上跨鐵路下承式鋼系桿拱橋設計與施工

王法武

(中鐵上海設計院集團有限公司,上海 200070)

引言

隨著城市交通的不斷發展，城市道路高架橋從鐵路車站范圍上跨的現象日漸增多。為減小對鐵路運輸安全的影響，一般采用轉體法施工或頂推法施工[1-7]。當橋面設計高程受限時，需采用低高度大跨度橋梁結構形式。下承式鋼系桿拱橋具有建筑高度低、結構性能優異、跨越能力強、施工速度快等優點，具有較好的適用性[8-10]。上海市北橫通道新建二期工程Ⅱ標上跨上海火車站機務段咽喉區和軌道交通3、4號線，經過方案比選，最終采用76 m下承式鋼系桿拱橋。該橋結構具有以下主要特點和難點：結構采用單片拱肋，橋面車道布置左右不對稱、荷載偏心大，吊桿采用銷鉸式錨板構造，老橋人行道切割，新老橋之間采用彈性混凝土連接[11-12]，上跨繁忙鐵路車站范圍單跨拱梁整體頂推施工技術等。本文重點介紹該橋的結構設計、頂推施工方案[13-19]，并對運營階段整體受力、局部受力及頂推施工階段受力進行計算分析[20-22]，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 既有橋概況

跨鐵路既有橋梁為(30+47+30) m預應力混凝土連續梁。橫向由四幅橋組成，其中主線2幅，上下匝道橋各1幅。與本工程相關的既有匝道橋寬15 m，與新建橋相鄰側的懸臂板長5.55 m，其中3 m為人行道。由于3 m人行道無法滿足通行機動車荷載要求，需切割人行道。

1.2 新建橋概況

在既有匝道橋的東側新建輔道和匝道，輔道和匝道一起跨越上海火車站機務段咽喉區11條股道和軌道交通3、4號線。鐵路和軌道交通間無設墩的條件，需一跨跨越，橋梁跨度需76 m。

新建橋面高程受既有橋面高程限制，高程不能抬高，而橋下又受鐵路和軌道交通及交通路凈高的限制。如采用常規連續鋼箱梁，梁高需3 m，凈空無法滿足跨鐵路和軌道交通要求。經過方案比選，最終采用76 m下承式鋼系桿拱方案，主梁梁高2.2 m。

本工程由于周邊環境和場地限制，無法采用轉體施工方案，因此采用頂推法施工。

2 主要設計標準

(1)汽車荷載：汽車荷載按照1.3倍的城-A級荷載設計。

(2)跨鐵路橋下凈空：滿足電氣化鐵路建筑限界>6.55 m要求。

(3)橋梁設計安全等級：一級，結構重要性系數γ0=1.1。

(4)橋梁設計基準期：100年。

(5)抗震設防標準：橋梁抗震設防烈度為7度，水平向設計基本地震動加速度峰值為0.10g，橋梁抗震設防類別為乙類。

(6)防撞護欄防撞等級：SS級。

3 結構設計

3.1 總體設計

本工程跨鐵路和軌道交通3、4號線采用1-76 m下承式鋼結構系桿拱橋，計算跨徑為73.8 m，道路中心線與鐵路中心線夾角75°，橋梁位于2.17%的下坡。

輔道和匝道跨越鐵路和軌道交通采用整幅橋形式。匝道寬8.5 m，兩車道；輔道受機務段油庫安全距離的影響，橋寬壓縮至6.25 m，滿足單車道加緊急停車帶的要求。橋面布置采用8.5 m(匝道兩車道)+2 m(拱肋)+6.25 m(輔道一車道和緊急停車帶)=16.75 m。在匝道和輔道間設置單片拱肋，寬2 m。主梁和拱肋均采用鋼箱結構。

主橋總體布置如圖1所示，箱梁橫斷面如圖2所示。

圖1 主橋總體布置(單位：mm)

圖2 主梁橫斷面(單位：mm)

3.2 主梁設計

市政橋梁中鋼系桿拱橋的主梁常采用主縱梁、端橫梁、中橫梁、小縱梁等組成鋼梁格體系。本橋由于橋面車道布置左右不對稱及拱肋采用單片拱肋，為提高結構整體抗扭剛度和抗傾覆能力，鋼主梁采用單箱三室截面。鋼主梁為系桿拱橋的剛性系桿，作為主受力結構，承受拱肋的水平推力，同時作為橋面系的加勁梁。

鋼箱梁高2.2 m，寬16.75 m，頂板厚14 mm，底板厚20 mm，拱腳處頂板加厚至20 mm，底板加厚至28 mm。頂板和底板加勁肋采用U形肋，腹板采用板式肋。設4道腹板，兩邊腹板采用斜腹板，中間腹板采用直腹板，每道腹板厚20 mm，拱腳加厚至30 mm。橫隔板間距3.0 m。主體鋼結構采用Q345qD。

3.3 拱肋

新建橋梁位于既有高架橋和機務段油庫之間，由于橋寬受限，拱肋采用單片拱肋形式，布置在鋼箱梁中間。拱軸線采用二次拋物線，矢高14.76 m，矢跨比1/5。

拱肋采用鋼箱截面，高2.0 m，寬2.0 m，頂板厚25 mm，底板厚25 mm，腹板厚25 mm。在拱腳處拱肋頂板厚30 mm，底板厚30 mm，腹板厚30 mm。內壁設12條縱向加勁肋。每隔1 m設置1道橫隔板。

3.4 吊桿

全橋共設11根吊桿，吊桿間距6 m。吊桿采用GJ15-19鋼絞線整束擠壓式吊桿體系，采用HDPE護套索體，上下端均為穿銷鉸式錨板構造，張拉端位于主梁頂面，方便吊桿錨頭的檢查、養護與更換。

3.5 新老橋之間的連接

跨鐵路老橋為(30+47+30) m預應力混凝土連續梁。由于新老橋的跨徑布置、結構形式均不同，新橋與老橋上、下部結構完全獨立，橋面板之間留5 cm結構縫。鋼橋橋面鋪裝采用9 cm厚C50鋼纖維混凝土鋪裝層+3 mm厚聚合物改性瀝青防水層+4 cm厚SMA瀝青混凝土。考慮行車舒適性和便于養護維修，新橋與老橋橋面鋪裝通過彈性混凝土連接為整體。彈性混凝土具有良好的防裂性、韌性和耐磨性，利用自身的高韌性來適應新老橋之間的變形。彈性混凝土拼縫處尺寸為60 cm×13 cm，拼縫具體方案是：在5 cm結構縫上鋪設6 mm厚、寬20 cm的鍍鋅鋼板，鍍鋅鋼板在老橋一側采用橫向鋼筋限位，在鋼橋一側采用焊釘限位，每塊鋼板長2 m，采用點焊使相鄰兩塊鋼板連接，避免存在空隙；鋪裝層界面處涂刷環氧粘結劑；灌注彈性混凝土。

3.6 跨鐵路鋼梁檢修

本橋上跨電氣化鐵路和軌道交通，由于橋下凈空受限，無法在梁底安裝檢查小車進行檢查。日常檢查可在主墩附近用望遠鏡對鋼梁進行檢查。拱肋、吊桿的檢查在橋面上，對鐵路和軌道交通影響較小。鋼梁涂裝采用長效涂裝體系，設計防腐年限15～20年。鋼梁涂裝更換在鐵路和軌道交通天窗期間進行。

4 運營階段結構整體受力分析

運營階段結構整體計算采用Midas Civil 2017軟件，拱肋、鋼箱梁采用梁單元，吊桿采用桁架單元。根據Midas軟件的計算約定，正應力以正值表示拉應力，負值表示壓應力。

4.1 支座反力

各單項荷載及標準組合作用下豎向支反力計算結果如表1所示。

表1 豎向支反力匯總

標準組合下最大支反力為7 849 kN，支座選用JZQZ8000型摩擦擺減振支座，承載力滿足要求。支座平面布置見圖3。

圖3 支座平面布置(單位：mm)

4.2 橫向整體傾覆

由于橋梁左右不對稱，荷載偏心較大，鋼結構自重較輕，而近年超載現象時有發生，有必要對結構作橫向整體傾覆穩定驗算。

橫向整體傾覆穩定驗算時，左側布置兩列車道荷載，考慮風荷載作用，自重和二期恒載產生的穩定彎矩為67 734 kN·m(順時針)，汽車荷載和風荷載產生的傾覆彎矩為6 548 kN·m(逆時針)。

橫向整體抗傾覆穩定系數為67 734/6 548=10.34>2.5，滿足規范要求。

4.3 結構剛度

成橋狀態主梁最大豎向位移為2.91 mm(向上)，-2.89 mm(向下)。

汽車荷載作用下主梁最大負撓度為-18.09 mm，最大正撓度為0.90 mm，正、負撓度絕對值之和為18.99 mm，撓跨比18.99/73 800=1/3 886<1/500，結構剛度滿足要求。

4.4 鋼主梁應力

(1)第一體系應力

第一體系采用基于平截面假定的空間梁單元整體模型。

基本組合下主梁上翼緣最大拉應力為50 MPa，最大壓應力為52 MPa，下翼緣最大拉應力為62 MPa，均小于270 MPa，滿足要求。

(2)橋面板第二體系應力

建立以橋面系為承力載體的第二體系受力模型。縱肋支承在主梁腹板、橫隔板上。考慮自重、鋪裝、汽車活載(考慮1.3的系數)等作用。

縱向U肋簡化為T肋，橫梁上下翼緣取24倍的板厚為有效寬度。根據圣維南原理，建立3個橫梁間距的橋面系模型。計算結果取中間段。

基本作用組合下，恒載組合系數為1.2，活載組合系數為1.8，考慮1.1的重要性系數。

基本組合作用下，第二體系橋面板最大拉應力為96 MPa，最大壓應力為125 MPa。

第一、第二體系疊加后橋面板最大拉應力為146 MPa，最大壓應力為180 MPa，均小于270 MPa，滿足要求。

4.5 拱肋應力

基本組合下拱肋最大壓力-20 503 kN，最大負彎矩-23 494 kN·m，均位于拱腳處。基本組合拱肋應力如圖4所示。

圖4 基本組合拱肋應力(單位：MPa)

根據《公路鋼結構橋梁設計規范》第5.1.7條計算，拱肋截面局部穩定折減系數為0.976。

拱肋最大壓應力為184 MPa，最大拉應力87 MPa，均小于270×0.976=264 MPa，滿足規范要求。

4.6 吊桿應力

鋼梁頂推就位后張拉吊桿，根據成橋狀態主梁撓度基本為0的原則張拉吊桿，吊桿初張力為714～1 151 kN。標準組合下吊桿索力為1 544～1 648 kN。

本橋吊桿采用GJ15-19型號，公稱破斷力為4 947 kN，吊桿安全系數為：4 947/1 648≈3.0。

4.7 整體穩定

按照引起主拱肋軸向壓力最大工況進行穩定計算，考慮的作用包括恒載、活荷載(使拱肋產生最大軸力的加載布置)、風荷載。屈曲分析得到的模型臨界荷載系數如表2所示。

主橋在恒載、活載和風荷載作用下，整體失穩模態以主拱的側向失穩為主，最小穩定系數為25.26，大于規范要求的穩定系數4，滿足設計要求。

表2 臨界荷載系數

4.8 鋼結構疲勞驗算

根據JTG D64—2015《公路鋼結構橋梁設計規范》第5.5.2條，采用疲勞荷載模型I等效的車道荷載對鋼主梁、吊桿進行疲勞驗算。

(1)鋼主梁

主梁上翼緣最大應力幅為13 MPa，下翼緣最大應力幅為16 MPa。端橫梁上翼緣最大應力幅為31 MPa，下翼緣最大應力幅為31 MPa。

箱梁腹板與頂底板處焊縫在頂底板拼接處為帶過焊孔的間斷焊縫，根據《公路鋼結構橋梁設計規范》附錄C表C.0.2，疲勞細節類別為70 MPa。經計算疲勞強度為51.6 MPa，允許應力幅為38.2 MPa。

根據應力幅分析可知，主梁及端橫梁疲勞應力幅均小于38.2 MPa，滿足要求。

(2)吊桿

吊桿在疲勞荷載計算模型Ⅰ下，吊桿應力幅ΔσP=78 MPa。根據《公路鋼結構橋梁設計規范》第13.2.2節，平行鋼絲束的ΔσD=137 MPa，ΔσP=78 MPa<ΔσD=137 MPa，滿足規范要求。

5 運營階段局部受力分析

鋼箱拱及鋼箱梁在正常使用階段結構局部受力計算主要內容如下。

(1)鋼箱拱及鋼箱梁加勁肋計算(頂板、腹板、底板加勁肋，支座加勁肋等)。

(2)挑臂強度、變形的驗算。

(3)拱腳局部受力分析。

(4)吊桿錨固區局部受力分析。

本文僅對拱腳局部受力分析和吊桿錨固區局部受力分析作介紹。

5.1 拱腳局部應力

采用Midas軟件建立桿系板殼空間有限元混合模型。拱腳局部模型采用板單元，其他鋼結構部分采用梁單元，吊桿采用桁架單元。拱腳板殼模型與桿系模型在接觸位置建立剛域連接。拱腳局部板殼中未考慮板肋的加勁肋作用。拱腳局部Mises應力云圖如圖5所示。

圖5 拱腳Mises應力云圖(單位：MPa)

基本組合下，拱腳Mises應力最大為288 MPa，主要集中在拱肋導圓弧地方。拱腳大部分板件的Mises應力在210 MPa以下，小于270 MPa，滿足規范要求。

5.2 吊桿錨固區分析

運用Midas有限元軟件分別建立橋面板和拱肋處吊桿耳板有限元模型，考慮最不利情況吊桿受力，按承載能力極限狀態基本組合最大吊桿力N=2 300 kN加載，計算結果見圖6、圖7。

圖6 橋面處吊桿錨固區最大拉應力云圖(單位：MPa)

圖7 拱肋處吊桿錨固區最大拉應力云圖(單位：MPa)

由圖6和圖7可知：吊桿錨固區域橋面處最大拉應力為140.4 MPa，拱肋處最大拉應力為202.7 MPa。兩處應力值均小于270 MPa，滿足規范要求。

6 頂推施工方案和計算分析

6.1 頂推施工方案

橋梁常用頂推方式有單點拖拉式和多點步履式。與拖拉式相比，步履式具有對臨時墩產生水平力較小和安全可靠的優點，因此本橋采用步履式頂推施工。

由于需要在鐵路和軌道交通上方實施既有橋3 m人行道板切割，為減小既有橋切割對鐵路和軌道交通的安全影響，首先把不帶翼緣板的鋼拱橋頂推到橋位，然后在鋼梁腹板栓接操作平臺的橫梁，焊接操作平臺，切割既有橋人行道，最后安裝鋼梁翼緣板。

鋼拱橋頂推需在施工場地內搭設2個拼裝支架和7個頂推支墩，布置見圖8。在頂推支墩1～5和FB07、FB08墩旁支墩上對應主梁腹板位置布置頂推設備，每個支墩上布置4個頂推設備。為減少頂推跨度，經過與鐵路部門溝通，臨時停運鐵路一股道，在鐵路和軌道交通之間搭設5號頂推支墩。最大頂推跨度51.5 m，頂推重力約12 000 kN。

圖8 頂推支架和臨時墩布置(單位：mm)

在頂推施工中，通過設置導梁可以減少施工過程中的結構內力和變形。本橋鋼導梁由鋼板加工成“工”形，兩“工”形截面中心間距2 m，通過橫向桁架連接。導梁全長35 m，分2節，第1節長17 m，第2節長18 m。導梁高度由2.2 m漸變至2.0 m。導梁與鋼拱橋、導梁節段之間采用高強螺栓連接。整套鋼導梁質量約65 t。

為保證在頂推過程中拱肋和主梁共同受力，在拱肋和主梁拼裝完成后，在拱肋與主梁之間設置臨時撐桿，臨時撐桿采用Φ=1 000 mm，t=25 mm的鋼管。

鋼梁頂推主要步驟如下。

(1)頂推支架、臨時墩、拼裝支架等施工。

(2)拼裝鋼梁、鋼拱、導梁、臨時撐桿。

(3)前端懸挑50 m試驗。

(4)試頂推3 m。

(5)第1次頂推26.4 m。

(6)第2次連續頂推17.9 m，導梁到達臨時墩。

(7)第3次連續頂推23.4 m，導梁到達FB08墩。

(8)第4次連續頂推10.2 m，鋼梁前端到達臨時墩。

(9)第5次連續頂推6 m，拆除第一節導梁。

(10)第6次連續頂推16.9 m，鋼梁前端到達FB08墩，完成頂推。

(11)拆除輔助設備，完成落架。

(12)拆除支架和拱肋臨時撐桿，張拉吊桿。

(13)鋪裝、欄桿等二期施工。

6.2 頂推施工計算分析

(1)支反力

頂推過程各頂推支墩和臨時墩最大反力及對應工況見表3。鐵路和軌道交通之間的5號頂推支墩最大反力4 948 kN。

表3 施工全過程最大支反力及其對應工況匯總

(2)位移

頂推過程導梁前端最大撓度為213 mm，施工過程中撓度超過100 mm的基本出現在導梁處于懸臂狀態的時候。

(3)應力

施工過程主梁、拱肋、導梁最大應力在100 MPa以下；拱梁之間臨時撐管最大拉應力52 MPa，最大壓應力138 MPa。施工過程中結構應力滿足要求。

(4)腹板局部加強

頂推過程中頂推設備將支承力施加到鋼拱橋腹板上，相應的鋼梁腹板需設置頂推所需的局部加勁肋。本橋在主梁中腹板設置2種豎向加勁肋-12×180×2 160@750 mm和-16×250×600@250 mm，邊腹板設置兩種豎向加勁肋-12×180×1 980@750 mm和-16×600×610@250 mm。

7 結論

通過對上海市北橫通道工程上跨上海火車站機務段和軌道交通3、4號線76 m下承式鋼結構系桿拱橋設計與施工階段的計算分析，得到以下結論。

(1)本橋車道布置不對稱，主梁采用鋼箱梁提高了結構抗扭性能；由于拱肋加勁作用，較連續梁的結構高度明顯降低；采用單片拱肋，減小了結構寬度。在平面位置和凈空均受限時，這種橋梁結構形式是有效的解決方案。

(2)上跨鐵路橋梁，無法采用轉體施工或架設施工時，可采用頂推施工。本橋采用拱梁整體步履式頂推施工，減少了鐵路上方施工作業，對鐵路安全影響較小。

(3)本工程新建橋梁緊鄰既有上跨橋，并需對既有橋人行道切割，先將新建橋頂推到橋位，利用新建橋梁的腹板安裝操作平臺，然后切割老橋，可以降低切割過程中對鐵路的安全影響。

(4)新老橋由于跨徑布置、結構形式均不同，新橋與老橋上、下部結構完全獨立時，縱向拼接縫可采用彈性混凝土連接形式，彈性混凝土具有良好的防裂性、韌性和耐磨性，利用自身的高韌性來適應新老橋之間的變形。