上跨鐵路站場咽喉區連續鋼箱梁設計與施工

朱永兵

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海市 200070）

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，城市平面交通系統不能滿足日常出行需求，逐漸向立體化交通方向發展。市區內的高架橋梁建設往往會受到諸多因素的制約，如跨越鐵路、公路、航道及重要管線等。常要求在施工時盡量減小對橋下交通、河道通航行洪及堤防安全的影響，促進了轉體、頂推等施工工藝的快速發展[1-9]。

當城市高架橋梁需要同時跨越多條既有運營鐵路線時，采用頂推施工工藝，跨徑大、施工便捷且對鐵路運營影響小的優勢，具有廣闊的應用前景[10-12]。連續鋼箱梁是常見橋梁結構形式，自重輕、強度高、跨越能力強、施工周期短的特點，可在工廠預制，運輸到現場后拼裝，其輕質高強的特點可以做到較大的懸挑長度，非常適合頂推施工工藝，同時借助頂推設備鋼導梁的作用，使得頂推跨徑進一步增大[13-15]。

本文以呼和浩特市巴彥淖爾路快速路跨越跨呼和浩特西站場咽喉區工程為例，對新建橋梁從建設環境、施工條件、經濟性等方面進行了橋式方案比選，推薦三跨連續鋼箱梁頂推施工跨越鐵路咽喉區，介紹該橋的結構設計、頂推施工方案，并對結構受力、施工階段受力進行計算分析，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

本項目為城市快速路，是中心城“三環二橫六縱”快速路網的組成部分，是新機場與中心城的主要聯系通道，見圖1。同時也是公交主通道和市政管線走廊。該項目的實施，對于緩解西部區域的交通壓力，疏散中心城過境和出入境交通具有重要意義。

圖1 工程整體效果圖

本節點跨越某站場咽喉區，站場范圍內共有16 股鐵路股道，其中包括京包客專、唐呼線及站場線，均為電氣化鐵路?，F狀地面道路采用六處8 m+12 m+8 m框架橋下穿鐵路站場咽喉區。框架橋長度根據股道分布情況在12.6～44.7 m 不等，且各框架之間排列緊湊。

本工程高架橋上跨鐵路，與現狀下穿道路互為上下兩層，設計道路中心線與站場股道線夾角在78°～90°之間，橋梁平面位于直線上，立面位于0.3%的縱坡上，為雙向八車道。

2 主要設計標準

道路等級：主路城市快速路。

汽車荷載：城-A 級荷載，跨鐵路橋及相鄰跨按照1.3×城-A 級荷載設計。

橋下凈空：滿足電氣化鐵路凈空要求，并滿足頂推施工限界要求，接觸網支柱頂部距離梁底按照2.6 m空間預留。

設計速度：60 km/h。

橋梁設計安全等級：一級。

橋梁設計基準期：100 a。

防撞等級：上跨客專段及鄰跨設置兩級防護。

抗震設防標準：橋梁地震烈度為8度，水平向設計基本地震動加速度峰值為0.20g，橋梁為乙類，抗震措施按9 度設防。

3 總體設計

3.1 方案比選

為確保鐵路運營安全，減少對鐵路的干擾，根據現場及周邊工程條件，現對頂推連續鋼箱梁方案和轉體斜拉橋方案進行比選。

方案一采用61 m+62 m+67 m 連續鋼箱梁，見圖2。兩個主墩在六個框架橋的間隙內立墩，且采用門式墩結構跨越下層道路，門式墩內壁與框架內壁齊平，對下穿道路影響較小。施工方案采用步履式頂推施工，在引橋位置拼裝后，利用鐵路天窗點頂推至設計位置。

圖2 方案一：（61+62+67）m 頂推連續鋼箱梁（單位：m）

方案二采用111 m+222 m+111 m 雙塔單索面斜拉橋，見圖3。主塔位于現狀道路中間，壓縮了道路的通行斷面。施工方案采用轉體施工，主橋在平行于鐵路方向拼裝后，利用鐵路天窗點轉體至設計位置，對鐵路影響較小。

圖3 方案二：（2×110+2×112）m 轉體斜拉橋（單位：m）

上述兩個方案比較見表1。

表1 上跨鐵路橋梁方案影響對比

轉體斜拉橋方案雖然有對鐵路的影響小的優勢，但也有明顯的缺點：轉體前平行于鐵路施工，以及轉體時旋轉半徑大，需額外征用臨時用地，造成較大拆遷；同時，斜拉橋主塔壓縮了輔路斷面，對輔路交通組織影響較大，整體投資較大。

頂推連續鋼梁方案在站場咽喉區內布設少量橋墩，施工時對鐵路影響有限，鋼梁施工過程均在既有征地紅線范圍內進行。對現狀道路基本無影響，且造價相對較小。故推薦頂推連續鋼箱梁方案。

3.2 主橋結構設計

主橋上部采用三跨等高連續鋼箱梁設計，分為上下行兩幅橋，考慮到主橋上跨客運專線需設置兩級防護，單幅橋面寬度較標準段17.0 m 加寬至20.1 m。主橋采用單箱四室分離式斷面。鋼箱梁線路中心線處梁高3.0 m。根據受力位置的不同，鋼箱梁各板件采用變厚度設計，一般截面頂板厚16 mm，底板厚20 mm，中支點處頂板加厚至30 mm，底板加厚至28 mm；邊支點處頂板加厚至20 mm，底板加厚至25 mm。頂板和底板采用U 型加勁肋，腹板采用板肋加勁肋。單箱四室共8 道腹板，腹板厚16 mm?？v向每隔3 m 設置一道橫隔板，實腹式和空腹式橫隔板交替布置，橫隔板板厚14 mm，支點處橫隔板布置稍密，橫隔板板厚28 mm。橫斷面見圖4。

圖4 單幅主橋橫斷面（單位：cm）

主橋下部采用預應力混凝土門式墩橫跨現狀道路。確保下穿道路的交通功能不受本工程影響。橫斷面見圖5。

圖5 主橋橫斷面圖（單位：cm）

3.3 施工方案

本橋采用多點步履式頂推施工。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。

本工程左右幅橋分別進行頂推施工。在小里程側搭設拼裝平臺，單幅鋼箱梁總長度約190 m，采用鋼梁分節段拼裝，拼裝一段頂推一段的施工方案，直至頂推就位，見圖6。最大頂推重量約2 660 t，最大頂推距離230 m，跨間不設臨時墩，在墩頂布置步履式頂推裝置。鋼導梁重約80 t，由2 片等高度工字形梁組成，橫向中心距7.5 m，導梁長47.0 m。導梁根部與鋼箱梁相對應豎腹板等高，高度為2.85 m，前端底板逐漸抬高0.62 m。圖6 為頂推支架橋墩布置圖。

圖6 頂推支架橋墩布置圖

本鋼梁頂推主要步驟如下：

（1）搭設拼裝支架、頂推平臺，設置滑道；

（2）拼裝A 節段鋼箱梁及導梁；

（3）在多次天窗點中完成第1 次頂推，導梁伸至10# 墩處；

（4）拼裝B 節段鋼箱梁；

（5）依次類推，直至主梁頂推到設計位置。

（6）拆除導梁、滑道、拼裝平臺；

（7）安裝永久支座、落梁；

（8）進行后續橋面系等施工。

4 主梁受力分析

4.1 計算模型

本文對單幅橋梁結構計算采用Midas Civil 空間有限元軟件，建立三跨等高連續鋼箱梁有限元模型，并考慮了下部結構門式墩變形對結構受力的影響。主梁、橋墩按照實際截面特性采用梁單元模擬，結構計算模型見圖7。計算荷載主要包括恒載、汽車荷載、制動力、風荷載、溫度作用等。

圖7 空間有限元計算模型

4.2 施工階段受力分析

（1）抗傾覆及最大支反力

頂推最不利傾覆工況發生在導梁前支腿落在10# 墩之前的最大懸臂狀態，此時傾覆彎矩為110 915 kN·m，抗傾覆彎矩為191 549 kN·m，得到縱向傾覆穩定系數為1.73，大于1.3 的要求。

頂推過程中最大支反力位于11# 墩頂處，發生在頂推完成工況，反力大小為10 291 kN。

（2）位移

頂推過程導梁前端最大撓度為47.7 cm，出現在導梁處于最大懸臂狀態時，此時主梁懸臂端最大撓度為10.7 cm。

（3）強度

頂推過程主梁最大拉應力為87.3 MPa，最大壓應力為-96.8 MPa；導梁最大拉應力為109.4 MPa，最大壓應力為-109.4 MPa。施工過程受力滿足要求。

4.3 運營階段受力分析

4.3.1 支座反力

標準組合下中支點最大支反力為26 657 kN，最小支反力為17 365 kN；邊支點最大支反力11 663 kN。最小反力為6 267 kN。支座均未脫空，且有較大壓力儲備。

4.3.2 結構變形

連續鋼梁的豎向撓度見表2，結果表明主梁變形滿足要求。

表2 靜活載作用位移

4.3.3 鋼梁強度計算

（1）鋼梁第一體系計算

鋼梁強度計算需考慮剪力滯效應及局部穩定的影響，按現行《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）計算，跨中剪力滯折減系數為1.0，距支點12 m附近至支點處剪力滯折減系數由1.0 變到0.909；跨中頂板、底板受壓局部穩定折減系數為0.997?；窘M合下頂板最大拉應力為147.9 MPa，最大壓應力為152.2 MPa。

（2）鋼梁第二體系計算

以橫隔板間的單根縱肋及一定寬度的橋面板作為整體，建立以橋面系為承力載體的第二體系受力模型?？v肋支承在主梁腹板、橫隔板上，考慮自重、鋪裝、汽車活載等作用。橋面板頂板U 肋第二體系計算跨徑取3 m，將U 肋和頂板組成的截面等效為工字截面；頂板板肋第二體系計算跨徑取1.5 m，將板肋和頂板組成的截面等效為T 型截面。計算有效寬度根據《公路鋼結構設計規范》（JTG D64—2015）5.1.8.2 確定。根據圣維南原理，建立3 個橫梁間距的橋面系模型，其計算結果取中間段值。

計算可得，由頂板和U 肋構成的第二體系最大拉應力為106.2 MPa，最大壓應力為-72.3 MPa；由頂板和板肋構成的第二體系最大拉應力為74.2 MPa，最大壓應力為-52.5 MPa。故取由頂板和U 肋構成的第二體系應力與第一體系相疊加，作為頂板的強度設計值。考慮了第一、第二體系應力疊加的強度結果見表3。計算結果表明：鋼箱梁正應力、剪應力均滿足規范要求。

表3 鋼箱梁應力計算結果匯總

4.2.4 鋼結構疲勞驗算

根據《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）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進行疲勞驗算。

主梁最大正應力幅為24.6 MPa，最大剪應力幅為6.3 MPa，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50 MPa。經計算疲勞強度為51.6 MPa，允許正應力幅為36.85 MPa，剪應力幅為22.85 MPa，根據應力幅分析可知，主梁疲勞強度滿足要求。

5 減小橋梁對鐵路運營影響的措施

（1）跨鐵路橋梁采用步履式頂推方法施工，過程中嚴格按照《鐵路營業線施工安全管理辦法》執行。

（2）為保證鐵路運營安全，需要對既有橋墩、軌道的變形進行安全監測。監測范圍主要包括施工范圍內可能影響的鐵路橋墩，前后約0.3 km 范圍內的軌道幾何狀態進行監測。

（3）上跨既有鐵路的橋梁及相鄰跨兩側設置堅固的防拋免維護裝置，其高度不低于2.5 m，防拋免維護裝置基礎必須與橋梁預埋件聯結，確保其強度、穩定性滿足要求。

（4）橋梁兩側安裝異物監測設備，實時監控橋面異物侵限狀況。

6 結語

本文以城市高架跨越鐵路站場咽喉區工程為例，通過方案比選、結構設計、頂推施工階段分析，得到主要結論如下：

（1）跨越鐵路站場咽喉區應因地制宜地進行方案比選，本工點跨越鐵路站場咽喉區采用連續鋼箱梁頂推方案合理可行。新建橋梁采用門式墩結構，保證了既有道路的正常使用功能，提高了通行效率，對鐵路安全影響小。

（2）連續鋼箱梁結構設計合理，施工階段受力合理，運營階段剛度、強度、疲勞檢算均滿足規范要求。