跨鐵路部分斜拉橋設(shè)計

劉望春

（中鐵上海設(shè)計院集團有限公司，上海 200000）

1 部分斜拉橋簡述

部分斜拉橋是介于斜拉橋和梁式橋中間的一種橋型。與斜拉橋相比，部分斜拉橋主梁具有較大的剛度，同時斜拉索對主梁具有彈性支承作用，豎向外荷載由主梁和斜拉索共同承擔(dān)，以梁的受彎、受壓和索的受拉來承受豎向荷載作用。索對具有一定剛度的主梁起加勁作用，可以理解為真正意義上的彈性支承連續(xù)梁橋。每根索皆為一個彈性支承，使主梁所受彎矩與無斜拉索作用的連續(xù)梁相比得以減小。

部分斜拉橋塔高較矮，拉索傾角較小，拉索為主梁提供較大的軸向力。并且拉索盡可能密集地通過塔柱的上部區(qū)域，塔上不設(shè)錨固端。一般塔高可取主跨的1/8～1/12。以梁為主，索為輔，梁體高度大約是同跨徑梁式橋的1/2 倍或斜拉橋的2 倍。梁上無索區(qū)較之一般斜拉橋要長，還有較明顯的塔旁無索區(qū)段。部分斜拉橋適用跨徑宜選擇在100m ～200m 之間，如果采用組合梁或復(fù)合梁，則跨徑可達300m。

2 概述

濱湖路延長線上跨京廣鐵路節(jié)點工程，根據(jù)鐵路現(xiàn)場建設(shè)條件，該工程節(jié)點位于京廣鐵路灄口站出站咽喉區(qū)，鐵路共有9 股道，鐵路運營繁忙，跨越處鐵路路基寬度約60m；新建工程采用雙向六車道城市主干道標(biāo)準(zhǔn)，外側(cè)需增設(shè)3m 非機動車及人行道。考慮鐵路安全保護區(qū)及施工期既有鐵路運營安全，該工程最終采用100+100m 轉(zhuǎn)體部分斜拉橋橋式方案，平行鐵路側(cè)支架現(xiàn)澆89+89m 梁體，平面轉(zhuǎn)體就位后支架現(xiàn)澆合龍。轉(zhuǎn)體重量22500 噸。橋型立面布置如圖1。

圖1 跨鐵路橋型布置圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）道路等級：城市主干路

（2）設(shè)計車速：60km/h

（3）橋面寬度：34.5m。0.5m 防撞護欄+3m 人行道及非機動車道+11.75m 機動車道+0.5m 防撞護欄+3m索塔+0.5m 防撞護欄+11.75m 機動車道+3m 人行道及非機動車道+0.5m 防撞護欄。

（4）設(shè)計基準(zhǔn)期：100年

（5）設(shè)計安全等級：一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1

（6）設(shè)計汽車荷載：城-A 級，活載放大1.3 倍

（7）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：地震動峰值加速度0.05g，對應(yīng)烈度6 度。

（8）環(huán)境類別：Ⅰ類

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2.1 主梁

采用單箱五室等寬變高斜腹板截面，斜率不變。塔、墩、梁固結(jié)，塔梁固結(jié)處梁高6.5m，跨中梁高3.5m；箱梁頂板寬34.5m，底板寬17.0m ～21.201m，兩側(cè)翼緣懸臂長4.75m，箱梁頂板厚度28cm，底板厚30 ～75cm；邊腹板厚45cm，邊室對應(yīng)的中腹板厚45cm，最里面兩個中腹板厚50cm。支點處均設(shè)置橫隔梁，其中端橫梁厚2.0m，中橫梁厚6.8m。

圖2 主梁立面圖

圖3 主梁橫斷圖

3.2.2 主梁預(yù)應(yīng)力及節(jié)段劃分

主橋箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計?？v向預(yù)應(yīng)力鋼束布置在箱梁腹板、頂板及底板上，鋼束采用19-φs15.2 及17-φs15.2 低松弛高強度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，除梁端處設(shè)置為固定端外，其余均為張拉端。采用群錨體系，由金屬波紋管制孔，橫梁按部分預(yù)應(yīng)力A 類構(gòu)件設(shè)計。其中端橫梁及中橫梁預(yù)應(yīng)力采用19-φs15.2 低松弛高強度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，索區(qū)橫梁預(yù)應(yīng)力采用17-φs15.2 低松弛高強度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用群錨體系，由金屬波紋管制孔，兩端張拉。橋面板按部分預(yù)應(yīng)力A 類構(gòu)件設(shè)計。橋面板橫向預(yù)應(yīng)力采用4-φs15.2 低松弛高強度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用扁錨體系，由金屬波紋管制孔，兩端張拉。主梁共分17 個節(jié)段，其中0 號塊長度為12.8m，主塔往交接墩側(cè)分別為12m+12.5m+3x16m+10.5m+2m（合攏段）+8.9m（支架現(xiàn)澆段）。

圖4 主梁鋼束圖

3.2.3 斜拉索

斜拉索為單索面，布置在中央分隔帶上。拉索采用雙排索，全橋共設(shè)置28 對斜拉索，兩排索的橫向間距為1.0m，斜拉索塔上間距為1.0m，梁上間距為4.0m。拉索在塔上通過轉(zhuǎn)向索鞍錨固于混凝土箱梁內(nèi)，拉索采用梁內(nèi)兩端張拉。斜拉索采用熱鍍鋅鋼絞線OVMAT-37和OVMAT-43 兩種規(guī)格，公稱直徑15.2mm，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值1860Mpa，彈性模量1.95×105Mpa，松弛率≤0.025。

3.2.4 主塔

下塔柱采用箱型截面，下塔柱尺寸為10.0m（橫橋向）×6.8m（順橋向）；上塔柱為矩形實心截面，橫橋向尺寸為3.0m，順橋向尺寸為5.0m，橋塔橋面以上高度為25.0m。

3.2.5 基礎(chǔ)

承臺由于轉(zhuǎn)體需要，設(shè)置為兩級，上承臺尺寸為12.0m（橫橋向）×12.0m（順橋向）×3.5m（厚度），下承臺尺寸為18.7m（橫橋向）×18.7m（順橋向）×3.5m（厚度）?；A(chǔ)采用25 根Φ1.6m 鉆孔灌注樁。

3.3 施工方案

采用支架現(xiàn)澆+平面轉(zhuǎn)體的方法施工。其主要施工流程如下：

（1）施工主橋基礎(chǔ)及上下轉(zhuǎn)盤并安裝轉(zhuǎn)體系統(tǒng)，上下轉(zhuǎn)盤臨時鎖定固結(jié)；施工交接墩。

（2）施工下塔柱。

（3）在主墩旁搭設(shè)支架，預(yù)壓后施工1#節(jié)段，待混凝土強度達到90%，彈性模量均達到100%后，張拉預(yù)應(yīng)力鋼束。

（4）順京廣鐵路依次澆筑2 ～7#節(jié)段，每節(jié)段混凝土強度達到90%，彈性模量均達到100%后，方可張拉各節(jié)段預(yù)應(yīng)力鋼束。

（5）同步施工上塔柱，待混凝土強度達到90%，彈性模量達到100%后，張拉斜拉索。施工轉(zhuǎn)體梁段橋面外側(cè)鋼防落物墻。

（6）將轉(zhuǎn)體梁段（89+89）m 同步順時針方向轉(zhuǎn)體91°至成橋位置，主要步驟如下：①對轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)進行縱橫稱重，實測其重心位置，必要時進行配重，使全部轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)重量主要由中心球鉸承擔(dān)；②對轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)觀測、檢測2 小時以上。調(diào)試牽引系統(tǒng)，清理潤滑環(huán)道，拆除有礙平轉(zhuǎn)的障礙物，在平轉(zhuǎn)就位處設(shè)置限位卡梁，阻止撐腳到位后繼續(xù)往前走。根據(jù)鐵路確定的轉(zhuǎn)體作業(yè)時間對轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)進行試轉(zhuǎn)，確定轉(zhuǎn)體的各項參數(shù)。③根據(jù)鐵路確定的轉(zhuǎn)體作業(yè)時間，啟動千斤頂轉(zhuǎn)動體系，進行正式轉(zhuǎn)體，速度0.018 ～0.02rad/m，一次轉(zhuǎn)體就位。④轉(zhuǎn)體最后階段采用點動，確保轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)精確就位。轉(zhuǎn)體角度共91°轉(zhuǎn)體作業(yè)時間約79 分鐘。

（7）轉(zhuǎn)體到位后，調(diào)整梁體線形，封固轉(zhuǎn)體系統(tǒng)上、下盤。

（8）在32#墩和34#墩旁搭設(shè)支架，澆筑墩頂支架現(xiàn)澆段。

（9）施工合攏段勁性骨架，澆筑合攏段，待混凝土強度及彈性模量均達到100%后張拉預(yù)應(yīng)力鋼束。

（10）施工內(nèi)側(cè)防撞墻、人行道板、中央鋼防撞護欄、伸縮縫等剩余橋面系及附屬工程。

轉(zhuǎn)體施工過程中，應(yīng)進行監(jiān)控量測并根據(jù)施工安全需要可考慮在主墩附近設(shè)置附加臨時滑道，具體位置由施工單位根據(jù)施工實際情況確定并征得設(shè)計單位同意后實施。

在施工期間要及時對承臺、墩身的沉降及鐵路設(shè)施實施必要的安全監(jiān)控工作。轉(zhuǎn)體時對風(fēng)速的要求是不大于8m/s，轉(zhuǎn)體分為試轉(zhuǎn)和正式轉(zhuǎn)體兩次進行。

4 計算分析

采用有限元軟件MIDAS/CIVIL 建立全橋空間模型。全橋共168 個節(jié)點，167 個單元。其中上部梁體共112單元，上塔柱共19 個單元，下塔柱共6 個單元，上承臺1 個單元，下承臺1 個單元，拉索共28 個桁架單元。主梁及主塔采用梁單元模擬，拉索采用桁架單元模擬。塔、墩、梁固結(jié)采用共節(jié)點來模擬。

圖5 結(jié)構(gòu)離散模型

表1

其中：T1 為轉(zhuǎn)體前支架拆除之后斜拉索軸力值（kN）,T2 為邊跨合龍時斜拉索軸力值（kN），T3 為成橋完成收縮徐變完成后斜拉索軸力值（kN），T4 為運營期間活載作用下斜拉索最大軸力值（kN）。

根據(jù)以上表格數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)體前斜拉索提供豎向力占恒載比值為19%，合龍后斜拉索提供豎向力占恒載比值為16%，梁體完成收縮徐變后斜拉索提供豎向力占恒載比值為12%。運營期間斜拉索提供的活載豎向力占比僅為活載總反力值的3%，主要還是由梁體承擔(dān)。

查閱同等跨度梁式橋結(jié)構(gòu)，100+100 梁式橋采用變高度連續(xù)梁時，中支點梁高需11m，斜拉橋梁高需3.0m。部分斜拉橋中支點梁高采用6.5m，在結(jié)構(gòu)高度上相比梁式橋降低了一半，同時有效地保證了主梁剛度，斜拉索采用一次張拉，降低了施工難度同時減小了下部結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)。經(jīng)分析，該工程設(shè)置邊索角度21°左右，控制斜拉索占恒載比例20%以內(nèi)是合理的。

5 結(jié)論

伴隨著鐵路路網(wǎng)的逐步完善，雖然路網(wǎng)通達性日趨完善，同時也對地方城市道路的切割日益加劇，交通建設(shè)條件控制因素逐步增多，跨越鐵路橋梁的跨度也逐步加大，為減少城市建設(shè)對鐵路運營的影響，轉(zhuǎn)體施工工法也因其耗時少得到了大量運用，部分斜拉橋結(jié)構(gòu)形式因其跨度的適應(yīng)性和主梁結(jié)構(gòu)的輕盈性成了涉鐵工程中經(jīng)常采用的結(jié)構(gòu)形式。通過本工程的實際運用，采用部分斜拉橋結(jié)構(gòu)形式，有效降低了梁高，在減輕下部結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)的同時，有效降低了整體橋梁規(guī)模的長度，大大降低工程造價。充分體現(xiàn)了部分斜拉橋在中等跨度橋梁轉(zhuǎn)體施工的優(yōu)勢，為后續(xù)類似工程提供了寶貴的工程經(jīng)驗。