張涿高速公路臥佛寺連接線永定河大橋方案研究

曹 全

(北京鐵路局，北京 100860)

1 工程概況

張涿高速公路臥佛寺連接線(康祁公路)永定河大橋位于官?gòu)d水庫(kù)大壩下游150 m處，跨越官?gòu)d水庫(kù)下游永定河段及豐沙鐵路(上、下行線)，與豐沙鐵路下行線交叉角度約為74°，橋位處永定河段河床底面寬約102 m，兩側(cè)山坡陡峭;跨越豐沙鐵路上、下行線間距約為34.8 m，高差約為13.5 m。在初步設(shè)計(jì)階段提出了需要對(duì)豐沙鐵路上下行進(jìn)行棚洞防護(hù)的跨度為(55+98+98+55)m剛構(gòu)連續(xù)梁方案、在3號(hào)墩進(jìn)行單轉(zhuǎn)體的跨度為(55+98+98+55)m剛構(gòu)連續(xù)梁方案以及在2號(hào)墩采用墩中轉(zhuǎn)體同時(shí)3號(hào)墩采用墩底轉(zhuǎn)體的橋跨布置為(58+93+97+58)m剛構(gòu)連續(xù)梁方案，通過3個(gè)方案進(jìn)行工程風(fēng)險(xiǎn)分析研究，最終實(shí)施方案為雙轉(zhuǎn)體方案。橋梁全長(zhǎng)308 m。橋梁全寬12.4 m。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

針對(duì)建設(shè)條件、結(jié)構(gòu)方案、施工技術(shù)安全、運(yùn)營(yíng)管理安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究，從而更加全面地進(jìn)行橋型方案比選，優(yōu)化工程建設(shè)方案，以達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、高效的管理目標(biāo)，幫助業(yè)主、建設(shè)方和有關(guān)部門做出科學(xué)決策。初步設(shè)計(jì)階段安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估采用專家調(diào)查法，實(shí)施過程中引入了專家參與、專家咨詢、專家決策過程。在實(shí)施過程的諸多環(huán)節(jié)——風(fēng)險(xiǎn)源篩選、風(fēng)險(xiǎn)分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、應(yīng)對(duì)策略等，都有專家參與咨詢和決策。

(1)該項(xiàng)目建設(shè)環(huán)境特點(diǎn)之一，官?gòu)d水庫(kù)下游的永定河是首都的水源地之一，在設(shè)計(jì)方案上需要采取橋面全封閉措施，確保橋上污水不排到永定河中。施工期間要特別注意環(huán)境保護(hù)，制定可行的施工方案。

(2)該項(xiàng)目建設(shè)環(huán)境特點(diǎn)之二，本橋跨越繁忙的豐沙鐵路上下行，各方案均需要采取可靠措施，保證施工期間對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)的影響最小。在橋型選擇上，豐沙鐵路運(yùn)營(yíng)的安全是最大的風(fēng)險(xiǎn)源。

(3)該項(xiàng)目建設(shè)環(huán)境特點(diǎn)之三，針對(duì)本橋跨越山谷，橋墩的高度相差很大，從剛度匹配合理的角度，3號(hào)墩墩頂需要設(shè)置活動(dòng)支座，從而形成了剛構(gòu)連續(xù)梁橋方案。

(4)針對(duì)高墩穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)最大懸臂及成橋后的穩(wěn)定性非線性計(jì)算分析;計(jì)入施工規(guī)范容許范圍內(nèi)的誤差對(duì)結(jié)構(gòu)的影響;充分考慮薄壁墩在風(fēng)、溫等作用下的高墩穩(wěn)定性。為了降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)，在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)上，采用墩中轉(zhuǎn)體的施工技術(shù)，減輕轉(zhuǎn)體重力，合理確定了采用40 m墩高的轉(zhuǎn)體方案。

(5)針對(duì)成橋受力狀態(tài)不確定性以及風(fēng)力、溫度作用下結(jié)構(gòu)受力性能變化不確定性，采用多種空間結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行仿真計(jì)算分析，嚴(yán)格現(xiàn)場(chǎng)控制和周密施工全過程監(jiān)控。

2.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

(1)道路等級(jí):二級(jí)公路。

(2)計(jì)算行車速度:60 km/h。

(3)荷載標(biāo)準(zhǔn):公路－Ⅰ級(jí)的1.3倍。

(4)橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期:100年。

(5)橋面寬度:凈寬11.4 m+2×0.5 m防撞護(hù)欄=12.4 m。

(6)橋面橫坡:1.5%雙向橫坡。

(7)橋面鋪裝:13 cm厚C40混凝土調(diào)平層+5 cm厚中粒式瀝青混凝土。

(8)橋下凈空:本橋跨越豐沙鐵路，橋下凈高＞7.96 m。

(9)抗震設(shè)防烈度:8度，地震動(dòng)峰值加速度:0.2g。

2.3 大橋設(shè)計(jì)方案

2.3.1 55 m+98 m+98 m+55 m剛構(gòu)連續(xù)梁方案(方案1)

全橋采用主跨為98 m的剛構(gòu)連續(xù)梁方案，橋梁全長(zhǎng)308 m。考慮跨越鐵路及保證合龍段與鐵路有一定安全距離，跨徑布置為(55+98+98+55)m，采用鐵路棚護(hù)后對(duì)稱懸臂澆筑的方法進(jìn)行梁體的施工，在豐沙線上下行之間設(shè)計(jì)2 m合龍段，合龍段中心距豐沙上行11.2 m。通過防洪評(píng)價(jià)，在永定河中設(shè)2個(gè)50 m左右的高墩，墩梁固結(jié)，3號(hào)墩墩高11.4 m，墩頂設(shè)縱向活動(dòng)支座。［1-3］見圖1。

圖1 方案1立面布置(單位:cm)

主梁:(55+2×98+55)m T構(gòu)箱梁為變高單箱單室截面，箱梁頂寬12.4 m，底寬7.0 m;箱梁高度在與主墩墩身對(duì)應(yīng)的梁段4.0 m范圍內(nèi)梁高均為6.0 m，邊跨現(xiàn)澆段處及跨中處梁高均為2.75 m，其余部位梁高按二次拋物線變化。箱梁在主橋主墩處4.0 m范圍為實(shí)體中橫隔梁，在橋臺(tái)處設(shè)置2.5 m厚邊橫梁，中橫梁上均設(shè)有過人洞。

主墩:1號(hào)、2號(hào)主墩均采用圓端形空心薄壁墩配圓端形實(shí)體墩座，墩高分別為52 m和54 m。3號(hào)墩采用圓端形實(shí)體橋墩。3號(hào)墩高11.4 m。考慮到3號(hào)墩剛度大，為減小梁體溫度應(yīng)力，3號(hào)墩墩頂擬設(shè)置盆式支座，針對(duì)采用的對(duì)稱掛籃懸澆，在3號(hào)墩順橋向距墩中心3 m處對(duì)應(yīng)腹板位置對(duì)稱設(shè)置鋼管混凝土臨時(shí)支墩，順橋向每側(cè)臨時(shí)墩采用φ1 000 mm×30 mm鋼管混凝土立柱2根，內(nèi)灌注C50補(bǔ)償收縮混凝土，兩立柱間布置2根φ1 000 mm×30 mm的水平橫撐形成格構(gòu)，每根立柱頂布置7根JL32精軋螺紋鋼筋，用于抵抗懸澆時(shí)的不平衡力矩，設(shè)計(jì)不考慮落梁。

本方案主要針對(duì)施工圖(55 m+98 m+98 m+55 m組合剛構(gòu))中鐵路棚洞防護(hù)要點(diǎn)時(shí)間長(zhǎng)，施工風(fēng)險(xiǎn)與難度大，鐵路局各相關(guān)部門提出由于豐沙鐵路至2009年底運(yùn)量陡增，鐵路棚洞防護(hù)施工對(duì)鐵路影響過大，明確表示鐵路棚洞防護(hù)施工基本不具備可行性。

2.3.2 58 m+95 m+95 m+58 m連續(xù)剛構(gòu)方案(方案2)

全橋采用主跨為95 m的剛構(gòu)連續(xù)梁方案，跨徑布置為(58+95+95+58)m，橋梁全長(zhǎng)308 m。該方案將豐沙鐵路下行線西側(cè)3號(hào)橋墩設(shè)轉(zhuǎn)體墩，3號(hào)墩頂段梁體采用先平行于鐵路方向掛籃懸澆然后轉(zhuǎn)體至橋位的平轉(zhuǎn)方案，轉(zhuǎn)體角度74°，轉(zhuǎn)體質(zhì)量約為8 500 t。其余2個(gè)高墩墩頂梁段采用掛籃懸臂澆筑方案，在2個(gè)中跨設(shè)合龍段。考慮轉(zhuǎn)體梁端跨越鐵路時(shí)，合龍段與鐵路應(yīng)有足夠的安全距離，轉(zhuǎn)體時(shí)梁體按不平衡梁段布置(即65 m+52 m)，跨越鐵路側(cè)為65 m懸臂，轉(zhuǎn)體到位后跨過豐沙鐵路上下行線，在豐沙鐵路跨上行線東側(cè)設(shè)置合龍段的方案。平行鐵路澆筑梁體時(shí)，控制懸澆梁段邊緣距離豐沙鐵路下行線最小距離為18.60 m;轉(zhuǎn)體到位后梁端距離豐沙鐵路上行線最小距離為6.02 m。承臺(tái)平行于鐵路下行線設(shè)置，距鐵路下行線最小距離14.77 m。

主梁:主梁采用混凝土箱梁。箱梁頂寬12.4 m，底寬7.0 m，與墩固結(jié)處梁高8.0 m，跨中梁高3.5 m，順橋向梁高呈二次拋物線變化。主梁為單箱單室截面，兩側(cè)懸臂長(zhǎng)均為2.7 m。

主墩:1號(hào)、2號(hào)主墩均采用圓形空心薄壁墩，墩高均為54.0 m，3號(hào)轉(zhuǎn)體墩采用圓端形實(shí)體橋墩。3號(hào)轉(zhuǎn)體墩墩高10.0 m，墩橫橋向?qū)?.0 m，順橋向?qū)捵远盏字炼枕斢?.0 m漸變至4.0 m。考慮到3號(hào)墩剛度大，為減小梁體溫度應(yīng)力，3號(hào)墩墩頂擬設(shè)置盆式支座，進(jìn)行梁體現(xiàn)澆和轉(zhuǎn)體前，應(yīng)將墩梁進(jìn)行臨時(shí)固結(jié)同時(shí)需要將上下轉(zhuǎn)盤進(jìn)行臨時(shí)鎖定。

設(shè)計(jì)方案采用支架現(xiàn)澆方案，設(shè)計(jì)和施工難度均較大，轉(zhuǎn)體時(shí)，邊跨需要較大噸位的配重，該方案技術(shù)上可行，但橋型方案上存在較大的工程風(fēng)險(xiǎn)［4］。

2.3.3 55 m+93 m+97 m+58 m連續(xù)剛構(gòu)方案(方案3)

考慮橋梁上跨豐沙鐵路，為保證橋梁施工期間減少對(duì)鐵路的干擾，橋梁布置為(58+93+97+58)m剛構(gòu)連續(xù)梁方案，橋梁全長(zhǎng)308 m。剛構(gòu)上部結(jié)構(gòu)采用變高度預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室箱梁，其中2、3號(hào)橋墩處采用轉(zhuǎn)體施工跨越豐沙鐵路上、下行線，轉(zhuǎn)體角度分別為 65°和 74°，轉(zhuǎn)體質(zhì)量分別為 7 200 t、6 100 t。［5-9］1、2號(hào)橋墩采用矩形空心薄壁墩配嵌巖樁基礎(chǔ)，3號(hào)橋墩采用矩形實(shí)心墩配嵌巖樁基礎(chǔ)，除1號(hào)墩墩身底部設(shè)有直徑7 m圓端形實(shí)體墩座外，2號(hào)、3號(hào)墩墩身底部均設(shè)有直徑10 m實(shí)體墩座與承臺(tái)連接;橋臺(tái)采用實(shí)體橋臺(tái)擴(kuò)大基礎(chǔ)。方案3見圖2。

橋梁上部結(jié)構(gòu)采用一聯(lián)(58+93+97+58)m組合剛構(gòu)箱梁，箱梁為變高單箱單室直腹板截面，箱梁頂寬12.4 m，底寬7.0 m;在與橋墩墩身對(duì)應(yīng)的梁段4.0 m范圍內(nèi)箱梁高度均為6.5 m，在橋臺(tái)及主跨跨中處梁高為3.0 m，邊跨現(xiàn)澆段梁高均為3.0 m，其余部位梁高按二次拋物線變化;箱梁頂板厚0.3 m;箱梁底板厚度在主墩處為1.8 m，橋臺(tái)處及主跨跨中處分別為0.85 m、0.35 m，其余按二次拋物線漸變;箱梁腹板的厚度在0.5～0.9 m之間根據(jù)剪力大小變化。箱梁在1號(hào)、2號(hào)橋墩處6.0 m范圍設(shè)置2組1.0 m厚中橫隔梁，3號(hào)橋墩處4.0 m范圍內(nèi)設(shè)置4.0 m厚中橫隔梁，在兩側(cè)橋臺(tái)處均設(shè)置2.38 m厚端橫隔梁，在橋墩處中橫隔梁上均設(shè)有人洞。在箱梁近橋臺(tái)處底板上設(shè)置φ100 cm永久進(jìn)人孔，同時(shí)于腹板上按一定間隔設(shè)置φ10 cm通氣孔。箱梁頂面設(shè)1.5%雙向橫坡，橫坡由頂板傾斜而成。

1號(hào)、2號(hào)墩身均采用矩形空心薄壁墩，墩身截面橫橋向?qū)?.0 m，順橋向?qū)?.0 m，壁厚1.0 m。1號(hào)墩身下設(shè)19 m高圓端形實(shí)體墩座，墩座橫橋向?qū)?4.0 m(兩端為半徑3.5 m圓端形)，順橋向?qū)?.0 m。2號(hào)墩身下設(shè)直徑10.0 m圓形實(shí)體墩座，墩座高16.0 m。1號(hào)、2號(hào)實(shí)體墩座下設(shè)4.0 m高承臺(tái)，承臺(tái)順橋向?qū)挒?1.0 m，橫橋向?qū)挒?4.8 m。

主墩墩身、上轉(zhuǎn)盤及承臺(tái)均采用C40混凝土(球鉸局部采用C50混凝土)，樁基均為水下C30混凝土。

3號(hào)墩身采用矩形實(shí)心墩，墩身截面橫橋向?qū)?.0 m，順橋向?qū)?.0 m。墩身下設(shè)直徑10.0 m圓形實(shí)體墩座，墩座高4.1 m。實(shí)體墩座下設(shè)4.0 m高承臺(tái)，承臺(tái)順橋向?qū)挒?1.0 m，橫橋向?qū)挒?1.0 m。考慮到3號(hào)墩剛度大，為減小梁體溫度應(yīng)力，3號(hào)墩墩頂擬設(shè)置盆式支座，進(jìn)行梁體現(xiàn)澆和轉(zhuǎn)體前，應(yīng)將墩梁進(jìn)行臨時(shí)固結(jié)同時(shí)需要將上下轉(zhuǎn)盤進(jìn)行臨時(shí)鎖定。

3號(hào)墩梁臨時(shí)固結(jié)方案:根據(jù)轉(zhuǎn)體重力及轉(zhuǎn)體重心位置，研究確定在墩頂支座墊石兩側(cè)預(yù)埋4組鋼構(gòu)件，用于抵抗轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性矩。4組預(yù)埋鋼構(gòu)件順橋向距墩中心2.0 m，橫橋向間距為5.0 m，每組鋼構(gòu)件由5根I45a焊接組成，長(zhǎng)度為3 000 mm，埋入墩頂及梁體的長(zhǎng)度均為1 200 mm。

圖2 方案3(單位:cm)

墩梁臨時(shí)固結(jié)方案的計(jì)算采用通用結(jié)構(gòu)分析軟件——ANSYS10.0。為了計(jì)算方便，將變截面箱梁截面簡(jiǎn)化成等截面箱梁;同時(shí)為了真實(shí)地反應(yīng)結(jié)構(gòu)的受力情況，將箱梁的容重按階段進(jìn)行變化。在計(jì)算中假定5根工字鋼是連成整體的。

墩身和墩座及梁體采用混凝土實(shí)體單元——SOLID65單元，鋼管采用管單元——PIPE16單元，工字鋼采用殼單元——SHELL63單元，支座采用各向異性實(shí)體單元——SOLID64單元。混凝土SOLID65單元共有153 129個(gè)，管 PIPE16單元共有93 747個(gè)，殼SHELL63單元共有2 400，各向異性SOLID64單元共有384個(gè)。整個(gè)結(jié)構(gòu)共劃分80 598個(gè)節(jié)點(diǎn)，249 660個(gè)單元。橋墩和臨時(shí)固結(jié)的模型如圖3所示。

圖3 單元局部模型

通過分析計(jì)算得到如下結(jié)論:鋼管和工字鋼的剛度和強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，鋼管的頂、底與混凝土接觸部位、工字鋼和墩身接觸部位應(yīng)力均超標(biāo)。因此設(shè)計(jì)時(shí)在相應(yīng)位置均需采用普通鋼筋加強(qiáng)，減少應(yīng)力集中效應(yīng)。

2.4 方案比選

本橋的3個(gè)剛構(gòu)連續(xù)梁方案，其建設(shè)條件的最大風(fēng)險(xiǎn)源為跨越繁忙的豐沙線;橋型結(jié)構(gòu)的最大風(fēng)險(xiǎn)為主墩高度和上部結(jié)構(gòu)跨徑較大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力不合理;施工的最大風(fēng)險(xiǎn)為高墩最大懸臂下的穩(wěn)定性和掛籃懸澆的施工安全風(fēng)險(xiǎn)。從對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)損失影響程度及施工中對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)最小的角度出發(fā)，方案一的施工安全風(fēng)險(xiǎn)大，棚洞安拆周期長(zhǎng)給鐵路運(yùn)營(yíng)帶來的經(jīng)濟(jì)損失大。方案二采用3號(hào)墩不對(duì)稱轉(zhuǎn)體跨越豐沙上下行線，設(shè)計(jì)和施工難度大，結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)大。方案三采用墩中轉(zhuǎn)體及3號(hào)墩設(shè)為轉(zhuǎn)體墩的雙轉(zhuǎn)體跨中合龍方案，結(jié)構(gòu)方案風(fēng)險(xiǎn)小，施工安全風(fēng)險(xiǎn)可控，該方案被專家及有關(guān)管理部門認(rèn)可。

3 結(jié)論

本橋的難點(diǎn)在于橋梁采用雙轉(zhuǎn)體施工跨越既有豐沙鐵路及永定河，其中2號(hào)橋墩為56 m高墩轉(zhuǎn)體，為了降低施工難度，轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)在承臺(tái)頂面以上16 m處橋墩中間部位;3號(hào)墩采取了將梁與墩臨時(shí)鎖定后共同進(jìn)行墩底轉(zhuǎn)體的設(shè)計(jì)方案，3號(hào)墩頂梁部因墩高較低，采用了支架現(xiàn)澆工藝，2號(hào)墩T構(gòu)部分采用了懸臂施工工藝。本橋具有施工工藝復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度大的特點(diǎn)，高墩轉(zhuǎn)體通過精細(xì)的穩(wěn)定性檢算和工法研究，成橋效果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。2012年5月8日該橋順利完成了關(guān)鍵雙轉(zhuǎn)體工序，2012年10月建設(shè)完工。

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