淺談上跨既有鐵路懸臂澆筑預應力混凝土連續剛構箱梁橋設計與施工

■陳 恒

(海峽(福建)交通工程設計有限公司，福州 350004)

近年來，隨著福建省公路建設的高速發展，路網的不斷完善，新建公路跨越既有鐵路線路的現象普遍存在，跨線橋逐漸受到關注和重視。跨線橋的設計和施工具有特殊性和復雜性，不僅要滿足橋下鐵路線路凈空的特殊要求，還要保證既有線路的安全和正常運營，其選線、孔跨布置、結構計算、安全防護及附屬設施的設計均受到一定限制，設計施工難度較大。

連續剛構橋是將墩身與連續主梁固結而成的一種橋梁。它是在連續梁橋和T 型剛構橋的基礎上發展起來的大跨徑橋梁最常用的形式之一，具有跨越能力大，伸縮縫少平順度好，行車舒適，施工無體系轉換，無需大型支座，順橋向抗彎、橫橋向抗扭剛度大，順橋向抗推剛度小，能充分適應溫度、混凝土收縮徐變、地震的影響等特點。懸臂現澆施工是連續剛構橋最常用的施工工藝之一，其特點是無需建立落地支架，不影響橋下通航、行車，充分利用預應力混凝土承受負彎矩能力強的特點，但由于懸臂施工周期較長，對施工期間安全防護提出了很高要求。

本文對上跨鷹廈鐵路的廈沙高速公路沙溪大橋的設計、計算與施工的特殊性做了詳細介紹，其經驗可供同類橋梁參考。

1 工程概況

沙溪大橋位于海西高速公路網廈沙高速公路三明段沙縣境內，橋型布置為：3×35m 預應力混凝土連續-剛構T 梁+(63.5+115+115+63.5)m 預應力混凝土變截面連續剛構箱梁+35m 預應力混凝土簡支T 梁，全長505m。該橋3 號墩至7 號墩以(63.5+115+115+63.5)m連續剛構箱梁上跨既有鷹廈鐵路，兩線相交范圍為：沙溪大橋左橋與鷹廈鐵路交叉處樁號ZK184+076.7，交角93.61°；右橋與鷹廈鐵路交叉處樁號YK184+088.9，交角91.86°；鷹廈鐵路交叉里程K322+000～K322+430。沙溪大橋上跨鷹廈鐵路平面關系見圖1。

圖1 沙溪大橋上跨鷹廈鐵路平面關系圖

本橋位于R=1000、Ls=200m 的緩和曲線及直線段上，上跨部分平縱面均位于直線段內。

2 主要設計標準

公路等級：高速公路；

設計速度：80km/h；

設計洪水頻率：1/100；

橋面寬度：單幅12.25m=0.5m(防撞欄) +11.25m(行車道)+0.5m(防撞欄)；

地震設防：場地地震動加速度峰值為0.05g，橋梁抗震設防類別為B 類，抗震設防烈度為6 度，抗震設防措施等級為7 度；

環境類別：Ⅰ類；

航道等級：內河Ⅴ級；

設計基準期：100 年；

設計荷載：公路—Ⅰ級；

收縮徐變：混凝土的收縮徐變特性按照規范取值，施工環境濕度按80%取用，主梁混凝土加載齡期3～7天(計算結果按3 天計列)。收縮徐變產生的結構二次內力及變形由程序自動計算，收縮徐變總天數取3650天，置于施工最后階段；

二期恒載：包括6cm C40 防水砼、10cm 瀝青砼、及防撞護欄，折合成線荷載按63.375kN/m 計算；

汽車活載：公路—I 級，按3 車道計，并按車道數予以折減，折減系數為0.78，汽車偏載系數取1.15；活載橫向調整系數為：3×0.78×1.15=2.691；汽車制動力按同向行駛3 車道考慮，汽車制動力：3×(10.5×357+360)×10%×0.78=961.4kN;

溫度模式：結構所有單元(上部箱梁及下部箱墩)均計入均勻溫差作用及梯度溫差作用。均勻溫差：升溫溫差取25℃，降溫溫差取-23℃。梯度溫差：按《公路橋涵設計通用規范》 (JTGD60-2004)推薦的模式，如圖2 所示。

圖2 溫度梯度模式(單位：mm)

墩臺不均勻沉降：按臺與墩分別沉降10mm。

3 橋位及孔跨布置

平面上，沙溪大橋左橋與鷹廈鐵路交叉處交角93.61°；右橋與鷹廈鐵路交叉處交角91.86°；兩線交角均接近90°，從而極大地降低了沙溪大橋建設對交叉處鷹廈鐵路通視條件造成的不利影響。

縱斷面上，在1985 國家高層基準下，左橋6#墩墩頂高程約157.60m，右橋6#墩墩頂高程約157.48m，交叉處鷹廈鐵路軌頂高程約111m，如圖3 所示，因此交叉處橋梁梁底距鐵路軌面高程差均大于45m，均在《標準軌距鐵路建筑限界》 (GB146.2-83)規定的鐵路基本建筑限界之外，同時滿足梁底至軌頂高度應大于8.5m的要求。

沙溪大橋左右橋6#墩均位于交叉處鷹廈鐵路路基排水溝及臨溪側路塹坡頂外側，其中左橋6#墩承臺距鐵路路塹坡頂水平向最小凈距約12.1m，右橋6#墩承臺距鐵路路塹坡頂水平向最小凈距約13.1m(如圖4 所示)，均在《標準軌距鐵路建筑限界》 (GB146.2-83)規定的鐵路基本建筑限界之外，滿足《鐵路安全管理條例》 (中華人民共和國國務院令第639 號)第三十二條“在鐵路線路安全保護區及其鄰近區域建造或者設置的建筑物、構筑物、設施等，不得進入國家規定的鐵路建筑限界”的要求。

圖3 公鐵交叉處局部立面圖(單位：cm)

圖4 公鐵交叉處局部平面詳圖(單位：cm)

因此，沙溪大橋左右橋總體設計方案均能滿足國家規定的鐵路基本建筑限界的要求，橋梁總體設計方案合理。

4 結構設計

4.1 建筑材料

主橋箱梁(含齒塊)采用C55 砼，主橋主墩墩身采用C40 砼，主墩頂5.5m 范圍內采用C55 砼，主橋樁基、承臺采用C30 砼。

縱向預應力筋采用公稱直徑為15.20mm 高強度低松弛鋼絞線，fpk=1860MPa，張拉控制應力為1357.8MPa，箱梁頂板懸澆束及腹板束采用Φs15.2-19鋼絞線，中、邊跨頂底板合攏束采用Φs15.2-17 鋼絞線，對應錨具分別采用M15-19 型和M15-17 型錨具，對應波紋管分別采用φ內100mm 及φ內90mm 塑料波紋管，波紋管孔道摩阻系數μ=0.17、偏差系數k=0.0015。箱梁豎向預應力鋼筋采用JL25 精軋螺紋鋼筋。

普通鋼筋：鋼筋直徑≤10mm 者采用HPB300 光圓鋼筋，直徑＞10mm 者采用HRB400 帶肋鋼筋。

4.2 上部結構

本橋主橋為(63.5+115+115+63.5)m 預應力混凝土變截面連續剛構箱梁，采用單箱單室箱形截面(如圖5所示)，頂板寬度箱梁頂面寬12.25m，箱底寬6.25m。箱梁控制斷面梁高為：中支點處7.0m，邊跨直線段及主跨跨中處為2.8m，高跨比分別為1：16.4 和1∶41.1，箱梁高度和底板厚度按2 次拋物線變化。箱梁頂板厚度為28cm，底板厚從跨中至根部由28 cm 變化為75cm，腹板從跨中至根部分3 段采用50、60、75cm 三種厚度，墩頂腹板厚度為100cm。

圖5 箱梁斷面示意圖(單位：cm)

上部結構采用掛籃懸臂澆筑施工方法，每個懸澆T構縱向對稱劃分為15 個節段，梁段劃分從根部至邊跨直線段為4×3.0m、11×3.5m，懸澆節段最大控制重量1335kN，合攏段長度為2m，合攏方式采用先邊跨合攏再中跨合攏。跨中及支點截面鋼束布置見圖6。

圖6 跨中/支點截面鋼束布置示意圖(單位：cm)

4.3 下部結構

大橋主橋主墩4 號、5 號、6 號均采用箱形墩配樁基礎、主橋交界墩采用箱形墩及薄壁墩配樁基礎；墩橫斷面外觀尺寸6.25m×4.5m，承臺尺寸11.0m×11.0m×4.0m，主墩樁基采用雙排樁，樁徑2.8m，橫向、縱向樁距均為6.2m。

5 結構計算

5.1 模型簡介

本橋縱向計算主程序采用橋梁博士V3.5.0 程序，按平面桿系進行結構分析。結合結構構造特點及施工順序進行結構離散，全橋共劃分179 個單元。結構計算模型如圖7 所示。

圖7 計算模型

邊界條件：主墩樁基礎根據等剛度原則進行群樁等代，等代樁基底固結，過渡墩位置僅設豎向支撐。

大橋施工順序劃分如下：施工樁基礎、承臺及墩身；立模澆筑0＃塊；接著安裝掛籃，立模對稱澆筑懸澆段混凝土；懸澆完畢，按邊跨、中跨的順序合攏，形成連續剛構體系；最后鋪設橋面鋪裝、澆筑防撞欄，拆除臨時施工設施，完成施工。

根據實際施工順序，計算共劃分為53 個施工階段和1 個運營階段，懸澆節段施工周期按8 天。

5.2 計算結果

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》 (JTG D62-2004)按全預應力構件對上部結構進行驗算。

圖8 施工階段最大應力包絡圖

圖9 最大抗力及抗力對應內力圖

圖10 最小抗力及抗力對應內力圖

圖12 短期效應組合主應力包絡圖

圖13 標準組合箱梁上、下緣正應力包絡圖

圖14 標準組合箱梁主應力包絡圖

由圖8～圖14 可知，沙溪大橋上部結構各階段的應力均滿足設計規范要求。

撓度驗算：邊跨跨中最大撓度為15.95mm，中跨跨中最大撓度為37.72mm，均小于計算跨徑的1/600，滿足規范要求。

預應力鋼筋最大拉應力驗算：使用階段受拉區預應力鋼鉸線的最大拉應力限值為1209MPa；從計算結果可以看出，標準組合預應力鋼絞線最大拉應力1207MPa，滿足規范要求。

綜上：沙溪大橋結構安全滿足公路—Ⅰ級汽車荷載的要求。但從我院以往設計的公鐵交叉項目來看，僅滿足公路—Ⅰ級荷載，安全系數偏低，為確保交叉段落安全結構可采用設計荷載乘以一定擴大系數的做法，該做法在鐵路、公路技術標準中均未明確規定，因此對公鐵交叉跨線橋的荷載要求需由鐵路與公路主管部門協商，進行專題研究。

6 橋梁防護及附屬設施設計

《鐵路安全管理條例》 (中華人民共和國國務院令第639 號)第四十四條規定：“……跨越鐵路線路的道路橋梁，應當按照國家有關規定設置防止車輛以及其他物體進入、墜入鐵路線路的安全防護設施和警示標志……”。

6.1 防撞護欄

《關于公鐵立交和公鐵并行路段護欄建設與維護管理相關問題的通知》 (鐵運［2012］139 號) 規定：“……公路跨越鐵路立交橋應設置鋼筋混凝土墻式護欄和防護網，并根據不同的設計速度，按照《公路交通安全設施設計規范》 (JTGD81)中‘車輛駛出橋外有可能造成二次重大事故或二次特大事故’的有關規定提高一個防撞等級設置護欄。……”

目前，省內高速公路沿線橋梁大部分采用“閩華”混凝土防撞護欄，該類護欄防撞等級為SA 級，無法滿足上述文件要求，故沙溪大橋橋面兩側按SS 級標準設計防撞欄。

6.2 防拋網

《南昌鐵路局公鐵并行防護欄、公跨鐵立交橋防拋網管理辦法》 (南鐵工務發(2010)126 號)規定：“新建客運專線公跨鐵立交橋要設置高度為2.5m 及以上的防拋網，既有線公跨鐵立交橋防拋網高度不少于2.0m……。防拋網設置范圍不得少于橋下線路外軌外側5m，防拋網要求安設牢固，網孔孔徑不大于20mm。”

沙溪大橋上跨部分防拋網應按照上述要求設置。

6.3 排水設施

圖15 上跨處橋面泄水管布置圖

橋面排水系統：上跨鷹廈鐵路段落不布置豎向泄水管，并將橋面匯水排至路塹邊溝處，以消除橋面排水對鐵路路基的影響。

6.4 警示標志

(1)鷹廈鐵路為電氣化鐵路，根據《南昌鐵路局公鐵并行防護欄、公跨鐵立交橋防拋網管理辦法》 (南鐵工務發(2010)126 號)規定：“電氣化區段的上跨立交橋防拋網要設置‘高壓危險’警示標。”；同時，上跨立交必須安裝接地裝置，以避免雜散電流對鐵路運營產生影響。

(2)為減少上跨橋梁交通事故，在引橋區段設置相關交通告示牌，提醒駕駛員前方跨越鐵路，謹慎駕駛，嚴禁變道、超車。

7 施工方法及防護

結合工程地質條件，本橋在施工過程中面臨的困難主要有：6 號墩施工臨近既有線；采用懸臂現澆施工存在較多的高空墜物隱患；跨越電氣化鐵路線路，既有線行車不中斷，行車干擾、鐵路配合任務量大，防電要求高；7 號墩、沙縣臺位于既有鐵路路塹邊坡，施工過程防落石措施尤為重要。

為克服上述困難，施工時應采用下列措施：

(1)6 號墩左右橋承臺與鷹廈鐵路間最小水平凈距約為12.1m，樁基承臺施工時應避免對鐵路路塹邊坡附加堆載，做好承臺開挖的邊坡穩定驗算及防護措施；細化施工機械及人員的平面布置，設置隔離，確保施工機械和人員不進入鐵路基本建筑限界；采用震動相對較小的樁基成孔方式，并輔以全空套筒護壁施工，以防塌孔或擾動鐵路邊坡。

(2)采用全封閉掛籃防止物體墜落；掛籃結構及加固系統應充分考慮，并做好掛籃拼裝過程、前移過程各系統及構件的檢查、防風固定；橋面施工期，橋面兩側設置隔離柵及密目網封閉，以防止護欄模板及防護網等墜落；施工中各類長懸臂機械應配置完善的接地、防雷系統。

(3)橋面投影前后5m 范圍鷹廈鐵路設置防護棚，如圖16 所示，防止物體墜落影響鐵路安全；防護棚應通過專門的結構驗算，滿足一定的高空墜物承載要求，同時滿足最大重量施工機具的沖擊影響、鐵路運營振動影響及防風設計；防護棚立柱應做好防撞措施，橫梁結構應鋪設一定范圍的防電絕緣板以滿足絕緣要求，同時防護棚應有完整的接地系統并確保接地良好。

圖16 上跨鷹廈鐵路施工防護棚示意圖

(4)7 號墩、沙縣臺位于既有鐵路路塹上邊坡，在既有鐵路漿砌護坡與7 號墩間設置一道柔性被動防護網和一道重力式攔渣墻，以防止落石侵入鐵路路基；7號墩、沙縣臺樁基承臺施工均采用人工開挖形式，減少對既有邊坡擾動。

8 結論

跨鐵路線橋不同于一般的橋梁，其橋梁設計需進行專門的特殊設計，并配置完善的防護系統，從而確保鐵路的正常、安全運營。

[1]JTG B01-2014，公路工程技術標準[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2014.

[2]JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[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].北京：人民交通出版社，2004.

[4]TB/T 3089-2004，鐵路沿線斜坡柔性安全防護網[S].北京：中國鐵道出版社，2004.

[5]韓學芳.上跨橋對鐵路安全的影響及對策[J].上海鐵道科技，2012(4)；21-22.

[6]朱春義.廣州-茂名鐵路跨線橋的設計與施工[J].鐵道建筑，2006(7):4-6.

[7]蔡佳駿.跨鐵路高架橋防護棚架設計方案研究[J].中國水運，2013(6):251-252.

[8]黃莉,王捷.跨線公路特大橋梁設計與施工[J].橋梁隧道，2013(10):188-189.

[9]徐洪弟.麻芝鋪雙線大橋(32+48+32)m 連續梁上跨既有株六鐵路安全防護設計[J].四川建筑，2013(5):204-206.