城市軌道交通主跨150 m連續剛構橋的關鍵技術

郭 興 張曉柯 韓 超

(1.河南建筑職業技術學院土木工程系， 450064， 鄭州； 2.中國中鐵股份有限公司， 100070， 北京∥第一作者， 講師)

大跨徑橋梁特別是大跨徑預應力混凝土連續剛構橋已成為我國大跨徑橋梁的主要橋型[1-3]。因橋梁建造受制于城市繁華市區景觀保護及空間限制要求，隨著我國城市軌道交通的快速發展，大跨徑小曲線半徑的連續剛構橋應用越來越廣泛[4-6]。隨著新技術和新材料的應用，連續剛構橋向結構輕巧化、跨徑更大化方向發展。預應力混凝土Y型連續剛構橋在設計上可使橋梁的主梁跨度縮短，其支肩部的負彎距較低，結構輕巧纖細，且可選擇變截面箱梁，因而被廣泛應用。1990年至今我國建造的代表性Y型支撐橋梁如表1所示。

表1 1990至今我國建造的Y型支撐橋梁Tab.1 Constructed domestic Y-shaped pier bridges since 1990 s

本文以深圳市城市軌道交通6號線合水口站—薯田埔站區間(以下稱為“合薯區間”)150 m大跨徑連續剛構橋為研究案例，研究了繁華城區內橋梁設計建造的關鍵要素，保證了150 m大跨徑Y型剛構橋的施工質量，降低了施工風險，提升了施工效率。

1 工程概況

合薯區間大跨經橋梁位于深圳市域市軌道交通6號線的第16個區間，該橋為大型Y型剛構(以下簡稱“Y構”)橋，其最大跨徑為150 m。該線路平面位于曲線半徑為550 m圓曲線上，橋梁以90.331 m+150.000 m+89.791 m的跨徑組合跨越公明排洪渠及振明路。該橋全長為330.122 m，區間包括12#～15#橋墩，共4墩3跨，上下行線路的間距為5.2 m。該橋是我國城市軌道交通同類橋梁中大跨徑的橋梁之一。

2 連續剛構橋的設計案例

2.1 主要技術參數

1) 設計年限：100年。

2) 橋下凈空：5.5 m。

3) 地震參數：基本烈度7度。

4) 持力層巖性：中等風化砂質泥巖。

5) 行車速度：列車最高運行速度為100 km/h。

6) 線路設置：正線為雙線，線間距為5.2 m，位于半徑為550 m圓曲線上，標準軌距為1 435 mm。

7) 列車編組：采用6輛編組，列車采用A型車，車輛軸重160 kN。

2.2 設計方案比選

在合薯區間橋梁的建造前期，共設計了3種方案。其中：方案一需要對公明排洪渠實施改造，設計建造跨度組合為42.0 m+60.3 m+40.7 m+42.0 m的剛構橋；方案二為設計建造門式剛架橋，以避開公明排洪渠的干擾；方案三設計了90.331 m+150.000 m+89.791 m的大跨徑連續Y型剛構橋。該橋設計方案的效果及各方案比選如表2所示。如表2所示，通過對3個設計方案進行比選、分析，在充分考慮該橋的建造位置、景觀協調、施工工期及建造難度后，確定采用方案三作為該橋的設計方案。

表2 合薯區間橋梁3個設計方案比選 Tab.2 Comparative selection of three design schemes of Heshu interval bridge

3 關鍵技術及創新

3.1 橋梁Y構施工的關鍵技術

合薯區間大跨徑連續剛構橋的Y構整體長度為57 m，由43 m V型肋、3 m實心橫隔段、26 m墩頂梁及4 m 0號段構成。其中，0號塊及墩頂梁采用單箱單室斜腹板截面形式。由于Y形墩斜腿的主要構成為勁性預應力混凝土，在形成三角形結構前，承載能力很小，且根部混凝土在自重作用下的拉應力很大，容易開裂。因此，橋梁Y構部分的施工控制是本工程的重點和難點。為保障施工質量，該橋Y構采用C60混凝土分3次澆筑，其澆筑步驟、受力描述及質量控制措施如表3所示。

表3 合薯區間橋梁Y構的施工步驟及質量控制措施Tab.3 Construction steps and quality control measures of Y-shaped bridge in Heshu interval

由于Y構為斜懸臂結構，在后續墩頂塊重力和Y構自重的作用下，Y構根部會產生較大的水平力和彎矩，且該橋的主墩為大張角Y型墩，Y構根部彎矩效應較常規的Y型墩更大，會引起較大的拉應力，結構開裂的風險很大。為了保障大張角Y型墩不發生開裂變形，在Y型墩的澆筑過程中，需要嚴格控制支架的變形。

本文通過仿真軟件，模擬支架系統發生3 mm、5 mm、7 mm變形的應力云圖，如圖1所示。圖中的數值分別表示模擬支架產生變形后以零值為基點產生的最大壓應力。

a) 發生3 mm彈性變形時的Y構受力

由圖1可以直觀反映出Y構的最大壓應力。在3種位移彈性變形工況下，Y構支撐的最大壓應力分別為1.0 MPa、1.3 MPa、1.6 MPa。設計上要求系統支架的最大變形需控制在10 mm以內，則其對應的最大壓應力需控制在2.0 MPa以內，從模擬結果看可以滿足設計要求。在澆筑過程中，需要嚴格控制澆筑肋梁與頂梁交接段施工荷載作用下支架的變形，以保障大張角Y構根部的質量。

3.2 BIM(建筑信息模型)技術的應用

合薯區間連續剛構橋最大跨徑為150 m，線路最小曲線半徑為550 m，設計要求按照最小曲線半徑施作曲梁。因橋梁構造復雜，施工支撐體系剛度及地基的沉降要求高，Y構與橋墩、墩頂梁交界處鋼筋布置復雜，環境影響因素多，以及橋梁的精細化管理要求高等因素，在該橋建造過程中將BIM技術引入到整個橋梁建造和管理過程中。

3.2.1 應用BIM檢查各部件的干擾碰撞

由于該橋的空間位置復雜，在繪制圖紙的過程中極易發生一些高程、坐標錯誤，這些錯誤難以在二維圖中被發現。利用BIM的三維直觀優勢，可以更好地檢查出圖紙中的錯誤，從而減少施工變更或返工。通過BIM技術建立了全橋模型，然后對橋梁的關鍵部件模型進行碰撞檢查，對復雜區域節點處的預應力筋進行三維碰撞檢查。例如，Y構與墩頂梁交接鋼筋(包括預應力鋼筋)的設計異常復雜，這是本次橋梁設計和施工的重點和難點，通過BIM對潛在的鋼筋碰撞干擾進行檢查，發現了墩頂梁高程不一致的錯誤，避免了工程返工。由此，通過BIM對碰撞問題進行檢查，可提前優化工程設計方案，較大地提高了工程的質量和效率。

3.2.2 應用BIM分析復雜支架體系布置的合理性

合薯區間連續剛構橋大張角Y型墩施工的質量控制是整個橋梁施工成敗的關鍵。Y構主體施工對臨時支撐體系的剛度及地基的沉降要求高，因此，利用BIM技術對整個支撐體系進行建模布置，建立了擴大基礎+鋼管柱+貝雷梁+分配梁的支架模型。如圖2所示，應用BIM模擬了Y構施工時立體交叉、結構復雜的支撐體系，包括鋼管樁在公明排洪渠箱涵上的布置、鋼管樁之間橫撐與斜撐的邏輯關系、橫向系梁與縱向主梁(貝雷梁)的布置、貝雷梁和分配梁間的空間位置、整體支架模型的安裝拼接順序等。

a) 支架系統側視圖

通過BIM的建模優化，最終確定了合薯區間橋梁Y構支架系統總體設計方案為打入樁+鋼管立柱+分配梁+貝雷梁。其中：① 打入樁采用φ630 mm×12 mm螺旋管；② 鋼管立柱采用φ609 mm×14 mm鋼管，鋼管立柱間設置水平連接，其材料為φ377 mm×6 mm鋼管；③ 鋼管立柱上布置橫向分配梁，分配梁采用45#型鋼；④ 墩頂梁范圍內的立柱頂上的分配梁采用HM588型鋼，翼緣處采用I20型鋼；⑤ 橫向分配梁上采用貝雷梁作為主梁，貝雷梁選用標準尺寸(3.0 m×1.5 m)的貝雷片。貝雷梁之間采用標準支撐架連接，在豎直與水平方向均布置連接支撐架，將貝雷梁連接成整體；⑥ Y構支架主梁通過設置調坡小楔塊，使之與Y構角度保持一致；⑦ 拱頂梁支架立柱不支撐于Y構上，而是直接支撐于打入樁基礎上。圖3為合薯區間橋梁Y構支架系統的現場布置圖。

a) 支架系統仰視圖

3.2.3 應用BIM精確輸出工程量

基于精細化施工管理的要求，本工程通過BIM精確計算各種材料的工程量，進而實現精準采購，避免余料庫存。以該橋懸臂端現澆的14個混凝土塊為例，通過BIM技術建模，對這些混凝土塊的設計工程量、BIM輸出工程量及實際工程量進行對比。經計算，BIM工程量輸出為484.25 m3，實際工程量為493.25 m3。與實際工程量相比，BIM計算輸出的混凝土工程量的準確率高達98.17%。

3.2.4 應用BIM優化施工場地布置

傳統的施工場地布置往往都是現場技術負責人憑經驗予以布置，很難及時發現場地布置中存在的問題，也缺乏場地布置方案進一步優化的可靠依據。合薯區間橋梁建造處于城市繁華市區，場地空間小，交通疏解難度大。如圖4所示，應用BIM技術提前模擬場地的布置方案，通過對橋梁周邊重要建筑物、構筑物進行BIM建模，分析模擬橋梁施工對周邊環境的影響，對比、優化不同交通疏解方案的可行性和優缺點，生成三維的臨時建筑布置效果圖。在此基礎上，通過對整體臨時建筑三維效果圖進行觀察，對位置不合適的臨時建筑予以及時調整，避免了施工場地因干擾產生的返工問題，達到了臨時建筑布置美觀、和諧的目的。

a) 基于BIM的施工場地設計方案

4 結語

本文通過對城市軌道交通150 m大跨徑Y型連續剛構橋的設計方案進行比選，并對該橋的關鍵部件施工技術及BIM技術在建造過程中的應用進行研究，得到結論如下：

1) 繁華城區內的橋梁建造受施工空間限制、建/構筑物干擾及景觀協調標準等因素的影響，應盡可能減少交通疏解及拆遷改造的工作量，大傾角、大跨徑的Y型連續構橋梁是具有可行性的設計方案之一。

2) 在150 m大跨徑Y型連續剛構橋梁施工過程中，大張角Y型墩的施工質量控制是整個橋梁建設成敗的關鍵，Y構施工中混凝土澆筑順序、Y型墩受力及變形控制是需要重點關注的環節。

3) BIM技術可應用于大型復雜橋梁建造的干擾分析、支架驗算、工程量分析及施工場地布置中。通過應用BIM技術，可開展施工的精細化管理，規避施工風險，提高施工效率。本工程BIM技術的應用可為后續類似大型復雜橋梁建設提供參考。