北京中低速磁浮交通示范線(S1線)大懸臂鋼拱橋頂推施工研究

張亞麗 張 雷 李 鐳

(1.中國鐵路設計集團有限公司，300308，天津；2.中國中鐵六局集團有限公司，100036，北京∥第一作者，高級工程師)

1 北京S1線工程概況

北京市中低速磁浮交通示范線(S1線)西起門頭溝石廠站，東至石景山區蘋果園站，正線為雙線，全長10.21 km，主要支承結構為橋梁。S1線于2011年開工建設，2017通車運營，目前還剩余1站2區間在建。S1線為我國最早開始設計并開工建設的中低速磁浮運營線路，也是世界上繼日本丘陵線、韓國仁川機場線、長沙磁浮快線后，第4條運營的中低速磁浮線路。

中低速磁浮線路具有節能、環保、安全性高、噪聲小、轉彎半徑小、爬坡能力高等特性。中低速磁浮交通系統要求其承載結構剛度大、變形小，這決定了其承載結構的優先選擇是高架橋梁。中低速磁浮交通系統由懸浮系統、直線電機驅動系統、測速定位系統組成，在軌道梁上設軌排、F軌、接觸軌等，保證車輛平穩可靠懸浮、有效驅動與制動。F軌軌頂到梁頂1.4 m，伸縮節伸縮量為10～20 mm，最大組合伸縮量為40 mm。為保證軌排的標準化，要求橋梁跨度一般為6 m的整數倍，且最大溫度跨度受限。

S1線位于北京城區，地形復雜，節點大跨橋梁較多，因此創新采用“梁上梁”結構，即軌道梁上設置承軌梁；受模數布跨和伸縮節調節量的影響，標準跨度采用24 m和30 m，溫度鋼結構跨度最大采用84 m，混凝土結構跨度最大采用124 m。在既有的國內外中低速磁浮橋梁中，S1線的這些跨度均為最大的跨度。

S1線跨越地鐵6號線、阜石路高架，北臨大臺鐵路，南臨大型綜合商場，受復雜地形條件所限,只能采用大跨度鋼梁，頂推施工。橋梁設計方案為：采用6孔簡支鋼拱橋和鋼梁，孔跨布置為84 m+33 m+66 m+33 m+84 m+33 m(見圖1)；橋梁施工方案為：采用異地拼裝、兩兩焊接、步履式頂推施工方法。跨阜石路高架的84 m鋼拱橋頂推行程最長達365 m；頂推行程平面線路為圓曲線、緩和曲線平面線路，曲線半徑為1 500 m；立面線路坡度先為37‰后為-41‰，是先升后降大縱坡；跨阜石路高架的懸臂最大，前端達63 m，后端為48 m。由此可知，S1線的設計施工難度較大。

圖1 S1線橋跨布置示意圖

2 中低速磁浮84 m鋼拱橋設計方案

84 m鋼拱橋(見圖2)系梁屬鋼格構體系，橋面寬14.37 m，主拱中心距為12.93 m，拱肋矢高為11.15 m，矢跨比為1∶6.83。主縱梁、端橫梁采用鋼箱截面，梁高3.368 m，寬1 032 mm；4道小縱梁、中橫梁采用工字形截面，小縱梁高1 000 mm，中橫梁高1 800 mm；拱肋由直線、二次拋物線、反向3次曲線組成，采用等截面鋼箱拱，截面寬1 464 mm，高1 256 mm，不設橫撐；吊桿為剛性吊桿，采用工字鋼截面，高1 400 mm，寬400 mm，腹板上每隔2.1 m設一個1 200 mm×600 mm鏤空孔；主縱梁下部設X型平縱聯，采用工字形截面，高600 mm，寬400 mm；鋼筋混凝土橋面板寬8 030 mm，上澆筑Π型鋼筋混凝土承軌梁，承軌梁高1.4 m。

圖2 84 m鋼拱橋構造示意圖

84 m鋼拱橋主要受力構件采用Q345qE鋼板，除拱肋、主縱梁箱型截面縱向采用焊接外，其余采用高強螺栓連接。經驗算，該鋼拱橋的受力、變形、穩定性、動力性能均滿足中低速磁浮列車運營要求。

3 大懸臂頂推施工方案設計

84 m鋼拱橋頂推前進時，前端跨阜石路高架最大懸臂為63 m，后端跨阜石路輔路最大懸臂為48 m。為便于頂推施工，將84 m鋼拱橋和33 m鋼格構梁(33 m鋼格構梁形式同84 m鋼拱橋系梁)臨時焊接在一起，但仍不能滿足頂推施工要求，因此需考慮頂推輔助措施。提出了設前導梁、前導梁+索塔、前后導梁+索塔3種措施，并著重對第3種措施進行了計算。

3.1 采用“84 m鋼拱橋+33 m鋼格構梁+47 m前導梁”頂推

首先按最大懸臂63 m抗傾覆系數2.0考慮，設計前導梁長47 m。頂推至跨阜石路高架懸臂最大63 m時的最大正彎矩工況和最大懸臂狀態計算結果分別如3～4所示。

圖3 84 m鋼拱橋頂推施工時的最大正彎矩工況

圖4 84 m鋼拱橋頂推施工時的最大懸臂狀態(最大負彎矩)

此時橋梁的最大壓應力為205 MPa，最大拉應力為184 MPa，應力接近限值210 MPa；前導梁懸臂最大下撓為1 046.3 mm，影響下跨快速路行車，且上到橋墩較困難；后端84 m鋼拱橋撓度為62.5 mm，有可能對拱橋及剛性吊桿產生不可恢復影響。

3.2 采用“84 m鋼拱橋+33 m鋼格構梁+47 m前導梁+臨時索塔”頂推

為改善大懸臂不利狀況，擬增設臨時索塔(見圖5)，在距離84 m和33 m跨梁縫5 m的33 m鋼梁上，設置索塔，索塔高24 m，由鋼管桁架組成。

圖5 增設臨時索塔示意圖

導梁未上臨時墩、懸臂最大63 m時，前端最大下撓為201.9 mm。該頂推階段布置圖如圖6所示。此時導梁前端最大撓度如圖7所示。

圖6 導梁前端最大下撓頂推階段布置圖

圖7 導梁前端最大撓度圖

84 m鋼拱橋離開L12臨時墩、懸臂最大35 m時，主梁后端最大下撓為38.59 mm。該頂推階段布置圖如圖8所示。此時主梁后端最大撓度如圖9所示。

圖8 主梁后端最大下撓頂推階段布置圖

圖9 主梁后端最大撓度圖

頂推方案“84 m鋼拱橋+33 m鋼格構梁+47 m前導梁”增設臨時索塔前后的主要計算結果如1所示。

由表1可見，設置索塔方案，可以有效改善鋼梁受力和變形。但此處橋高25 m，索塔高24 m，頂推結構高近50 m，索塔穩定性差，對索塔根部主梁影響大，施工難度大，需進一步優化。

表1 頂推方案“84 m鋼拱橋+33 m鋼格構梁+47 m前導梁”增設臨時索塔前后計算結果

3.3 采用“20 m后導梁+84 m鋼拱橋+33 m鋼格構梁+32 m前導梁+索塔”頂推

通過設置前后導梁降低索塔高度。優化后的方案擬采用“20 m后導梁+84 m鋼拱橋+33 m鋼格構梁+32 m前導梁”為一組頂推單元，臨時索塔降至15 m高。臨時索塔與拉索布置圖如圖10所示。

圖10 臨時索塔與拉索布置圖

3.3.1 構造及計算模型

臨時索塔設于84 m拱橋小縱梁與小橫梁連接節點處，桁架塔柱采用4根φ800 mm(壁厚16 mm)圓鋼管,順橋向按間距5 m、橫橋向按間距7 m布設。拉索采用φ5 mm×91根成品拉索。索塔端采用冷鑄墩頭錨。前端吊耳設于導梁上，順向間距6 m,橫向間距12.93 m。尾端吊耳設于84 m簡支鋼箱拱梁小縱梁與小橫梁連接節點處，縱向間距10 m，橫向間距7 m。索塔及拉索布置圖見圖10。

計算模型如圖11所示。結構頂推采用Midas Civil計算，模擬87個頂推過程。前導梁側臨時拉索由外側向臨時索塔一側的臨時拉索索力分別為600 kN、450 kN和400 kN；84 m簡支拱一側臨時拉索，由外側向索塔側的拉索索力分別為780 kN、630 kN和580 kN。

圖11 “20 m后導梁+84 m鋼拱橋+33 m鋼格構梁+32 m前導梁+索塔”頂推計算模型

3.3.2 計算結果

1) 主縱梁所受應力計算結果(見圖12)：最不利施工階段為最大懸臂63 m時，此時，主縱梁懸臂根部上緣最大拉應力為116.6 MPa、下緣最大壓應力為146.9 MPa、剪應力為32.63 MPa。

圖12 最不利施工階段主縱梁所受應力計算結果

2) 橫梁應力所受計算結果(見圖13)：端橫梁及小橫梁最不利受力階段為結構前端處于最大懸臂狀態時，此時，臨時索塔塔柱連接處橫梁及與拉索連接處橫梁應力較大，橫梁的最大拉應力為148.0 MPa、最大壓應力149.9 MPa、剪應力為27.4 MPa。

圖13 最不利施工階段橫梁所受應力計算結果

3) 小縱梁所受應力計算結果(見圖14)：小縱梁受力最不利施工階段為結構前端處于最大懸臂狀態時，此時，小縱梁最大拉應力105.9 MPa、最大壓應力89.5 MPa、最大剪應力10.39 MPa。

4) 前導梁所受應力計算結果(見圖15)：前導梁及橫聯受力最不利施工階段為前導梁處于最大懸臂狀態時，前導梁最大拉應力153.0 MPa、最大壓應力158.2 MPa、剪應力6.26 MPa。

圖15 最不利施工階段前導梁所受應力計算結果

5) 后導梁所受應力計算結果(見圖16)：后導梁及導梁橫聯最不利受力階段為臨時索塔、拉索及前導梁已經拆除，33 m簡支梁前端過26#墩14.5 m時，此時后導梁后端距離24#墩5.5 m，后導梁最大拉應力75.84 MPa、最大壓應力75.80 MPa、剪應力17.93 MPa。

圖16 后導梁最不利受力階段所受應力計算結果

6) 撓度計算結果(見圖17)：前導梁前端懸臂為63 m時，最大下撓為35.0 cm；后導梁后端懸臂為33 m時，最大下撓為9.41 cm，此時索塔已拆除。

圖17 前導梁和后導梁撓度計算結果

7) 拱肋所受應力計算結果(見圖18～19)：拱肋最大拉應力階段為33 m梁距離26#墩7.5 m時，最大值為50.2 MPa；拱肋最大壓應力階段為前導梁全部拆除、33 m梁前端過26#墩 20.5 m時，最大值為39.7 MPa；拱肋剪應力7.86 MPa。

圖18 拱肋所受拉應力計算結果

圖19 拱肋所受壓應力計算結果

8) 吊桿受力情況計算結果(見圖20)：吊桿最大壓力為817.7 kN，發生在后導梁懸臂48 m時。由于吊桿壓力較大，因此頂推施工過程中須采取措施確保吊桿安全。

9) 臨時索塔所受應力計算結果：臨時索塔最大受力階段為前導梁最大懸臂63 m時，此時，臨時索塔所受最大拉應力為93.9 MPa、最大壓應力為63.8 MPa、剪應力為26.7 MPa。

10) 臨時拉索所受應力計算結果(見圖21)：臨時拉索最大受力階段為前導梁最大懸臂63 m時，位于導梁側C1拉索的索力最大，為941.1 kN，相應的拉索應力最大。

圖21 臨時拉索所受應力計算結果

11) 穩定性驗算：84 m鋼拱橋頂推階段穩定性驗算結果如表2所示。

表2 不同最大懸臂狀態下84 m鋼拱橋頂推階段穩定性驗算結果

由上述計算結果可知，采用優化后的“20 m后導梁+84 m鋼拱橋+33 m鋼格構梁+32 m前導梁+15 m高索塔”的頂推施工方案，可極大地減小主梁大懸臂工況下的變形和應力，且導梁、索塔等臨時措施構造在各個頂推階段均能滿足受力、變形要求，能夠有效保證了工程安全。

4 鋼拱橋大懸臂頂推施工保障措施

頂推施工過程中，鋼拱橋受力體系不斷變化，為了保證鋼拱橋結構安全，必須采取一些必要的構造或輔助保障措施。

1) 臨時索塔與鋼橋連接構造措施：塔柱設在鋼拱橋縱橫梁相交處，為滿足索塔構造、受力要求，該節點位置需加大、加強，與索塔用法蘭盤栓接；拉索采用吊耳與主梁栓接，頂推完成后拆除臨時索塔和吊耳。臨時塔柱與主梁連接方式如圖22所示。臨時拉索與主梁連接方式如圖23所示。

圖22 臨時塔柱與主梁連接圖

圖23 臨時拉索與主梁連接圖

2) 剛性吊桿加固措施：吊桿采用鏤空工字型鋼，為受拉構件，在頂推過程中，因體系不斷轉換，吊桿也在受拉或受壓中不斷變化。為保證吊桿不承受過大壓力，防止其產生不可恢復的變形，在吊桿周圍設置縱橫撐。剛性吊桿加固措施如圖24所示。

圖24 剛性吊桿加固措施圖

3) 嚴格控制索力施加、拆除時間：索塔設置在鋼拱橋縱橫梁上，為柔性基礎，為減小索塔受力、變形對永久結構的不利影響，需嚴格控制索力施加、拆除節點。經設計研究，導梁跨阜石路高架懸臂10.5 m時施加索力，頂推過63 m最大懸臂2 m后拆除索塔，效果最好。

4) 曲線頂推糾偏措施：直線大跨度鋼梁在曲線半徑為1 500 m的曲線上頂推行進，步履式千斤頂與鋼梁的相對位置不斷偏離，需及時糾偏。通過在步履頂上設置鞍座(可轉動3%的角度)，或者減小單次頂推距離從而減小糾偏距離來實現糾偏。

5) 縱坡調整措施：頂推行程位于37‰上坡和41‰下坡上，縱坡較大，因此，頂推過程中導梁前端上翹高度較高，落梁困難。為此，采取在頂推梁體后端加減調高墊塊、不間斷調整梁體豎向角度的措施；為避免墊塊調整高度較大、失穩，采取抬高頂推梁體、減小縱坡、到位后落梁的措施。

6) 施工監控措施：在關鍵點位布置監測點，采用無線振弦測試系統對鋼梁頂推各階段的位移、撓度及應力進行監測，監測結果及時反饋到電腦上，可動態監控梁體頂進狀態。

5 結語

S1線跨越阜石路高架等構筑物，地形復雜，布跨和施工困難。結合中低速磁浮軌排模數布跨和伸縮節最大40 mm的要求，采用84 m鋼拱橋、步履式頂推施工。該橋鋼結構為世界中低速磁浮線路中跨度最大的鋼結構。確定了和33 m鋼梁臨時焊接，加設前后導梁、臨時索塔的最優頂推方案,并制定了施工保障措施，有效解決了中低速磁浮鋼拱橋大懸臂頂推受力復雜、變形大的問題。