跨既有铁路矮塔斜拉桥设计与转体施工

王富君

(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)

1 矮塔斜拉桥简述

矮塔斜拉桥的出现,使斜拉桥和梁式桥作为一个整体体系设计变成了可能。与一般斜拉桥不同,矮塔斜拉桥的竖向荷载由主梁和斜拉索共同承担,当斜拉索的承担率不同时,其结构受力特性也不相同。根据桥梁结构和施工方法确定斜拉索的承担率有很大的灵活性,但也是一个难点。根据相关资料统计,已建成矮塔斜拉桥的主梁梁高与跨度、主塔高度与跨度的关系如图1～图3所示,图中数据对拟定构造尺寸有帮助作用。

图1～图3中等效跨度L指3跨桥的最大跨径,2跨桥按最大跨度的1.8～2.0倍换算。图中数据表明,目前矮塔斜拉桥的最大跨度基本都在300 m以下,梁高、塔高与跨度的关系离散性也比较大,这也说明矮塔斜拉桥构造尺寸与斜拉索的大小及其角度有关系,也就是说与斜拉索承受主梁竖向荷载的分担率有关系,一般情况桥塔越高,斜拉索的分担率就越高。矮塔斜拉桥设计应从拟定的构造尺寸和预应力钢束配置情况,结合其施工方法,通过设计计算,根据主梁的挠度、应力、强度等结果综合分析,确定其预应力束配置以及斜拉索的竖向荷载分担率。

图1 跨中梁高与跨度关系

图2 墩顶梁高与跨度关系

图3 塔高与跨度关系

2 桥式方案选择

桥位处原道路采用下穿方式穿越铁路线,既有下穿桥在道路方向上长约40.8 m,桥上既有6股铁路线,均为电气化铁路,桥位处各种铁路用电力杆密集。既有下穿框架桥为3孔桥,中间孔为机动车道,两边孔为非机动车道。根据城市建设要求,原中间孔改为城市景观渠,机动车道需上跨铁路通过。

跨越既有铁路线桥梁施工时,为了尽可能降低桥梁施工对既有铁路正常运营的干扰,本桥最终确定采用2跨矮塔斜拉桥,墩顶平面转体法施工,根据T构浇筑和转体就位后后浇段支架边缘距铁路最小距离控制条件，跨度确定为2×70 m。

3 2×70 m矮塔斜拉桥设计与施工

该桥根据跨既有铁路线的实际情况,在铁路一侧平行铁路方向分段浇筑2×65 m斜拉T构,然后墩顶平面转体就位,浇筑长4.96 m后浇段。

3.1 构造形式

本桥为双向6车道,全桥总宽27.5 m,其中中央分割带3 m,两侧防护栏各0.5 m,两侧行车道各11.75 m,桥梁横断面见图4。

图4 桥梁横断面(单位：cm)

横断面采用单箱三室箱梁截面,斜拉索锚固于中室顶板下方,中室两侧腹板中心间距2.7 m。跨中中、边腹板厚分别为0.3 m和0.4 m,梁端处采用2.5 m长的过渡段,分别增厚至0.7 m和0.6 m。中墩中心两侧各22 m至19 m处中、边腹板分别增厚至0.5 m和0.6 m,中墩中心两侧各6.2 m至3.2 m处中、边腹板分别增厚至0.9 m和0.8 m。

端横梁厚2.0 m,索横梁厚0.4 m,中横梁在两边室处采用双壁形式,厚度1.5 m,净距离3.4 m,墩中心顶处采用平面尺寸为6.4 m×6.4 m的正方形实体,此处是为了拟合转体球铰尺寸。

主梁在S1索和中墩之间采用梁底圆曲线(半径111.25 m)过渡的变高截面,变化段长21 m,在此范围内,底板厚度先从25 cm渐变至70 cm,同样采用圆曲线过渡,变化段长18 m,然后从70 cm增厚至140 cm,变化段长3 m,中墩顶等高截面长6.4 m。见图5。

图5 成桥立面(单位：cm)

斜拉索采用163根φ7 mm平行钢丝,独塔双排布置,共28根斜拉索。桥塔锚固区为了配合锚具对称、交错布置所需尺寸,采用扩大构造尺寸、变截面的方式过渡,详见图6。

图6 桥塔、桥墩构造(单位：cm)

桥址处地基承载能力较弱,主桥墩又承载了桥梁绝大部分荷载,使主桥基础所需桩基较多(20根φ1.5 m钻孔灌注桩),承台平面面积大。转体时作用于球铰的荷载为永存荷载,球铰平面直径小,一般在4 m以下,若采用墩底转体方法施工,必须采用很厚的承台才能使分配于各个桩基的竖向力相对比较均匀,基坑开挖过深又不利于既有铁路框架桥路基的稳定,为了解决这个问题,本桥采用墩顶转体法施工,桥墩采用A形桥墩,详见图6,这样既降低了承台厚度,又优化了桩基受力,还减轻了转体重力。

3.2 设计荷载

梁体、桥塔的自重按γ=26 kN/m3计算；收缩徐变荷载根据规范计算,持续时间按10年考虑；边护栏和防护屏按26 kN/m计算,中护栏及路缘石按26.5 kN/m计算,桥面铺装按85 kN/m计算。活荷载根据规范按最多6车道加载计算,冲击系数根据成桥后桥梁恒荷载体系计算其竖向基频,根据最终计算结果,竖向基频为2.01 Hz,根据规范对应冲击系数为0.107,计算中按0.11取值。

梁体温度梯度根据桥面铺装厚度按规范取值；桥塔温度梯度按单侧升温或降温5 ℃计算,整体升温和降温分别按20、-25 ℃计算；索与主梁和桥塔的温差按15 ℃计算；成桥理论温度按20 ℃设计。

3.3 施工方案

该桥转体T构浇筑时离铁路很近,为确保铁路运营安全,相关部门要求采用满堂支架现浇施工。考虑到悬臂长65 m,若采用一次浇筑,混凝土硬化过程与支架产生不协调变形,可能会使梁体出现施工裂缝。为了尽可能规避这些不安全因素,设计时将65 m长梁体分为5段浇筑,每个阶段分别浇筑9、9、14.5、15、17.5 m,具体施工步骤如下。

(1)施工桥墩,在主桥墩顶安装转体球铰,试转后临时固定。

(2)浇筑第1阶段梁段,2×9 m,张拉T1预应力束，预应力束大样及编号详见图7。

(3)浇筑桥塔。

(4)浇筑第2阶段梁段,两端各9 m,张拉T2预应力束。

(5)浇筑第3阶段梁段,两端各14.5 m,张拉T3预应力束,张拉S1斜拉索，斜拉索编号见图5。

(6)浇筑第4阶段梁段,两端各15 m,张拉T4预应力束,按由外到内的顺序依次张拉S4、S3、S2斜拉索。

(7)浇筑第5阶段梁段,两端各17.5 m,张拉T5预应力束,按由外到内的顺序依次张拉S7、S6、S5斜拉索。

(8)浇筑两侧防护栏、安装防护屏,拆除支架,称重、施加配重,转体施工就位。

(9)搭设后浇段施工支架,浇筑后浇段梁段,两侧各4.96 m,按腹板、底板、顶板位置顺序对称张拉成桥预应力束。

(10)浇筑后浇段两侧防护栏、安装防护屏,施工中央分割带路缘石、安装钢护栏,桥面铺装。

图7 箱梁预应力束配置(单位：cm)

以上各个施工主梁浇筑阶段,均先张拉横桥向预应力,再张拉纵桥向预应力。本桥斜拉索采用一次张拉的方法,主梁和桥塔处均采用张拉端墩头锚,这样施工时可根据具体情况选择在塔上张拉或梁内张拉。

3.4 计算分析

对于该桥而言,横桥向设计与一般箱梁桥雷同,只是桥面板有无索区和有索区的区别,这里不再多述,下文主要对纵桥向设计进行阐述。

主梁按A类预应力混凝土构件设计,桥塔按钢筋混凝土构件设计,斜拉索成桥后(收缩、徐变完成后)安全系数按2.5设计、施工阶段按2.0设计。主梁、桥塔按平面杆系单元模拟；斜拉索按桁架单元模拟,施工阶段另用索单元进行校核。

根据施工步骤,桥梁在整个过程中有3个主要受力状态：

(1)在支架上分段浇筑、张拉预应力束和斜拉索过程。

(2)拆除支架,桥梁处于斜拉T构状态。

(3)成桥状态。

对于(1)状态,因梁体采用满堂支架分段现浇施工,梁体和支架每个施工阶段的受力状态是基于如下认识进行设计的：

①当张拉预应力束后,梁体对支架的作用力会重新分布,某些局部位置可能增大；

②斜拉索张拉后,梁体对支架的作用力会减小,支架的安全度会更高。

设计计算时,对支架的模拟按两种极端状态,即：不考虑支架支撑和只受压无限刚支撑进行分析。若两种模拟方法使梁体在各个施工步骤的最终状态下上、下缘应力满足规范要求,则梁体在支架上的中间状态也是安全的。这样的设计方法避免了设计阶段模拟支架精度不够而且烦琐的过程。

状态(2)完全处于斜拉悬臂T构状态,所有T构重力全部作用于桥墩上。此状态主要验算梁体、斜拉索的应力状态和梁端挠度。成桥(3)状态主要验算梁体应力、强度和索的应力。

通过初步分析计算,本桥施工阶段和成桥阶段主梁应力都不控制最终计算结果,计算分析焦点集中到了施工阶段梁体位移和成桥后主梁抗弯承载能力验算上。综合分析发现,适当增加桥塔高度可以在降低斜拉索索力情况下减小主梁在转体悬臂状态时挠度,而对成桥后梁体强度验算影响很小,故本桥采用桥塔高度比图3粗线对应值大些。

本桥每个斜拉索张拉阶段,梁体都未脱离支架(不考虑支架支撑时,梁体竖向挠度总是向下),受支架支撑的梁体变形相对较小,这就给张拉索力控制带来了很大方便,这也是设计之初考虑的一个因素。最终成桥索力采用递归计算方法,使成桥后短期效应组合下斜拉索最大应力控制在1 670/2.5=668 MPa,即索拉力值4 190 kN,考虑到《公路斜拉桥设计细则》中规定矮塔斜拉桥索的安全系数可采用1.67,本桥成桥恒荷载索力采用主梁收缩徐变完成后的索力。各个状态下斜拉索索力值见表1。

表1 各状态下斜拉索索力值 kN

表1中：T1为理论初始张拉力,该力用于计算索的无应力索长,本桥索两端坐标按理论成桥状态下塔端和梁端的锚固点计算；T2为转体状态索力；T3为初成桥恒荷载状态下索力；T4为按10年期考虑收缩、徐变完成后恒荷载状态下成桥索力；T5为汽车荷载引起的最大索力。

从表1可以看出,成桥后由混凝土主梁收缩、徐变引起的斜拉索索力下降较大。而主梁的抗弯刚度较大,斜拉索承担的汽车荷载较小。

成桥主梁预应力束配置数量由正截面下拉抗弯承载能力验算控制,因底板束产生的二次力较大,本桥采用了底板束与腹板束结合的配置方法,每条腹板配置1排(3根)腹板束,顶、底板束采用12-φs15.2,腹板束采用19-φs15.2,计算中未考虑普通钢筋的作用,将其作为安全储备考虑,预应力束配置详见图7,顶、底束采用平弯方式在腹板处锚固。

根据最终计算结果：转体状态时,梁端和各索横梁处的向下挠度值分别为80、55、42、30、20、11、5、1 mm。全桥墩顶以上总重11 0650 kN,桥塔重5 200 kN,桥面铺装、防护栏等二期恒载重19 250 kN。转体重力86 250 kN。转体时斜拉索竖向荷载分担率为(49 900-5 200)/(86 250-5 200)=55.2%,成桥初时(48 300-5 200)/(110 650-5 200)=40.9%,收缩、徐变完成后(43 800-5 200)/(110 650-5 200)=36.6%。纵向预应力束总质量86.4 t,指标值为26 kg/m3。

4 结语

随着国家铁路路网不断加密,跨越既有铁路桥梁也随之增加,铁路作为国家经济大动脉,任何对铁路正常运营干扰,都会给国家经济造成巨大的损失。大悬臂平面转体施工法,因其在铁路上方操作的时间很短,大大降低桥梁施工对既有铁路线正常运营的干扰。在梁桥基础上结合斜拉索优点的矮塔斜拉桥,不仅提高了梁桥的跨越能力,同时降低了梁高,降低梁高即缩短了桥梁整体长度,也减少了桥梁转体施工及成桥后的重力,降低了桥梁基础造价。故从施工安全性和经济性考虑,对中等跨度的跨越既有铁路线桥梁,平面转体法施工的矮塔斜拉桥有很大的优越性。

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