(145+240+110) m子母塔單索面轉(zhuǎn)體斜拉橋設(shè)計創(chuàng)新

焦亞萌,徐升橋,簡方梁,鮑 薇

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 工程概況

保定市樂凱大街南延工程保定南站主橋跨越京廣鐵路保定南站共21條股道，采用(145+240+110) m三跨連續(xù)子母塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋[1-2]。橋面總寬39.7 m，雙向8車道，兩側(cè)各設(shè)置2 m寬的人行道。橋塔設(shè)計結(jié)合保定深厚的體育文化底蘊，采用奧運火炬造型，母塔采用塔、墩、梁固結(jié)形式，橋面以上高68 m。子塔橋面以上高52 m，塔梁固結(jié)，墩梁間設(shè)置4個縱向滑動支座釋放縱向位移。見圖1、圖2。

圖1 樂凱大街跨保定南站主橋布置(單位：cm)

圖2 橋面布置(單位：cm)

為最大限度減少對京廣鐵路運營影響，采用子母塔雙轉(zhuǎn)體施工，母塔轉(zhuǎn)體長度(128.6+135) m，轉(zhuǎn)體質(zhì)量46 000 t，逆時針轉(zhuǎn)體52.4°。子塔轉(zhuǎn)體長度2×102 m， 轉(zhuǎn)體質(zhì)量35 000 t，逆時針轉(zhuǎn)體67.4°。通過對轉(zhuǎn)體球面平鉸的分塊及整體設(shè)計，增強了球面平鉸使用的靈活性，提高了球面平鉸的經(jīng)濟性，解決了轉(zhuǎn)體施工向大噸位、大跨徑方向發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題。本項目轉(zhuǎn)體長度和轉(zhuǎn)體質(zhì)量均創(chuàng)世界之最。

2 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新

2.1 超長擴底樁設(shè)計和施工工藝

本橋的母塔和子塔均采用擴底樁，樁長分別達到84 m和71 m，樁底3.57 m范圍由直徑1.8 m擴大到3 m，樁底0.75 m為直段，見圖3。 母塔樁底位于硬塑粉質(zhì)黏土層，子塔樁底位于密實細沙層。與等直徑樁相比，在保證相同承載力情況下，樁長分別縮短20%和23%。設(shè)計中根據(jù)JGJ94—2008《建筑樁基規(guī)范》，擴底樁斜面及變截面以上2d(d為樁徑)范圍內(nèi)不計側(cè)摩阻。擴底樁可使承載力大幅度提高，縮短樁長或減少樁數(shù)，具有較好的經(jīng)濟性，但要注意同時考慮沉降因素，相鄰兩墩之間的沉降差應(yīng)滿足上部結(jié)構(gòu)沉降差容許值[3]。

圖3 擴底樁樁頭示意(單位：cm)

本橋擴底樁成孔施工采用AM可視旋挖擴底工法[4]，該工法是一種全液壓可視可控旋挖擴底灌注樁(原始土挖掘)的施工方法。成樁中具體采用下述步驟：樁孔中心定位，鉆機干挖一個直徑大于預(yù)設(shè)樁徑的孔，然后埋設(shè)護筒;鉆孔鉆進一定深度后，鉆機提升至地面，清除鉆機鏟斗內(nèi)的泥土，然后再次鉆孔提升，如此反復(fù)，至達到所設(shè)計高程為止;擴底由專用魔力擴底鏟斗進行樁孔底部的擴底作業(yè)，最后將樁孔底部挖掘成一錐形空腔和底座直立形空腔，鉆挖設(shè)備上有計算機管理施工影像管理裝置系統(tǒng)，操作員根據(jù)映像顯示控制鉆挖設(shè)備進行地下擴底作業(yè)；對樁孔的深度進行檢測，同時檢測樁孔中的沉渣，安放鋼筋籠插入校直用隔離管，再將鋼筋籠放入樁孔中，然后用清渣泵進行清渣；安放導(dǎo)管，灌注混凝土，最后形成完整擴底樁。

2.2 大噸位新型球面平鉸及分塊拼接技術(shù)

本橋的母塔和子塔轉(zhuǎn)體質(zhì)量分別為46 000 t和35 000 t，轉(zhuǎn)體質(zhì)量巨大，其中轉(zhuǎn)體核心構(gòu)件—轉(zhuǎn)鉸采用中鐵設(shè)計集團自主研發(fā)并擁有知識產(chǎn)權(quán)的50 000 t級和40 000 t級的新型球面平鉸結(jié)構(gòu)。

常規(guī)小噸位轉(zhuǎn)體球鉸由于直徑較小，均采用鋼板整體沖壓形成球面[5-6]。一般的，當(dāng)轉(zhuǎn)體質(zhì)量大于20 000 t時，考慮到既有鋼板拼接以及沖壓設(shè)備工藝的限制，以往的幾個大噸位球鉸均采用鑄鋼材料進行整體鑄造形成球面，鋼鑄件有更大的設(shè)計靈活性，容易做出更靈活復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形狀。但也有其工程應(yīng)用上的缺點：(1)澆筑時流動性較差，內(nèi)部易出現(xiàn)夾沙、分層、裂紋等內(nèi)部缺陷，因此板厚不宜過薄，以減緩其內(nèi)外散熱速度差異過大引起的缺陷，導(dǎo)致采用鑄造工藝成形的球鉸質(zhì)量較大；(2)球鉸鑄造成形后，受其形狀的限制，采用超聲波無損探傷、滲透檢測或X射線檢測方法均無法較好對構(gòu)件進行內(nèi)部缺陷的檢測；(3)鑄造毛坯必須進行去除應(yīng)力處理和時效處理，要求的工藝和設(shè)備條件苛刻。

考慮以上因素，本橋在設(shè)計時，首次提出基于軋制鋼板Q345材料的球面平鉸分塊拼接技術(shù)，上平鉸和下平鉸分別由2塊厚200 mm的鋼板數(shù)控加工而成。

(1)將2塊200 mm厚的鋼板作為平鉸毛坯，分別與40 mm厚的加強肋熔透焊接，形成剛性較強的整體后去除應(yīng)力處理。

(2)通過加強肋上的螺栓將上面的2個構(gòu)件拼接牢靠，合并為一整體后，整體進行數(shù)控加工，上平鉸其平面度和球面度保證在0.5 mm以內(nèi)。

(3)上平鉸整體用數(shù)控車床加工為凸球面，再對凸球面進行拋光處理。

(4)下平鉸整體用數(shù)控車床加工成凹球面，再使用搖臂鉆加工滑塊約束坑。

(5)將其拆解并進行廠內(nèi)預(yù)拼組裝，要求其平面度和球面度小于0.5 mm，根據(jù)運輸條件可進行拆解分塊運輸，運至施工現(xiàn)場后，對拼時對接縫處進行打磨拋光，使接縫平順過渡。

相比鑄鋼工藝球鉸，該種新型的球面平鉸具有如下優(yōu)點。

(1)大大降低球鉸的質(zhì)量，以本橋使用50 000 t級的球面平鉸為例，其質(zhì)量僅為相同級別鑄鋼工藝球鉸質(zhì)量的60%左右，經(jīng)濟效益顯著。

(2)采用軋制鋼板為原材料，可避免鑄鋼工藝整體成形的內(nèi)部缺陷，并可以進行成形檢測，質(zhì)量更易保證。

(3)采用分塊拼接技術(shù)，可以將球鉸單塊的最大尺寸控制在3.5 m以內(nèi)，不屬于大件運輸范圍，更便于結(jié)構(gòu)運輸。

(4)受鋼板毛坯厚度限制，其球面半徑相比傳統(tǒng)的鑄鋼球鉸要大，相應(yīng)轉(zhuǎn)體時平穩(wěn)性更好。

本橋50 000 t級和40 000 t級球面平鉸直徑分別為6.48 m和5.88 m，球面半徑分為33 m和28 m。實際生產(chǎn)制造中，根據(jù)廠家設(shè)備加工能力，分別被拆成2塊和3塊。單塊最大寬度為3.24 m，不受運輸條件限制。經(jīng)過現(xiàn)場的摩阻系數(shù)測試、實際轉(zhuǎn)體驗證，證明了該分塊拼接技術(shù)工藝性能可靠[7]。球面平鉸立面及分塊示意如圖4所示。

2.3 超寬W形腹板主梁+頂板加強豎肋

本橋為超寬單索面斜拉橋，斜拉索布置于截面中央，主梁寬度達到了39.7 m[8-9]。主梁設(shè)計時采用大懸臂的W形腹板截面設(shè)計[10-11]，標(biāo)準(zhǔn)主梁斷面見圖5，相對于傳統(tǒng)的單箱多室直立內(nèi)腹板的整體箱梁截面[12-13]，該截面具有如下優(yōu)點。

圖4 球面平鉸立面及分塊示意

圖5 標(biāo)準(zhǔn)主梁斷面(單位：cm)

(1)截面受力明確，表現(xiàn)為較強的桁梁受力特點[8]，在索力、恒載、橋面活載共同作用下，頂板和內(nèi)斜腹板受拉，外斜腹板和底板受壓，整個截面表現(xiàn)為桁架桿件之間的拉壓受力平衡。見圖6。

圖6 W形腹板截面受力示意

(2)W形截面的截面面積小于單箱多室直立內(nèi)腹板的截面面積，同時由于主梁截面的桁架受力特征顯著，因此W形主梁截面可以取消傳統(tǒng)單箱多室直立內(nèi)腹板截面中在拉索錨固處設(shè)置的橫隔板，簡化主梁構(gòu)造同時大大減輕主梁自重，進一步減少拉索和下部結(jié)構(gòu)的數(shù)量，經(jīng)濟效益更優(yōu)。

以本橋為例，采用W形腹板箱梁截面與傳統(tǒng)單箱多室直立內(nèi)腹板截面相比，箱梁混凝土方量每延米節(jié)省約17%，每延米減重約20t。普通鋼筋量每方節(jié)省約22%。

本橋W形主梁截面頂板寬39.7 m，底板寬18 m，中心處箱梁高3.5 m。箱梁頂面橫向設(shè)置雙向2%橫坡。標(biāo)準(zhǔn)段頂板厚30 cm，底板厚35 cm，外側(cè)斜腹板厚40 cm，內(nèi)側(cè)斜腹板厚30 cm。由于頂板箱室跨度較大，達到了10.5 m，為解決頂板橫向受力，沿縱向平均間距大約250 cm左右設(shè)置1道加強豎肋，肋板厚35 cm，高50 cm。橫肋內(nèi)配置19-φ15.24 mm鋼絞線，以增強頂板橫向抗彎能力。鋼絞線在外斜腹板面張拉，施工中應(yīng)注意在斜腹板外模上預(yù)留張拉槽[14]。

2.4 超寬跨中合龍段外鋼模設(shè)計

本橋跨越京廣鐵路保定南站，為降低對橋下鐵路運營的影響，轉(zhuǎn)體后合龍段采用跨中合龍段鋼模設(shè)計。

外鋼模分為預(yù)埋段和吊裝段，鋼板厚度均為16 mm，背面設(shè)置肋板和剪力釘加強與混凝土的連接。預(yù)埋段在轉(zhuǎn)體前預(yù)埋在跨中合龍段兩側(cè)的混凝土主梁內(nèi)，沿翼緣底、外腹板底、底板底鋪設(shè)，預(yù)埋段鋼模縱向外伸混凝土梁端面50 cm。合龍段外鋼模布置斷面如圖7所示。

圖7 合龍段外鋼模布置斷面

轉(zhuǎn)體后合龍時，將吊裝段鋼模從梁上下放搭預(yù)埋段外伸50 cm寬的鋼板上，將吊裝段與預(yù)埋段鋼模焊接后，在合龍鋼模內(nèi)進行合龍段鋼筋、混凝土澆筑等后續(xù)施工，不涉及鄰鐵路作業(yè)，保證了橋下鐵路運營安全。合龍段外鋼模安裝示意見圖8。

圖8 合龍段外鋼模安裝示意

本橋由于寬度達39.7 m，為便于施工操作，吊裝段鋼模橫向分為4塊，最長一塊11.65 m，質(zhì)量5.44 t。為減小后期在鐵路站場上方養(yǎng)護作業(yè)，外鋼模材質(zhì)采用免養(yǎng)護的Q355NHC耐候鋼，為進一步增強其防腐性能，同時考慮與混凝土梁顏色接近，對耐候鋼進行了涂裝。

2.5 主塔結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力筋設(shè)計

本橋為單索面斜拉橋，主塔布置在橫截面中間，設(shè)計中考慮線路線形，盡量減小橋?qū)捲黾樱杆捉孛娉叽鐬?2 m×3.3 m，為實現(xiàn)火炬造型，從塔底向上，縱橋向前后各沿8°角向上加寬，橫橋尺寸不變，縱橫向尺寸相差較大[15-16]。在中塔柱斜拉索錨固區(qū)，長邊混凝土厚度僅45 cm厚，其斷面形式見圖9。

圖9 母塔中塔柱截面(單位：cm)

預(yù)應(yīng)力布置上，橋塔寬度尺寸很窄，不宜布置常規(guī)的U形環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋[17]，因此在設(shè)計中采用井字形預(yù)應(yīng)力筋布置方式，見圖10。截面上縱橋向采用2根19-φ5 mm鋼絞線，豎向平均間距60 cm，橫橋向采用4根12-7φ5 mm鋼絞線，豎向平均間距90 cm。

圖10 母塔中塔柱預(yù)應(yīng)力布置(單位：cm)

為減小短束的錨具回縮損失，設(shè)計中采用低回縮錨具，單端交替張拉，低回縮錨具的錨具回縮量取2 mm。相比于傳統(tǒng)常規(guī)錨具，低回縮錨具采用了低回縮錨板和承壓螺母。施工中需進行二次張拉。施工時，首先按常規(guī)的張拉方式進行第一次張拉，二次張拉時，裝上帶有撐腳的張拉千斤頂和工具錨，重新張拉至控制應(yīng)力，旋緊螺母至墊板端面，旋緊后即放張錨固，螺母端面受力，完成補張拉。二次張拉與第一次張拉時間間隔越長，效果越好，但也不宜過長，宜控制在48 h內(nèi)進行。

2.6 轉(zhuǎn)體兩側(cè)不平衡重的處理

為避免對轉(zhuǎn)體過程中邊跨一側(cè)一幢3層小樓的拆遷，本橋母塔轉(zhuǎn)體兩側(cè)采用不等懸臂轉(zhuǎn)體長度(128.6+135) m，設(shè)計中采用將邊跨主梁的斜腹板、底板進行加厚設(shè)計，以此來平衡轉(zhuǎn)體中兩側(cè)的不平衡彎矩[18-19]。

子塔轉(zhuǎn)體兩側(cè)懸臂長度相同，均為102 m，但由于母塔處墩塔梁固結(jié)，子塔處墩與塔梁間為支座連接，跨中合龍后，由于索力、預(yù)應(yīng)力筋作用，主梁在長期收縮徐變下，子塔會逐漸向母塔移動。因此在轉(zhuǎn)體前現(xiàn)澆子塔和主梁時，將子塔和主梁向邊跨側(cè)設(shè)置了13 cm的偏心，為了平衡轉(zhuǎn)鉸處彎矩，將子塔墩底的轉(zhuǎn)鉸中心向邊跨移動了10 cm[20]。

3 結(jié)語

樂凱大街跨保定南站主橋工程中采用諸如球面平鉸及分塊拼接技術(shù)等一系列創(chuàng)新設(shè)計，解決了轉(zhuǎn)體斜拉橋向超大噸位、超寬方向發(fā)展的技術(shù)難題，對今后此類工程的發(fā)展具有積極的參考價值。

本橋已于2019年7月30日凌晨成功轉(zhuǎn)體，精準(zhǔn)對接，創(chuàng)造了轉(zhuǎn)體長度、轉(zhuǎn)體質(zhì)量新的世界紀(jì)錄。建成后的樂凱大街保定南站主橋?qū)⒊蔀楸６ㄊ幸惶幮碌貥?biāo)性建筑，在助力保定融入京津冀一體化、連通雄安新區(qū)中發(fā)揮重要作用。