鐵路，為保證橋梁施工期間減少對鐵路的干擾，橋梁布置為(58+93+97+58)m剛構連續梁方案，橋梁全長308 m。剛構上部結構采用變高度預應力混凝土單箱單室箱梁，其中2、3號橋墩處采用轉體施工跨越豐沙鐵路上、下行線，轉體角度分別為 65°和 74°，轉體質量分別為 7 200 t、6 100 t。［5-9］1、2號橋墩采用矩形空心薄壁墩配嵌巖樁基礎，3號橋墩采用矩形實心墩配嵌巖樁基礎，除1號墩墩身底部設有直徑7 m圓端形實體墩座外，2號、3號墩墩身底部均設有直徑10 m實體墩座與承臺連接;橋臺采用實體橋臺擴大基礎。方案3見圖2。

橋梁上部結構采用一聯(58+93+97+58)m組合剛構箱梁，箱梁為變高單箱單室直腹板截面，箱梁頂寬12.4 m，底寬7.0 m;在與橋墩墩身對應的梁段4.0 m范圍內箱梁高度均為6.5 m，在橋臺及主跨跨中處梁高為3.0 m，邊跨現澆段梁高均為3.0 m，其余部位梁高按二次拋物線變化;箱梁頂板厚0.3 m;箱梁底板厚度在主墩處為1.8 m，橋臺處及主跨跨中處分別為0.85 m、0.35 m，其余按二次拋物線漸變;箱梁腹板的厚度在0.5～0.9 m之間根據剪力大小變化。箱梁在1號、2號橋墩處6.0 m范圍設置2組1.0 m厚中橫隔梁，3號橋墩處4.0 m范圍內設置4.0 m厚中橫隔梁，在兩側橋臺處均設置2.38 m厚端橫隔梁，在橋墩處中橫隔梁上均設有人洞。在箱梁近橋臺處底板上設置φ100 cm永久進人孔，同時于腹板上按一定間隔設置φ10 cm通氣孔。箱梁頂面設1.5%雙向橫坡，橫坡由頂板傾斜而成。

1號、2號墩身均采用矩形空心薄壁墩，墩身截面橫橋向寬7.0 m，順橋向寬6.0 m，壁厚1.0 m。1號墩身下設19 m高圓端形實體墩座，墩座橫橋向寬14.0 m(兩端為半徑3.5 m圓端形)，順橋向寬7.0 m。2號墩身下設直徑10.0 m圓形實體墩座，墩座高16.0 m。1號、2號實體墩座下設4.0 m高承臺，承臺順橋向寬為11.0 m，橫橋向寬為14.8 m。

主墩墩身、上轉盤及承臺均采用C40混凝土(球鉸局部采用C50混凝土)，樁基均為水下C30混凝土。

3號墩身采用矩形實心墩，墩身截面橫橋向寬7.0 m，順橋向寬4.0 m。墩身下設直徑10.0 m圓形實體墩座，墩座高4.1 m。實體墩座下設4.0 m高承臺，承臺順橋向寬為11.0 m，橫橋向寬為11.0 m?？紤]到3號墩剛度大，為減小梁體溫度應力，3號墩墩頂擬設置盆式支座，進行梁體現澆和轉體前，應將墩梁進行臨時固結同時需要將上下轉盤進行臨時鎖定。

3號墩梁臨時固結方案:根據轉體重力及轉體重心位置，研究確定在墩頂支座墊石兩側預埋4組鋼構件，用于抵抗轉動產生的慣性矩。4組預埋鋼構件順橋向距墩中心2.0 m，橫橋向間距為5.0 m，每組鋼構件由5根I45a焊接組成，長度為3 000 mm，埋入墩頂及梁體的長度均為1 200 mm。

圖2 方案3(單位:cm)

墩梁臨時固結方案的計算采用通用結構分析軟件——ANSYS10.0。為了計算方便，將變截面箱梁截面簡化成等截面箱梁;同時為了真實地反應結構的受力情況，將箱梁的容重按階段進行變化。在計算中假定5根工字鋼是連成整體的。

墩身和墩座及梁體采用混凝土實體單元——SOLID65單元，鋼管采用管單元——PIPE16單元，工字鋼采用殼單元——SHELL63單元，支座采用各向異性實體單元——SOLID64單元。混凝土SOLID65單元共有153 129個，管 PIPE16單元共有93 747個，殼SHELL63單元共有2 400，各向異性SOLID64單元共有384個。整個結構共劃分80 598個節點，249 660個單元。橋墩和臨時固結的模型如圖3所示。

圖3 單元局部模型

通過分析計算得到如下結論:鋼管和工字鋼的剛度和強度均滿足設計要求，鋼管的頂、底與混凝土接觸部位、工字鋼和墩身接觸部位應力均超標。因此設計時在相應位置均需采用普通鋼筋加強，減少應力集中效應。

2.4 方案比選

本橋的3個剛構連續梁方案，其建設條件的最大風險源為跨越繁忙的豐沙線;橋型結構的最大風險為主墩高度和上部結構跨徑較大導致結構受力不合理;施工的最大風險為高墩最大懸臂下的穩定性和掛籃懸澆的施工安全風險。從對鐵路運營損失影響程度及施工中對鐵路運營安全風險最小的角度出發，方案一的施工安全風險大，棚洞安拆周期長給鐵路運營帶來的經濟損失大。方案二采用3號墩不對稱轉體跨越豐沙上下行線，設計和施工難度大，結構安全風險大。方案三采用墩中轉體及3號墩設為轉體墩的雙轉體跨中合龍方案，結構方案風險小，施工安全風險可控，該方案被專家及有關管理部門認可。

3 結論

本橋的難點在于橋梁采用雙轉體施工跨越既有豐沙鐵路及永定河，其中2號橋墩為56 m高墩轉體，為了降低施工難度，轉體系統設計在承臺頂面以上16 m處橋墩中間部位;3號墩采取了將梁與墩臨時鎖定后共同進行墩底轉體的設計方案，3號墩頂梁部因墩高較低，采用了支架現澆工藝，2號墩T構部分采用了懸臂施工工藝。本橋具有施工工藝復雜，設計難度大的特點，高墩轉體通過精細的穩定性檢算和工法研究，成橋效果達到了設計要求。2012年5月8日該橋順利完成了關鍵雙轉體工序，2012年10月建設完工。

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［3］JTG D63—2007 公路橋涵地基與基礎設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2007.

［4］中華人民共和國交通運輸部.交公路發［2010］175號 公路橋梁和隧道工程設計安全風險評估指南［S］.北京:人民交通出版社，2010.

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