張家口市沙城文昌南路上跨京包鐵路立交橋主橋設計

杜　威

(武漢華宸土木工程技術咨詢有限公司　武漢　430071)

張家口市沙城文昌南路上跨京包鐵路立交橋主橋設計

杜威

(武漢華宸土木工程技術咨詢有限公司武漢430071)

摘要以跨越鐵路站場橋梁設計實例為背景，介紹該橋設計特點。其中斜拉索錨固設計為該橋的設計重點及核心，主塔采用交叉錨固方式，主梁采用頂板加厚齒塊錨固方式。采用ANSYS空間計算程序對主梁斜拉索錨塊及拉索橫梁進行了計算分析，計算結果反映了主梁斜拉索錨固構件的受力特點及應力分布情況，同時根據計算結果進行原因分析及研究，保證了斜拉索錨固系統的可靠性。

關鍵詞部分斜拉橋斜拉索錨固鐵路站場

本項目為上跨京包鐵路(沙城西鐵路站場)立交橋工程，為文昌南路建設的控制性工程。主橋跨越既有鐵路線由南向北依次為：貨場1號線、4號線，站修線、駝峰線，西牽出線，京包鐵路下行線，四道站線，豐沙鐵路下行線，京包鐵路上行線共計9股既有線及規劃京張城際鐵路雙線。

1橋梁方案比選

鐵路站場既有線股道較多(6股)，最南側股道(西遷出線)與最北側股道(京包鐵路上行線)線路距離為32.73 m。各股道線間距較小(最大為6.96 m)，股道間無法設置永久橋墩及臨時墩。預制架設及頂推方案均無法實施，上跨橋梁考慮采用轉體施工方法跨越鐵路站場。

經鐵路部門及規劃部門專家論證，最終批準采用30 m+79 m+75 m+38 m四跨連續部分斜拉橋跨越沙城西鐵路站場，其中轉體長度為2×69 m。

2主要技術標準

(1) 道路等級。城市主干道II級標準。

(2) 設計荷載。城-A級，人群荷載取3.0 kN/m2。

(3) 設計行車速度。50 km/h。

(4) 地震。地震動峰值加速度值為0.20g。

3總體設計

橋梁平面位于直線和R=5 000 m的左偏圓曲線上，縱面位于直線及R=3 000 m的凸形豎曲線上。主橋布置為30 m+79 m+75 m+38 m，采用墩、塔、梁固結的獨塔單索面預應力混凝土箱梁部分斜拉橋，索塔高度與中跨跨度的比例為0.38,主梁與主跨的高跨比為1/28.3[1]。箱梁轉體長度2×69 m，轉體角度為65°，轉體重量約為14 500 t，見圖1。

主橋橫斷面布置為：(0.5 m防撞護欄+2 m人行道+3.0 m非機動車道+7.5 m車行道+0.5 m防撞護欄)×2+2 m中央索塔區=29 m。見圖1。

圖1　主橋立面總體布置圖(單位：cm)

4結構設計

4.1　主梁設計

主梁采用單箱三室斜腹板截面，其頂板寬29.0 m，底板寬19.0 m，懸臂長3.5 m，梁中心處高2.79 m，外腹板斜率為197∶150。箱內頂板厚36 cm、底板厚30 cm，懸臂板根部厚60 cm、端部厚20 cm。主橋箱梁采用三向預應力體系，縱向、橫向預應力鋼束均采用公稱直徑ΦS15.2 mm的預應力鋼絞線；豎向預應力鋼筋采用公稱直徑JL32 mm的精軋螺紋鋼筋。

4.2　橋塔設計

主塔結構豎向分為3個部分，上部為斜拉索交叉錨固部分，截面尺寸為4.0 m×4.0 m，高度為20 m；中部為變化段，其橫橋向尺寸從上至下由4.0 m漸變為2.5 m，順橋向尺寸從上至下由4.0 m漸變為4.6 m，高度為2.0 m；下部為主塔根部，橫橋向尺寸為2.5 m，順橋向尺寸從上至下由4.6 m漸變為7.0 m，主塔自箱梁頂面至塔頂總高度為30 m。

4.3　斜拉索設計

全橋共設置7對斜拉索，每組斜拉索由2根PES7低應力新型索體的雙層PE熱擠聚乙烯拉索構成。斜拉索鋼絲采用fpk=1 670 MPa高強低松弛鍍鋅鋼絲，其中S1～S2(S1′～S2′)拉索截面組成為241φ7，S3～S7(S3′～S7′)拉索截面組成為253φ7。斜拉索錨具均采用張拉端冷鑄錨錨具。

4.4　下部結構設計

主墩采用H型截面橋墩，墩高8.3 m，順橋向寬7.0 m，橫橋向寬12.0 m，兩側壁厚1.5 m，中間壁厚3.0 m，3個墩壁的下端均設置1.5×1.0 m倒角，橫向壁與縱向壁之間設置0.5 m×0.5 m倒角。為方便橋梁的轉體施工，將主墩底部3.0 m部分設置為邊長12 m的正方形上轉盤，轉體完成后與承臺固結。

4.5　轉體系統設計

轉體系統為該橋實施轉體施工的關鍵部位，由上轉盤、下轉盤以及牽引系統組成。下轉盤主要構件組成包括下球鉸及其骨架、下滑道及其骨架、中心定位軸、千斤頂反力座；上轉盤主要構件組成包括上球鉸及其骨架、撐腳；牽引系統主要構件組成包括牽引反力座、牽引索。

5斜拉索錨固設計

5.1　主塔斜拉索錨固

主塔斜拉索錨固采用交叉錨固形式。主塔交叉錨固可以有效抵消兩側斜拉索對主塔的水平拉力，使主塔僅承受斜拉索產生的豎向壓力。有效降低了主塔高度,主塔穩定性較好，見圖2。

圖2　主塔順橋向剖面圖(單位：cm)

5.2　主梁斜拉索錨固

斜拉索主梁錨固采用箱梁頂板加厚齒塊錨固形式[1]。這種錨固方式，有效地減小了主梁結構高度，同時保證箱梁內斜拉索有足夠的張拉空間，見圖3～圖4。

圖3　斜拉索梁上錨固齒塊縱向剖面圖(單位：cm)

圖4　斜拉索梁上錨固齒塊縱向剖面圖(單位：cm)

在每道斜拉索的箱梁錨固處設置拉索橫梁，配置橫向及斜向預應力使頂板斜拉索錨固齒塊與拉索橫梁形成受力整體，確保錨固點處箱梁剛度，使斜拉索拉力合理擴散至箱梁全斷面，見圖5。梁上斜拉索實景照片見圖6。

圖5　拉索橫梁預應力布置圖(單位：cm)

圖6　拉索錨塊實景照片

5.3　主梁斜拉索齒塊局部計算

箱梁斜拉索齒塊受力復雜，采用空間有限元進行受力分析。全橋采用1/2模型，其中共采用空間實體單元258 624個，實體單元上的節點74 162個；桿單元33 623個，桿單元上的節點34 212個。邊界條件為：在箱梁梁端支座位置設置豎向、橫橋向位移和縱橋向轉動約束；在箱梁塔梁結合處的底板設置3個方向位移和轉動約束，在塔梁結合處的對稱位置設置對稱約束。建立的有限元模型見圖7。

圖7　梁上拉索錨塊有限元模型

(1) 斜拉索錨固點處應力分析。隔墻內錨固點處由于局部荷載效應作用發生應力集中現象，錨固板后面的混凝土拉應力在2.0 MPa以下，其余的橫梁部分為壓應力。頂板增厚塊上有1 MPa左右的拉應力，可采用普通鋼筋加強，見圖8。

圖8　箱梁應力圖

(2) 拉索橫梁應力分析。從橫梁的應力分布可以看到，跨中的S4號索的橫梁上拉應力較大且拉應力區也較大，最大拉應力值達2.1 MPa，見圖9～圖11。

圖9　拉索S4錨點處箱梁應力圖

圖10　拉索S4錨點處箱梁順橋向正應力圖

圖11　拉索S4錨點處箱梁橫橋向正應力圖

(3) 增厚塊周圍頂板應力分析。增厚塊之間的凹槽內拉應力較大(1.5 MPa以上)，幾乎均為拉應力，因此設計時，凹槽內普通橫向鋼筋的布置應予以加強。

(4) 原因分析。本模型的計算是在沒有計自重的前提下，同時沒有考慮頂板普通索的作用，只是針對設計額外配置的橫梁內的預應力束來作驗證的。所以頂板和隔墻上的拉應力比較大。因此如果考慮普通的橫向預應力鋼束和隔墻預應力鋼束共同作用的情況下，橫梁和頂板均能滿足設計要求。

綜上可得，該橋的隔墻預應力鋼束的布置能滿足設計要求。但對局部應力集中的區域應采用普通鋼筋加強。

6結構靜力計算

6.1　結構計算模型

上部結構縱向總體計算采用平面桿系模型，靜力分析計算考慮了恒載、活載、徐變、溫度、汽車制動力、預應力、強迫位移及施工荷載等[2]，結構離散圖見圖12。

圖12　結構離散圖

6.2　運營索力

最大、最小運營索力分別為12 810 kN，10 560 kN，最大拉索應力幅76 MPa，滿足要求。

6.3　主梁應力

短期效應下，主梁上緣最大壓應力為12.7 MPa，下緣最大壓應力為13 MPa；長期效應下，主梁上緣最大壓應力為8.3 MPa，下緣最大壓應力為12.3 MPa，長、短期效應下主梁上、下緣均不出現拉應力。

7結論

(1) 該橋具有結構新穎、輕巧美觀、受力合理、整體性好、振動小、行車既適等特點。

(2) 部分斜拉橋跨越鐵路站場，收到了較好的受力和視覺效果。

(3) 斜拉索頂板錨固，解決了張拉空間的問題。

(4) 該橋的順利建成，表明計算正確，各細部尺寸擬定合理，設計具有可取和獨到之處。

(5) 跨越鐵路站場橋梁設計受到的限制條件較多，該橋的成功實現可為同類橋梁的設計和施工提供范例。

參考文獻

[1]王伯惠.斜拉橋結構發展和中國經驗[M].北京：人民交通出版社,2003.

[2]范立礎.橋梁工程[M]. 北京：人民交通出版社,2001.

收稿日期：2015-01-27

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.010