上跨運營高鐵上加勁連續(xù)鋼桁梁設(shè)計

薛曉博

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600)

隨著交通運輸建設(shè)規(guī)模日益擴大，線路的立體交叉越來越頻繁，上跨運營高速鐵路的橋梁也日益增多。梅汕高鐵上跨廈深高鐵采用64 m簡支鋼桁梁，頂推法施工；西成客專上跨西寶高鐵采用132 m簡支鋼桁梁，頂推法施工[1]；鄭徐客專采用(31.85+4×32.7+31.85)m預應(yīng)力混凝土連續(xù)梁上跨高鐵，支架法施工[2]；商合杭高鐵上跨徐蘭高鐵采用(80+80)m T構(gòu)，墩頂轉(zhuǎn)體施工[3]；滬杭客專跨滬杭高速主橋采用(88+160+88)m上承式拱橋，轉(zhuǎn)體施工[4]；滬昆客專長沙樞紐聯(lián)絡(luò)線上跨武廣高鐵采用(32+80+112)m槽型梁獨塔斜拉橋，轉(zhuǎn)體法施工[5]。

以上案例分別采用簡支梁、連續(xù)梁、T構(gòu)、拱橋、斜拉橋上跨高速鐵路，多采用轉(zhuǎn)體法、頂推法施工，具有搭設(shè)支架條件的也可采用支架施工。橋梁設(shè)計時需要結(jié)合工程實際情況對橋型、施工方法、新建道路對既有鐵路安全運營的影響、工程投資等多方面進行綜合考慮，選擇對高鐵影響程度最小的橋式和施工方法。

廊坊市光明道項目主橋選用(118+268+118)m上加勁連續(xù)鋼桁梁上跨京滬高鐵和京滬鐵路，轉(zhuǎn)體施工，為我國首次采用上加勁連續(xù)鋼桁梁上跨運營高鐵。

1 工程概況

京滬高鐵和京滬鐵路在廊坊市區(qū)為路基段，以西北-東南走向貫穿廊坊市中心，將整個廊坊市區(qū)一分為二。光明道為廊坊市城區(qū)東西向中軸線主要道路，被京滬高鐵和京滬鐵路分割為光明西道和光明東道兩部分。分隔光明道位置鐵路線路為11條運營股道，其中京滬高鐵4股道、京滬鐵路6股道、專用線1股道。

新建項目為城市主干路，設(shè)計時速為50 km/h。設(shè)計范圍為鐵路兩側(cè)共2 km，起終點順接原光明東西道。由于鐵路股道多、新建道路與鐵路斜交，在不影響既有鐵路運營的前提下，下穿方案埋深過大，施工難度大、工程投資高，因此采用上跨方案。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 跨度及橋式選取

新建橋位處鐵路股道多、線間距小，線間無設(shè)置橋墩的條件，考慮主墩與鐵路的安全距離，并結(jié)合施工運營全過程對鐵路變形的影響分析結(jié)果，主橋主跨確定為268 m。

對拱橋、斜拉橋、懸索橋、連續(xù)鋼桁梁橋進行比選：懸索橋跨越能力強，但本項目跨越高鐵主梁無法垂直吊裝，懸索橋不宜選為設(shè)計橋型[6]；斜拉橋具有跨越條件，斜拉橋的索結(jié)構(gòu)存在拉索的養(yǎng)護和更換的問題，會對高鐵運營產(chǎn)生一定的影響；主橋西側(cè)的銀河大橋為拱橋，考慮景觀效果，新建橋宜選用其他橋型；連續(xù)鋼桁梁橋具有強度高、自重輕、抗震性能好、環(huán)保、施工周期短等優(yōu)點[7]，綜合考慮主橋跨度、鐵路運營及景觀效果，連續(xù)鋼桁梁橋選為最終方案。主橋結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 主橋立面(單位：m)

2.2 主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

廊坊市光明道連續(xù)鋼桁梁為兩片主桁形式，選用N型桁，對于加勁弦腹桿和平弦腹桿方向，選用長桿件受拉、短桿件受壓的K型腹桿布置。

主桁平弦高度為12 m，加勁弦高度為30 m。主桁桿件為下弦、上弦、加勁弦及腹桿，其中上加勁輪廓采用圓曲線線型，節(jié)點長度有11.2 m、12.0 m、12.2 m三種。主桁下弦為箱型桿件，內(nèi)高為1 200 mm，內(nèi)寬為1 000 mm；上弦為箱型桿件，內(nèi)高為800 mm，內(nèi)寬為1 000 mm；加勁弦為箱型桿件，內(nèi)高為1 600 mm，內(nèi)寬為1 000 mm；腹桿為箱型桿件或工型桿件。主結(jié)構(gòu)中加勁弦、中支點兩側(cè)下弦、中支點豎腹桿采用Q420qE鋼材，其余采用Q345qE鋼材。

2.3 橋面形式及橋面鋪裝

橋面設(shè)計時考慮機動車道位于主桁之間，主桁外側(cè)設(shè)置挑臂，作為人行道及檢修通道，主橋橫斷面見圖2。與機動車道、非機動車道均位于主桁之間的方案相比，該方案主桁寬度較小，減小用鋼量。

圖2 主橋橫斷面(單位：m)

主桁間距為24.2 m，單側(cè)挑臂寬度5.0 m，橋面總寬34.2 m。每節(jié)間設(shè)置4道魚腹式橫梁，橫梁高度為1 200～1 800 mm；鋼橋面板下橫橋向車行道范圍內(nèi)設(shè)置U形縱肋，板厚8 mm、高280 mm、橫向間距600 mm；人行道下設(shè)置板肋。

由于正交異性鋼橋面板具有重量輕、承載能力大、整體性好等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于大跨徑鋼橋中。很多鋼橋運營不久就會出現(xiàn)兩類病害：第一類為鋼橋面鋼結(jié)構(gòu)疲勞開裂，面板與縱肋連接處、縱肋與橫隔板交叉處、鋼橋面板的縱肋及橫肋與面板三者交匯處的裂縫都是常見的橋面鋼結(jié)構(gòu)疲勞破壞形式；第二類是鋼橋面鋪裝病害，如橋面運營過程中鋪裝層與面板之間的粘結(jié)層失效而導致車轍、推移、擁包等[8-9]。

對四種橋面及鋪裝層形式進行比選：方案一，傳統(tǒng)16 mm鋼板+80 mm瀝青鋪裝；方案二，16 mm鋼板+45 mm UHPC+30 mm SMA10；方案三，14 mm鋼板+45 mm UHPC+30 mm SMA10；方案四，14 mm鋼板+50 mm UHPC+30 mm SMA10。圖3、圖4為疲勞應(yīng)力計算點。

圖3 加勁肋與面板連接構(gòu)造 圖4 加勁肋與橫隔板連接構(gòu)造

方案一應(yīng)力計算點6和應(yīng)力計算點9的最大應(yīng)力幅分別為78.0 MPa、74.4 MPa，大于500萬次常幅疲勞極限66 MPa，具有較大的疲勞開裂風險。由于橋面剛度的不平順引起應(yīng)力集中效應(yīng)明顯，鋪裝層拉應(yīng)力較大，也具有較大的開裂風險。

方案二～方案四各計算應(yīng)力點應(yīng)力幅基本低于1 000萬次常幅疲勞極限，滿足無限疲勞壽命的要求。方案四在解決鋼橋面疲勞開裂和鋪裝層損壞的問題同時，較方案三持有較高的安全富裕度，較方案二綜合成本更低，方案四選為最終方案。

2.4 下部結(jié)構(gòu)及基坑防護

主墩采用倒梯形空體墩，墩身順橋向6.0 m，橫橋向頂寬29.6 m，底寬14.0 m，承臺分為3.0 m上承臺和5.0 m下承臺，基礎(chǔ)采用20根直徑為1.8 m的鉆孔灌注樁。

主墩距高鐵較近，主墩邊緣距京滬高鐵路基坡腳最小距離為6.3 m，主墩基坑采用防護樁+止水帷幕+旋噴樁封底的防護措施，確保全封閉止水，避免主墩及基礎(chǔ)施工過程中對高鐵運營產(chǎn)生影響[10]。主墩基坑防護詳見圖5。

圖5 主墩基坑防護

主墩處采取將上承臺抬高至地面以上的措施，可以減輕主墩豎向荷載，進而減小對高鐵路基變形的影響。

3 合龍施工設(shè)計

3.1 施工方案

主橋上跨鐵路線路較多，線間無法設(shè)置臨時墩，沒有支架施工和頂推施工的條件。若采用懸拼施工，鋼梁拼裝時均位于鐵路上方，涉鐵施工時間長、風險大，不推薦。為了盡量少的影響鐵路的正常運營，選擇在鐵路兩側(cè)順鐵路線路方向拼設(shè)鋼梁、雙向轉(zhuǎn)體對接合龍成橋的施工方法。

本橋高鐵側(cè)鋼梁向遠離高鐵側(cè)預偏15 m進行拼梁，達到鄰近營業(yè)線C類施工，拼梁時可連續(xù)作業(yè)，鋼梁下方設(shè)4處橫移滑道梁，拼梁完成后借助橫移滑道梁將鋼梁橫移至設(shè)計轉(zhuǎn)體位置。普鐵側(cè)鋼梁向邊跨側(cè)預偏30 cm進行拼梁，達到轉(zhuǎn)體時兩側(cè)鋼梁不沖突且主桁不設(shè)合龍段的目的。主墩承臺設(shè)置轉(zhuǎn)體支座，邊跨距主墩61 m處設(shè)轉(zhuǎn)體輔助支腿和轉(zhuǎn)體輔助滑道，在邊跨進行壓重，形成轉(zhuǎn)體支座+轉(zhuǎn)體輔助滑道的簡支轉(zhuǎn)體體系。高鐵側(cè)轉(zhuǎn)體重量為15 000 t、轉(zhuǎn)體角度為33.4°，普鐵側(cè)轉(zhuǎn)體重量為14 500 t、轉(zhuǎn)體角度為29°。轉(zhuǎn)體到位后普鐵側(cè)鋼梁頂推30 cm，進行合龍。合龍前可通過轉(zhuǎn)體輔助支腿的頂升或下沉調(diào)整鋼梁線型，使兩側(cè)懸臂端高度一致，實現(xiàn)合龍。轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖6。

圖6 轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2 合龍段防護小車設(shè)置

由于合龍位置位于鐵路上方，轉(zhuǎn)體前，將合龍防護小車安裝于普鐵側(cè)鋼梁跨中懸臂端內(nèi)側(cè)并進行限位，隨梁體一同轉(zhuǎn)體到位后利用梁底小車軌道滑移至合龍段位置，在合龍段下方及兩側(cè)形成半封閉防護，同時為主橋合龍?zhí)峁┕ぷ髌脚_[11]。合龍完成后將合龍防護小車從普鐵側(cè)退出至主墩處拆除。防護小車設(shè)置見圖7。

圖7 合龍段防護小車結(jié)構(gòu)

3.3 BIM可視化設(shè)計與碰撞檢驗

為了減少合龍工作量，主桁不設(shè)合龍段，為避免鋼梁轉(zhuǎn)體碰撞，普鐵側(cè)鋼梁向邊跨預偏30 cm，且兩側(cè)鋼梁轉(zhuǎn)體設(shè)置10°的時間差。橋梁轉(zhuǎn)體及合龍過程中，兩側(cè)鋼梁的懸臂端空間相對位置不斷變化，兩側(cè)鋼梁懸臂端之間豎直方向和水平方向均需留有安全距離，確保轉(zhuǎn)體過程中鋼梁不碰撞是重中之重。BIM技術(shù)是以全橋三維建模為基礎(chǔ)的技術(shù)，可以發(fā)現(xiàn)碰撞、相離等問題[12]。采用BIM技術(shù)，對鋼桁梁轉(zhuǎn)體、合龍施工進行4D時空模擬，得到任意時刻兩側(cè)懸臂端空間相對位置關(guān)系，確認無碰撞問題，動態(tài)可視化地論證指導性施工方案可行。BIM檢測流程見圖8。

圖8 BIM 4D碰撞檢測方案

4 有限元分析計算

4.1 主橋應(yīng)力及變形檢算

采用空間有限元分析軟件建立空間模型對主橋大懸臂工況和成橋工況進行受力分析。

大懸臂階段，主橋桿件最大應(yīng)力為180 MPa。運營階段，按《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》進行驗算，桿件強度驗算系數(shù)均滿足要求；按《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》進行驗算，桿件最大正應(yīng)力為228 MPa，壓桿穩(wěn)定應(yīng)力為-220 MPa，均小于容許應(yīng)力240 MPa。主桁桿件最大疲勞應(yīng)力幅為44.2 MPa，小于疲勞應(yīng)力幅限值49.1 MPa。

主橋活載作用下，邊跨最大位移為32.8 mm、撓跨比為1/3 597，中跨最大位移為127 mm，撓跨比為1/2 078，均小于容許值1/500。

最大懸臂狀態(tài)一階屈曲穩(wěn)定系數(shù)為11.2，運營狀態(tài)一階屈曲穩(wěn)定系數(shù)為10.6，均大于限值4，滿足要求。

4.2 鐵路路基變形的影響分析

將《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》(鐵運[2012]83號)要求的250(不含)～350 km/h線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值作為控制標準，高低和軌向偏差為10 m及以下弦測量的最大矢度值不大于2 mm。

京滬高鐵四道距主墩最近，計算各工況京滬高鐵四道的路基變形量，所建模型見圖9，計算結(jié)果見表1。京滬高鐵四道10 m弦長水平差異變形和豎向差異變形最大分別為0.204 mm、0.310 mm，均小于2 mm，滿足規(guī)范要求。

圖9 施工及運營階段路基變形分析有限元模型

表1 施工過程京滬高鐵四道路基變形分析

5 結(jié)束語

結(jié)合廊坊市區(qū)實際情況、鐵路運營要求，光明道主橋首次采用上加勁連續(xù)鋼桁梁上跨運營京滬高鐵，結(jié)構(gòu)強度、剛度均滿足規(guī)范要求，施工及運營階段高鐵路基的變形量在規(guī)范要求限值以內(nèi)。

(1)正交異性鋼橋面與超高性能混凝土組合橋面體系，大幅度提高橋面剛度，對施工環(huán)境要求不高，全壽命經(jīng)濟性好。

(2)主橋采用橫移、轉(zhuǎn)體、縱移、合龍的施工方案，安全可行；轉(zhuǎn)體輔助支腿的頂升和下沉可以為鋼梁懸臂端高程的調(diào)整提供便利。

(3)合龍段位于鐵路上方，封閉的合龍段防護小車可以為鐵路提供防護，同時為鐵路上方的施工提供操作平臺。

(4)運用BIM技術(shù)對鋼桁梁轉(zhuǎn)體、合龍施工進行模擬，通過建造可視化模型，確認鋼梁轉(zhuǎn)體過程中無碰撞問題，保證順利合龍。

(5)主墩采用防護樁+止水帷幕+旋噴樁封底的防護措施，確保全封閉止水，避免主墩及基礎(chǔ)施工影響高鐵的運營。