黄浦大街—金桥大道快速通道工程跨京广铁路变宽度斜拉桥设计

龙俊贤

(中铁二院武汉勘察设计研究院有限责任公司,武汉 430071)

黄浦大街—金桥大道快速通道工程跨京广铁路变宽度斜拉桥设计

龙俊贤

(中铁二院武汉勘察设计研究院有限责任公司,武汉 430071)

武汉黄浦大街—金桥大道快速通道工程跨京广铁路主桥为独塔双索面预应力混凝土箱梁斜拉桥,全长 260m,跨度为(138+81+41)m。桥面宽度由 39m宽渐变至 49.899m。介绍该斜拉桥的工程概况、总体设计、结构设计、变宽度的处理方法及跨铁路施工方法。

斜拉桥;设计;变宽度;电气化铁路

1 工程概况

黄浦大街—金桥大道快速通道工程位于汉口地区东北方向,由现状的黄浦大街和金桥大道组成,起于黄浦路立交落地点,止于三金潭立交,全长约 6.0 km,是汉口地区南北向重要的城市快速路,是联系城市一环线、二环线、三环线的放射线和快速出城通道。

快速通道主线为城市快速路;主线 60 km/h,双向6车道;跨铁路桥下净空不低于 8.2m;结构抗震设计方面,地震动峰值加速度系数 0.05g,地震基本烈度为6度。抗震设防类别为 B类,设防措施等级为 7度。

2 总体设计

黄浦大街—金桥大道快速通道桥梁跨越 13股道电气化铁路。现状金桥大道是以地下通道形式下穿京广铁路,通道横向布置为独立 4孔,中间 2孔为机动车道,两侧 2孔为非机动车道和人行道,可通行公交车辆和出租车辆。现状京广铁路下穿地下通道沿高架桥纵向长度110m。主桥结构跨度要达到130m左右,控制因素较多,对施工方案要求高,为该工程的难点。

由于跨京广铁路段桥梁距离竹叶山立交较近,其桥面设计高程受到制约,此处桥面设计高程最高不宜超过 36.5m,否则部分匝道最大纵坡无法满足要求,而铁路现状轨顶高程最大约 23m,铁路净空要求不小于 8.2m,同时考虑桥面铺装厚度和桥面纵、横坡影响,跨铁路桥梁结构高度及考虑施工所需净空总高度应控制在 4.5m以下。

跨铁路段桥梁跨度较大,且平面上处于加减速车道变宽段内,整个桥梁为一整幅断面,桥面变宽范围为39.000～49.899m。考虑铁路远期发展要求,铁路部门要求股道间不得设置桥墩,一跨跨过铁路桥梁跨径将达 138m。

通过桥型方案比选,主要通过桥型对铁路运营干扰的影响方面,造型景观方面,挤术先进性方面,经济合理性等多方面比选,同时结合地形、地质条件等因素,主桥选用独塔双索面预应力混凝土箱梁斜拉桥方案,全长 260m,主跨 138m,跨度组成为(138+81+41)m。斜拉桥总体布置见图1。

3 结构设计

3.1 设计特点

黄浦大街—金桥大道快速通道工程跨京广铁路主桥为独塔双索面预应力混凝土箱梁斜拉桥,桥梁起终点里程为 K2+177.5～K2+437.5。标准桥面宽度组成：2.5m(索锚区)+0.5m(防撞护栏)+15.75m(行车道)+1.5m(中间分隔带)+15.75m(行车道)+0.5m(防撞护栏)+2.5m(索锚区)=39.0m,从里程K 2+346.144至 K2+177.6方向由 39m宽渐变至 49.899 m。桥梁纵坡主跨侧为 0.5%,边跨侧为 -1.937%,设R=4 000m凸曲线。

主塔处塔、墩、梁固结。边墩、辅助墩处竖向均设活动盆式橡胶支座,横向边墩处设横向挡块。

为满足桥墩不侵占既有下穿通道的机动车道及非机动车道要求,斜拉桥主塔顺桥向为柱式结构、横桥向为“A”形,钢筋混凝土结构;边墩采用框架墩,立柱中心间距达 41.5m,立柱为 2.5m×2.5m矩形立柱,承台为分离式,承台纵向长 7.6 m,横向宽 7.6 m,厚2.5m。

主梁采用双边箱梁截面,全桥分为等宽段主梁和变宽段主梁,等宽段主梁箱梁顶全宽 39m,箱梁底全宽 39.6m,路中心处梁高 3.8m;两个边箱之间的顶板采用 1.8m高,0.3m宽的肋板加劲(3道肋板),设双向 1.5%横坡。等宽段标准主梁截面尺寸如下：主梁顶板厚 0.26 m,主梁底板厚 0.36 m,边箱竖腹板厚0.45m,边腹板厚 1.2m,肋板厚 0.3m,一个 6m节段设置两道横梁,横梁厚均为 0.48m,压重区梁段采用单箱六室封闭截面,节段长度 3.7m,设置 1道横梁,横梁厚均为 0.68m,主梁顶板厚 0.26m,主梁底板厚 0.5m,中间竖腹板厚 0.6m,边腹板厚 1.2m,肋板与底板闭合,肋板厚 0.3m。变宽段主梁顶板宽度由 39.000～49.899 m,主梁右腹截面不变,左腹截面线性变化,两个边箱宽度不变,横向尺寸通过调整横梁的跨度实现。

为方便桥梁运营阶段在电气化铁路上方换索方便,斜拉索锚固块设置在边箱内(图2)。

图2 斜拉索锚固示意(单位：cm)

3.2 总体静力计算

总体静力计算采用空间杆系理论,以主梁桥轴线为基准划分结构离散图。梁、塔为空间梁单元,斜拉索为杆单元。总体计算根据桥梁施工流程划分结构计算阶段,根据荷载组合要求的内容进行内力、应力计算,验算结构在施工阶段、运营阶段内力、应力及整体刚度是否符合规范要求。

边界条件的处理：索塔按底部固结处理,过渡墩及辅助墩按竖向刚性支撑处理,边跨支架及主梁 0号块、1号块支架按单向竖向刚性支撑处理。

计算结构图示见图3。

图3 计算图示

(1)设计荷载取值

恒载包括主梁、塔、索及防腐材料重力。混凝土主梁及索塔容重 27.3 kN/m3,梁、塔按实际断面计取重力;斜拉索按所需钢丝重 G×(1+8%)计(其中 8%为防腐材料重)。主梁横隔板按集中力计入。汽车荷载采用公路—Ⅰ级车道荷载计算,汽车荷载计入横向偏载、冲击、车道折减等影响。汽车制动力的着力点在桥面上,其值按桥规规定的方法计算。支座摩阻力,支座摩擦系数按规范取 0.06。

温度荷载计算取合龙温度 10～15℃,根据当地月平均最高气温和最低气温情况,综合考虑后计算取体系升温 25℃,体系降温 25℃。局部温差按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)4.3.10条规定的梯度温度计算,日照正温差 T1采用 15.2℃,T2采用5.74℃,日照反温差 T1采用 -7.6℃,T2采用-2.87℃。梁与索的温差 ±15℃;塔身左、右侧温差 ±5℃。

支座差异沉降按 2 cm计算。地震动峰值加速度系数 0.05g,地震基本烈度为 6度,按 7度设防。设计基本风压为 400Pa,按规范的规定计算横向风力和纵向风力。

(2)荷载组合

按各类作用效应可能出现的最不利状况进行组合,对承载能力极限状态进行作用效应基本组合,对正常使用极限状态进行作用短期效应组合和作用长期效应组合。

(3)主要计算结果

施工阶段最大拉应力为 1.468 MPa,最大压应力为 12.6MPa,满足规范要求。

运营阶段混凝土箱梁在最不利组合状态下上缘出现的最大压应力为 12.8MPa,主梁下缘出现的最大压应力为 9.9MPa,小于 16.2MPa,满足相关规范要求。

运营阶段混凝土箱梁正截面抗裂验算按全预应力构件,短期作用效应最不利组合应力满足规范要求。

运营阶段混凝土箱梁最大主压应力为 14.65 MPa,规范限值 σcp≤0.6fck=19.44MPa;运营阶段混凝土箱梁持久状况混凝土斜截面抗裂结果端支点处最大 σtp应力为 0.62MPa,均满足规范要求。

运营阶段主塔在最不利组合状态下上缘出现的最大压应力为 16.1MPa,主塔下缘出现的最大压应力为15.6MPa,塔顶部分出现 0.94MPa拉应力,结构配筋后满足强度要求。

主跨活载最大竖向位移 4.24 cm↓,δ/L=1/4363,塔顶最大活载顺桥向位移 0.86 cm,满足刚度要求。

斜拉索最小应力为 517.4 MPa,斜拉索最大应力为 666 MPa,斜拉索容许应力为 0.4fpk=0.4×1 670MPa=668MPa,故斜拉索拉应力满足规范要求。斜拉索最大应力幅为 123.8MPa,满足规范要求。

3.3 主塔锚索区空间分析

索塔横桥向为 A字形,钢筋混凝土结构,由塔座、下塔柱、中塔柱、上塔柱、下横梁、中横梁、上横梁等组成。上塔柱为斜拉索锚固区,锚固端局部构造采用锚块式。在上塔柱锚固区,设环向预应力,采用 fpk=785 MPa,JL32mm精轧螺纹钢筋来平衡斜拉索水平分力。由于桥塔锚索区段受力复杂,需对该部位进行三维空间分析,以便准确地反映结构真实受力情况。

(1)计算模型

计算取桥塔锚索区顶部 3个节段为模型,取塔柱全结构进行分析,模型高 6.8 m。分析中考虑了预应力效应、斜拉索的空间斜度等。计算中将整个结构视作匀质弹性体,混凝土弹性模量 E取35000MPa,泊松比取0.166 7,容重取 26 kN/m3,未考虑混凝土的收缩、徐变和普通钢筋对结构的影响。

采用通用有限元程序 MIDAS建立实体模型分析,模型采用空间四面体单元,模型共计有6 753个节点,30 042个单元。计算模型如图4所示。

环向预应力钢筋采用精轧螺纹钢筋,规格为JL32,fpk=785MPa,锚下张拉控制力为 568 kN。桥塔预应力考虑了锚头回缩损失、管道偏差损失,混凝土的收缩、徐变引起的各项预应力损失,采用在主塔预应力钢筋位置施加等效力方式模拟,荷载施加在塔壁实际锚点位置上。模型考虑自重和斜拉索的影响,模拟了斜拉索索力的大小和方向。将索力作为计算荷载值,以面荷载方式施加于锚块表面。

图4 索塔计算模型

(2)计算结果

成桥阶段和使用阶段,锚索区控制点位置如图5所示,塔顶锚索区控制断面应力见表1。

图5 锚索区控制点示意

表1 塔顶锚索区最大索力下控制断面应力 MPa

从计算结果看出,桥塔锚固区在运营阶段最不利工况下,所有截面均处于受压状态,应力储备满足要求。

3.4 主梁横梁空间分析

采用空间有限元空间程序 MIDAS对横梁建立实体模型进行分析。按照主梁截面的不同,分别建立了主跨变截面悬浇段横梁、边跨等截面标准段横梁以及边跨压重段横梁这 3个具有代表性横梁的模型,分别进行了分析。

(1)计算模型

本次计算取主梁 2个梁段进行模型分析。模型中每个梁段长 6.0 m,结构尺寸与实际梁段相同。模型见图6。

图6 边跨等截面段横梁实体模型

模型采用实体单元离散,分别模拟了横梁混凝土、预应力筋和斜拉索对梁的作用,还考虑了预应力效应、斜拉索的角度等因素的影响。斜拉索对梁段的支撑作用,本次计算将其换算沿索力方向的节点弹性支撑,其弹性刚度利用斜拉索的变形协调方程求出,分别将修正后的刚度值赋予模拟节点弹性支撑,在单元的一端施加沿索力方向的约束。

分析中将整个结构视作匀质弹性体,混凝土弹性模量 E取35000MPa,泊松比取0.1667,容重取 26 kN/m3,未考虑混凝土的收缩、徐变和普通钢筋对结构的影响。预应力筋弹性模量 E取195000MPa,泊松比取 0.3,容重取 78.5 kN/m3,热膨胀系数为0.000 012。预应力损失考虑了锚头夹片回缩损失,预应力筋转角损失,管道偏差损失,混凝土的收缩、徐变的影响。

混凝土采用八节点实体单元,有 x、y、z轴 3个方向的自由度;横梁预应力钢束采用桁架单元模拟,也有x、y、z轴 3个方向的自由度。

为了真实准确地模拟斜拉索对主梁的空间支撑作用,模型中,在主梁斜拉索实际位置采用节点弹性支撑。

横隔梁预应力,是在考虑锚头夹片回缩损失、预应力筋转角损失、管道偏差损失,混凝土的收缩、徐变引起的各项预应力损失之后,施加在梁单元上的。模型中预应力钢绞线规格为 15.2-15,标准强度 fpk=1 860MPa,弹性模量 E取195000MPa,泊松比取 0.3,容重取 78.5 kN/m3,热膨胀系数为0.000012,张拉控制应力取1 395MPa。模型中采用桁架单元来模拟预应力钢束,根据变形协调方程把预应力换算成温度力。在定义好梁单元的材料、截面特性后,用施加温度力的办法来控制梁单元各个截面的应力,从而达到施加预应力的目的。

在模型上施加全部梁段自重,全部横隔梁预应力,二期恒载,再与车辆组合,来分析运营中横隔梁的横向应力分布情况。

(2)计算结果

荷载组合工况：恒载 +预应力 +汽车(车辆荷载)。横梁计算结果见图7。

图7 横梁中心上、下缘横桥向应力图(单位：MPa)

从计算结果可知,在恒载 +汽车 +预应力这一组合工况下,4.5m等截面梁段横梁中心下缘产生 9.3 MPa压应力,上缘产生 2.5MPa的压应力。

主跨变截面悬浇段横梁、边跨压重段横梁计算方法同上。

除以上计算外,该桥还采用 MIDAS空间分析程序对该斜拉桥的动力特性及稳定性进行了分析,对结构在安装和运营状态下的地震和风振效应也进行了分析。

4 施工方案

主桥跨铁路部分采用挂篮悬浇法施工,边孔采用支架现浇施工。挂篮悬浇施工时在铁路上方搭设防护支架,防护支架采用万能杆件支墩,支架顶棚采用 I63型钢,间距 2m,工字钢上搭设 10 cm×10 cm方木@30 cm,方木上铺设 2 cm厚竹胶板,在接触网悬挂正上方的防护支架底部安装 2m宽的绝缘板。

5 结语

本桥虽然跨度不大,但是桥面为变宽度,宽度达39.000～49.899m,且上跨电气化铁路,设计施工均较复杂。本桥主梁变宽度通过调整横梁的跨度实现,跨铁路施工通过在铁路上方搭设防护支架,防护支架下设防电板,然后采用挂篮悬浇法施工,确保了施工期间铁路运营安全,另外斜拉索锚于主梁边箱内,解决了桥梁运营阶段在电气化铁路上斜拉索维护问题,斜拉索的维护不需要“要点”施工,不会影响铁路的正常运营。

[1]JTG/T D 65— 01—2007,公路斜拉桥设计细则[S].

[2]JTG D 60—2004,公路桥涵设计通用规范[S].

[3]JTG D62—2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[4]JTG D 63—2007,公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[5]JTG/T B 02—01—2008,公路桥梁抗震设计细则[S].

[6]JTG/T D 60— 01—2004,公路桥梁抗风设计规范[S].

[7]周孟波.斜拉桥手册[M].北京：人民交通出版社,2004.

U 448.27

A

1004-2954(2010)07-0081-04

2010-03-08;

2010-04-06

龙俊贤(1977—),男,工程师,2001年毕业于中南大学交通土建专业,工学学士,E-mail：18605901@qq.com。