北京市六环路斜拉桥设计

刘永锋

(中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院,北京 100055)

1 工程概况

北京市六环路斜拉桥是北京市六环路良乡至寨口段工程的一部分,位于北京市门头沟区三家店村。本桥为(56+100+70+37)m 4跨连续双圆柱子母塔单索面W形截面主梁的预应力混凝土曲线斜拉桥,其平立面布置如图1、图2所示。主塔高33 m,采用塔、梁、墩固结体系；子塔高19 m,采用塔、梁固结体系。主梁梁高3 m,顶板宽30.26 m,底板宽12 m,截面超高0.588%～4%。

全桥位于缓和曲线(A=533.854)+圆曲线(半径为950 m)及纵坡(2.038%)+竖曲线(半径为7 000 m)+纵坡(-2.174%)的曲线上,线形比较复杂。

主墩高21.5 m,主桥采用在3号墩墩顶转体施工,单铰转体重力150 000 kN,转体结构总长182 m,最大悬臂长度92 m,平转角度40°。

图1 北京市六环路斜拉桥立面布置(单位：m)

图2 北京市六环路斜拉桥平面布置(单位：m)

2 设计标准

(1)道路等级：高速公路

(2)桥面宽度：桥梁全宽30.5 m。桥面布置为0.75 m(防护栏)+0.5 m(路缘带)+3×3.75 m(车行道)+1.0 m(路缘带)+3.5 m中央分割带+1.0 m(路缘带)+3×3.75 m(车行道)+0.5 m(路缘带)+0.75 m(防护栏)=30.5 m。

(3)地震基本烈度：8度。

(4)风压：基本风压强度W0=600 Pa。

(5)桥下净空：桥下铁路净高不小于9 m。

3 方案构思

3.1 工程条件

(1)主跨跨越丰沙铁路,丰沙铁路为2股道,电气化铁路；丰沙铁路路基高于现况地面11 m,考虑铁路限界要求后结构顶面距地面高约25 m,客、货运交通十分繁忙,平均每8 min有1趟列车从桥下通过。

(2)本桥是北京市重点工程,奥运会前必须完成大桥的转体施工,相应的工期只有8个月时间,工期紧。

(3)桥址处地表土层厚约4 m,其下为厚约50 m厚的卵石层,必须选择合适的基础形式,确保工期。

(4)桥位处铁路位于高路堤段,必须采取合理的结构形式及必要的防护措施,保证铁路运营安全。

(5)桥位处铁路北侧地形较平坦,铁路曲线向左弯曲,本桥曲线向右弯曲,有利于桥梁沿铁路线支架现浇施工。

(6)本桥位于六环路上,为与引桥及引道平顺连接,位于缓和曲线和圆曲线上,圆曲线半径为950 m,竖曲线半径7 000 m,空间曲线复杂。

3.2 方案构思

既有的转体桥均采用墩底转体的方式,但当桥墩较高或桥墩体量较大时,采用墩底(基底)转体方式会导致转体重力大大增加,球铰、上下转盘体量也相应增大,基础尺寸和主跨跨径也相应增大。墩顶转体具有如下优点：转体时少了桥墩的重力,转体重力显著减小,降低了球铰、转体结构的设计难度,能够有效地提高了结构可靠性。转体结构布置于墩顶,承台和桩基结构尺寸较小,便于桥跨布置,有利于减小主跨跨径和转体长度,造价较低。

初步设计中对采用墩顶与墩底转体施工方案作了比较,本桥主墩高21.5 m,采用墩顶转体可以减小转体重力,本桥采用墩顶转体施工方法,主跨跨径取100 m就能跨越铁路,转体重力150 000 kN,主墩(3号墩)基础距铁路路堤坡角线最小距离为2.65 m,左中墩(2号墩)基础距铁路路堤坡角线最小距离为0.96 m,基础施工不影响路堤。本桥若采用墩底转体施工方法,增加了21 m高桥墩的重力(约30 000 kN),转体重力将达180 000 kN,这又会加大转体结构尺寸,导致增加主跨跨径,主跨跨径115 m才能跨越铁路。现有的加工设备还不能直接生产180 000 kN球铰,必须升级设备,升级费用比一个球铰价格还多。

在墩顶设置平转体系,沿铁路线北侧搭设支架现浇斜拉桥的主塔和约182 m长梁体,张拉斜拉索后就形成了受力合理的平衡转动体结构,能在很短的时间(90 min)内将结构平转到最终桥位,这就是墩顶转体斜拉桥的方案构思。

经反复论证,决定采用墩顶转体法施工的子母塔预应力混凝土曲线斜拉桥设计方案,通过新技术、新工艺的应用,确保铁路运输安全和畅通,从而取得良好的社会效益和经济效益,降低桥梁造价,在建设中充分体现“科技北京”的指导思想。

4 结构设计

4.1 索塔

图3 主梁拉索锚固点处横截面(单位：cm)

索塔采用双圆柱造型,挺拔秀美。主塔与子塔采取高度不等的错落布置。主塔承受转体过程中主梁荷载及主跨桥长70%的荷载,并与主梁固结,成为对全桥的纵向水平约束和抗扭转的刚性节点。因为主塔承受较大的竖向荷载,促成截面尺寸的增大而具有较大的约束刚性,从而也使主梁在长大悬臂转体施工中具有良好的稳定性。子塔上的斜拉索在主梁合龙后张拉,可以分担2号墩墩顶的主梁负弯矩,减小主梁上缘拉应力。

主塔和子塔均是由上塔柱、中塔柱(斜拉索锚固区)、下塔柱组成的框架结构,索塔为C55钢筋混凝土结构。

主塔高33 m：上塔柱为6.82 m装饰段,双圆截面,外径为2.4 m；中塔柱10.5 m,为拉索锚固区,圆端形截面,截面的纵向宽度为5.8 m,横向宽度为2.4 m；下塔柱高度为15.68 m,双圆截面,中心间距为3.4 m,外径为2.4 m,桥面以上1 m范围采用与中塔柱一样的圆端形截面。在塔柱内部均匀布置8根宽翼缘热轧T型钢并用角钢连接成桁架体系,一方面加大截面配筋率提高了抗震能力,另一方面作为劲性骨架定位钢筋及模板。

子塔高19 m：上塔柱为5.9 m装饰段,双圆截面,外径为2.0 m；中塔柱4.6 m,为拉索锚固区,圆端形截面,截面的纵向宽度为5.0 m,横向宽度为2.0 m；下塔柱高度为8.5 m,双圆截面,中心间距为3.0 m,外径为2.0 m。

索塔设计的难点在中塔柱索鞍区、中塔柱与下塔柱变截面处、下塔柱与主梁相接处。设计时建立空间模型进行内力分析,根据分析结果,中塔柱索鞍区在分丝管外配置螺旋箍筋,以约束周边混凝土;在分丝管的端面凹角处配置点焊的加强钢筋,以加强有拉应力集中的角隅;在2根平行拉索分丝管的下方,配置横向钢筋,钢筋长度覆盖全宽,层间距上密下疏,以克服横向拉应力。中塔柱与下塔柱变截面处和下塔柱与主梁相接处的主拉应力主要是由纵桥向应力引起的,采用增设纵向预应力钢筋的方法解决,中塔柱与下塔柱变截面处布置了3层13-7φ5钢绞线共18束,下塔柱与主梁相接处布置了4层13-7φ5钢绞线共8束。

4.2 主梁

主梁采用W形腹板截面单箱三室C55预应力混凝土结构(图3),顶板宽30.26 m，底板宽12.0 m，线路中心线处梁高3.0 m。箱梁顶板厚28 cm,底板厚26 cm,悬臂板根部厚57 cm，端部厚20 cm。为了将转体部分曲线箱梁的重心尽量调整到箱梁中线处,箱梁截面横坡按设计超高制作,外侧腹板高于内侧,将内、中、外腹板的厚度分别定为40、30、30、60 cm,外侧腹板与水平向夹角21.7°～29.8°,内侧腹板与水平向夹角21.7°。

该布置特别适用于在截面中线锚固的单索面斜拉桥结构,顶板及中间两腹板受拉,底板及两侧腹板受压,将索力传递至全截面承担。通过这种W形腹板的设置方式,起到了传统箱梁横隔板的传力作用,取消了拉索锚点处横隔板,简化了箱梁构造,改善了运营期间的检查维修条件。根据传力途径,顶板配置横向预应力筋(图4),横向预应力筋为1 860 MPa高强低松弛4-7φ5、5-7φ5钢绞线,锚具为BM15-4(P)、BM15-5(P)。中间两腹板配置竖向预应力筋,竖向预应力筋为1 860 MPa高强低松弛7-7φ5钢绞线,由于竖向预应力筋较短,张拉端采用低回缩锚具M15DHS-7来降低回缩损失,固定端采用M15-7P。为了布置竖向预应力筋锚具,斜拉索锚固范围内箱梁顶板局部加厚,此构造可以起到减小锚点局部应力作用,运营期间兼具斜拉索防撞作用。

主梁纵向预应力筋为极限强度1 860 MPa高强低松弛27-7φ5、19-7φ5、5-7φ5钢绞线,锚具分别为M15-27、M15-19、BM15-5夹片锚。

图4 主梁拉索锚固区横、竖向预应力筋布置(单位：cm)

4.3 斜拉索

斜拉索的可靠与耐用是斜拉桥长期安全运营的关键。本桥的拉索体系由拉索锚具、索体抗滑锚固装置、索鞍、索体组成。拉索锚具采用可换索式M15-61及M15-43群锚体系,应力幅250 MPa。拉索采用61根及43根PE包裹防护钢绞线平行组合,再套以全圆形高密度聚乙烯(HDPE)护筒,而形成的多层严密防护的构造。PE包裹防护钢绞线以环氧喷涂钢绞线为主材,在其表面涂敷防腐油脂后热挤高密度聚乙烯护套而制成。基于环氧喷涂钢绞线本身的优异防腐性能,加上防腐油脂、热挤高密度聚乙烯护套所具有的耐候性、抗磨性及全防水结构,使得这种PE包裹防护钢绞线具有可靠的防护功能。

斜拉索在主梁箱内锚固,在桥塔上设分丝管式索鞍通过,单根钢绞线逐一张挂和张拉,采用两端张拉,用专门的夹片锚具直接在梁内锚固,拉索工作长度应根据实际采用的张拉千斤顶调整。整索张力的建立是通过等张力法的理论概念进行逐根张拉并以传感器监控,达到单根受力基本一致。在所有斜拉索张拉结束后就位塔两侧的抗滑锚固装置。采用分丝管式索鞍,能有效改善塔内应力分布,起到分散、均匀载荷的作用,同时解决了传统拉索体系不能单根调索、换索的问题。

主塔设斜拉索11对,S1～S6由2根φ15-43钢绞线拉索构成,S7～S11斜拉索由2根φ15-61钢绞线拉索构成；子塔设斜拉索4对,S12～S15由2根φ15-43钢绞线拉索构成,斜拉索间距沿主梁上缘及塔中线分别为5 m及0.8 m。

转体时设置纵向临时斜拉索SL和横向临时斜拉索SH。纵向临时斜拉索SL采用2根φ15-43钢绞线拉索,转体完成后,其拉索可用于子塔斜拉索。横向临时斜拉索SH采用2根φ15-12钢绞线拉索。

主梁位于曲线上,斜拉索梁上锚固点向曲线外侧偏移0.5 m,主塔向曲线内侧偏移0.25 m,子塔向曲线外侧偏移0.15 m,显著减小了索塔横向弯矩及主梁的扭转效应。

4.4 主墩及墩顶转体系统

主墩(3号墩)采用边距为6～12.0 m的六角形花瓶式桥墩,墩高21.5 m,墩顶2.5 m范围内布置转体系统(图5～图6),转体完成后与主梁固结,形成塔梁墩固结的斜拉桥体系。

图5 转体系统立面(单位：cm)

图6 转体系统平面(单位：cm)

受墩顶空间限制,上转盘共设6组撑脚,每组撑脚由2个直径600 mm的钢管混凝土柱组成,撑脚中心线直径为9.6 m。与之对应,下转盘设有直径为9.6 m的下滑道及8组千斤顶反力座,撑脚与下滑道的间隙为4～6 mm,千斤顶反力座用于转体的启动、止动、姿态微调等。牵引索反力座对称设于六边形截面的角隅,并使其转体期间与主梁不冲突。

转体过程中墩顶受力极复杂,中心受球铰150 000 kN压力,撑脚最不利工况反力21 640 kN,牵引索反力座牵引力按2 000 kN计算,对此墩顶采取0.75 m等截面布置,并配置45°方向骨架钢筋(图7),墩顶5 m高范围采用C50混凝土,其余采用C40混凝土。

图7 横桥向骨架钢筋布置(单位：mm)

主梁转体段(图8)长度为182 m(里程从K28+364.654到K28+546.654),缓和曲线段长度为158.777 m,圆曲线长度为23.223 m。其中从K28+364.654至K28+403(长度为38.346 m),曲线内外侧超高同时由2.7218%渐变为4%,从K28+403至K28+546.654(长度为143.654 m),曲线内外侧超高为4%。

图8 曲线梁重心控制示意(单位：cm)

复杂的曲线线形、横坡设置及较小的曲线半径给转体重心的控制造成很大麻烦,为了将转体部分曲线箱梁的重心尽量调整到箱梁中线处,箱梁截面横坡按设计超高制作,外侧腹板高于内侧,将内、中、外腹板分别定为40、30、30、60 cm,切割曲线内侧125 m长悬臂板,转体前曲线外侧的防护栏及挂板全部施工完成,曲线内侧只施工跨铁路部分及边跨对应部分。转体结构的计算重心位置顺桥向偏向边跨0.09 m,横桥向偏向曲线内侧0.202 m,球铰在墩顶横桥向向曲线内侧偏移0.2 m,转体时由球铰及边跨侧的撑脚组成稳定的支承体系,并且绝大部分重力由球铰支承。

4.5 墩台与基础

本桥主墩(3号墩)及中墩(2、4号墩)采用六角形花瓶式独柱墩,桥墩造型美观,在主墩墩顶2.5 m内布置上下转盘和球铰,转体完成后与主梁固结形成刚构,2、4号墩墩顶横向布置两个支座,以提供一定的抗扭强度,并释放温度力。主墩和中墩采用圆形沉井基础,以尽量减小主桥跨度及对铁路路堤的干扰。1、5号墩采用切角矩形墩身,其形式与引桥一致,上设预应力混凝土盖梁,下为矩形承台及钻孔桩。

图9 3号沉井构造(单位：cm)

3号沉井(图9)采用圆形沉井,在下沉过程中易于控制；使用抓泥斗抓土,要比其他形式的沉井更能保证其刃脚均匀地支承于土层上；当圆形沉井四周承受相同的侧向压力时,井壁只受轴向力；尤适于作圆形或正多边形桥墩的基础。沉井在底节与第二节间设10 cm的台阶,其上外壁竖直,以减小沉井外壁摩擦力,便于下沉。此台阶宽度亦是形成泥浆套的宽度。井壁厚2.5 m,以提供强度和下沉需要的重力。沉井在卵石土中下沉,下沉较深,故采用钢刃脚,外侧高0.5 m,内侧高3.5 m,踏面宽16 mm,内侧比外侧高是考虑遇到大漂石爆破时保护刃脚不受损。顶板厚5 m,采用钢筋混凝土结构,采用预制的钢筋混凝土井孔盖板作为灌注沉井顶板混凝土的底模板。封底混凝土厚4.5 m,上面有0.5 m厚的钢筋混凝土底板,满足施工阶段及运营阶段承受基底水和土的向上反力。沉井中间设置十字隔墙,隔墙厚1 m,将沉井分成4个井孔,以缩短井壁跨度,减小井壁弯矩,将顶板、底板、井壁联成整体,便于将力均匀地传给地基。在距刃脚底面3.75～4.75 m位置设置沉井凹槽,目的是为将封底混凝土下面基底反力传递至井壁上和增强封底混凝土和井壁的联结。

2号、3号沉井边离既有丰沙铁路路堤很近,沉井下沉会影响丰沙铁路路基的稳定,为保证铁路路基的稳定和列车的安全运行,在铁路每侧插打两排钢管桩,在两排钢管桩之间布置φ1.2 m混凝土钻孔灌注桩,桩长超过沉井刃脚5～8 m。在沉井下沉施工的整个过程中,对铁路路基上、中、下设置的9个观测点进行实时监控。

本桥线形由缓和曲线和圆曲线组成,通过设置合理的支座偏心距,使恒载作用下曲线内外侧支座受力均匀,各墩支座偏心距设置及支反力见表1。

表1 支座偏心距设置及支反力

5 结语

北京市六环路斜拉桥根据跨越丰沙铁路的条件设计的预应力混凝土曲线斜拉桥,采用双圆柱子母塔单索面W形腹板箱形截面,墩顶转体,结构新颖。与三家店水库及其山地背景相呼应,形成了一处新景观,成为北京市六环路的标志性建筑；该工程已于2009年9月12日通车运营。

完成的墩顶转体重力150 000 kN、转体悬臂长92 m、曲线半径950 m研究成果,综合指标居世界同类型桥梁的首位,最大限度地减少了大桥施工期间对铁路运营干扰,有效地缩短了施工工期,取得了良好的社会效益和经济效益。

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[2] 徐升桥,陈国立，柳学发，等.北京市五环路曲线斜拉桥转体施工设计[J].铁道标准设计,2003(10)：1-5.

[3] 杨 进,邵长宇,孙叔禹，等.主跨348 m+348 m三塔单索面PC梁斜拉桥[J].桥梁建设,2002(1)：63-66.