张家口市沙城文昌南路上跨京包铁路立交桥主桥设计

杜　威

(武汉华宸土木工程技术咨询有限公司　武汉　430071)

张家口市沙城文昌南路上跨京包铁路立交桥主桥设计

杜威

(武汉华宸土木工程技术咨询有限公司武汉430071)

摘要以跨越铁路站场桥梁设计实例为背景，介绍该桥设计特点。其中斜拉索锚固设计为该桥的设计重点及核心，主塔采用交叉锚固方式，主梁采用顶板加厚齿块锚固方式。采用ANSYS空间计算程序对主梁斜拉索锚块及拉索横梁进行了计算分析，计算结果反映了主梁斜拉索锚固构件的受力特点及应力分布情况，同时根据计算结果进行原因分析及研究，保证了斜拉索锚固系统的可靠性。

关键词部分斜拉桥斜拉索锚固铁路站场

本项目为上跨京包铁路(沙城西铁路站场)立交桥工程，为文昌南路建设的控制性工程。主桥跨越既有铁路线由南向北依次为：货场1号线、4号线，站修线、驼峰线，西牵出线，京包铁路下行线，四道站线，丰沙铁路下行线，京包铁路上行线共计9股既有线及规划京张城际铁路双线。

1桥梁方案比选

铁路站场既有线股道较多(6股)，最南侧股道(西迁出线)与最北侧股道(京包铁路上行线)线路距离为32.73 m。各股道线间距较小(最大为6.96 m)，股道间无法设置永久桥墩及临时墩。预制架设及顶推方案均无法实施，上跨桥梁考虑采用转体施工方法跨越铁路站场。

经铁路部门及规划部门专家论证，最终批准采用30 m+79 m+75 m+38 m四跨连续部分斜拉桥跨越沙城西铁路站场，其中转体长度为2×69 m。

2主要技术标准

(1) 道路等级。城市主干道II级标准。

(2) 设计荷载。城-A级，人群荷载取3.0 kN/m2。

(3) 设计行车速度。50 km/h。

(4) 地震。地震动峰值加速度值为0.20g。

3总体设计

桥梁平面位于直线和R=5 000 m的左偏圆曲线上，纵面位于直线及R=3 000 m的凸形竖曲线上。主桥布置为30 m+79 m+75 m+38 m，采用墩、塔、梁固结的独塔单索面预应力混凝土箱梁部分斜拉桥，索塔高度与中跨跨度的比例为0.38,主梁与主跨的高跨比为1/28.3[1]。箱梁转体长度2×69 m，转体角度为65°，转体重量约为14 500 t，见图1。

主桥横断面布置为：(0.5 m防撞护栏+2 m人行道+3.0 m非机动车道+7.5 m车行道+0.5 m防撞护栏)×2+2 m中央索塔区=29 m。见图1。

图1　主桥立面总体布置图(单位：cm)

4结构设计

4.1　主梁设计

主梁采用单箱三室斜腹板截面，其顶板宽29.0 m，底板宽19.0 m，悬臂长3.5 m，梁中心处高2.79 m，外腹板斜率为197∶150。箱内顶板厚36 cm、底板厚30 cm，悬臂板根部厚60 cm、端部厚20 cm。主桥箱梁采用三向预应力体系，纵向、横向预应力钢束均采用公称直径ΦS15.2 mm的预应力钢绞线；竖向预应力钢筋采用公称直径JL32 mm的精轧螺纹钢筋。

4.2　桥塔设计

主塔结构竖向分为3个部分，上部为斜拉索交叉锚固部分，截面尺寸为4.0 m×4.0 m，高度为20 m；中部为变化段，其横桥向尺寸从上至下由4.0 m渐变为2.5 m，顺桥向尺寸从上至下由4.0 m渐变为4.6 m，高度为2.0 m；下部为主塔根部，横桥向尺寸为2.5 m，顺桥向尺寸从上至下由4.6 m渐变为7.0 m，主塔自箱梁顶面至塔顶总高度为30 m。

4.3　斜拉索设计

全桥共设置7对斜拉索，每组斜拉索由2根PES7低应力新型索体的双层PE热挤聚乙烯拉索构成。斜拉索钢丝采用fpk=1 670 MPa高强低松弛镀锌钢丝，其中S1～S2(S1′～S2′)拉索截面组成为241φ7，S3～S7(S3′～S7′)拉索截面组成为253φ7。斜拉索锚具均采用张拉端冷铸锚锚具。

4.4　下部结构设计

主墩采用H型截面桥墩，墩高8.3 m，顺桥向宽7.0 m，横桥向宽12.0 m，两侧壁厚1.5 m，中间壁厚3.0 m，3个墩壁的下端均设置1.5×1.0 m倒角，横向壁与纵向壁之间设置0.5 m×0.5 m倒角。为方便桥梁的转体施工，将主墩底部3.0 m部分设置为边长12 m的正方形上转盘，转体完成后与承台固结。

4.5　转体系统设计

转体系统为该桥实施转体施工的关键部位，由上转盘、下转盘以及牵引系统组成。下转盘主要构件组成包括下球铰及其骨架、下滑道及其骨架、中心定位轴、千斤顶反力座；上转盘主要构件组成包括上球铰及其骨架、撑脚；牵引系统主要构件组成包括牵引反力座、牵引索。

5斜拉索锚固设计

5.1　主塔斜拉索锚固

主塔斜拉索锚固采用交叉锚固形式。主塔交叉锚固可以有效抵消两侧斜拉索对主塔的水平拉力，使主塔仅承受斜拉索产生的竖向压力。有效降低了主塔高度,主塔稳定性较好，见图2。

图2　主塔顺桥向剖面图(单位：cm)

5.2　主梁斜拉索锚固

斜拉索主梁锚固采用箱梁顶板加厚齿块锚固形式[1]。这种锚固方式，有效地减小了主梁结构高度，同时保证箱梁内斜拉索有足够的张拉空间，见图3～图4。

图3　斜拉索梁上锚固齿块纵向剖面图(单位：cm)

图4　斜拉索梁上锚固齿块纵向剖面图(单位：cm)

在每道斜拉索的箱梁锚固处设置拉索横梁，配置横向及斜向预应力使顶板斜拉索锚固齿块与拉索横梁形成受力整体，确保锚固点处箱梁刚度，使斜拉索拉力合理扩散至箱梁全断面，见图5。梁上斜拉索实景照片见图6。

图5　拉索横梁预应力布置图(单位：cm)

图6　拉索锚块实景照片

5.3　主梁斜拉索齿块局部计算

箱梁斜拉索齿块受力复杂，采用空间有限元进行受力分析。全桥采用1/2模型，其中共采用空间实体单元258 624个，实体单元上的节点74 162个；杆单元33 623个，杆单元上的节点34 212个。边界条件为：在箱梁梁端支座位置设置竖向、横桥向位移和纵桥向转动约束；在箱梁塔梁结合处的底板设置3个方向位移和转动约束，在塔梁结合处的对称位置设置对称约束。建立的有限元模型见图7。

图7　梁上拉索锚块有限元模型

(1) 斜拉索锚固点处应力分析。隔墙内锚固点处由于局部荷载效应作用发生应力集中现象，锚固板后面的混凝土拉应力在2.0 MPa以下，其余的横梁部分为压应力。顶板增厚块上有1 MPa左右的拉应力，可采用普通钢筋加强，见图8。

图8　箱梁应力图

(2) 拉索横梁应力分析。从横梁的应力分布可以看到，跨中的S4号索的横梁上拉应力较大且拉应力区也较大，最大拉应力值达2.1 MPa，见图9～图11。

图9　拉索S4锚点处箱梁应力图

图10　拉索S4锚点处箱梁顺桥向正应力图

图11　拉索S4锚点处箱梁横桥向正应力图

(3) 增厚块周围顶板应力分析。增厚块之间的凹槽内拉应力较大(1.5 MPa以上)，几乎均为拉应力，因此设计时，凹槽内普通横向钢筋的布置应予以加强。

(4) 原因分析。本模型的计算是在没有计自重的前提下，同时没有考虑顶板普通索的作用，只是针对设计额外配置的横梁内的预应力束来作验证的。所以顶板和隔墙上的拉应力比较大。因此如果考虑普通的横向预应力钢束和隔墙预应力钢束共同作用的情况下，横梁和顶板均能满足设计要求。

综上可得，该桥的隔墙预应力钢束的布置能满足设计要求。但对局部应力集中的区域应采用普通钢筋加强。

6结构静力计算

6.1　结构计算模型

上部结构纵向总体计算采用平面杆系模型，静力分析计算考虑了恒载、活载、徐变、温度、汽车制动力、预应力、强迫位移及施工荷载等[2]，结构离散图见图12。

图12　结构离散图

6.2　运营索力

最大、最小运营索力分别为12 810 kN，10 560 kN，最大拉索应力幅76 MPa，满足要求。

6.3　主梁应力

短期效应下，主梁上缘最大压应力为12.7 MPa，下缘最大压应力为13 MPa；长期效应下，主梁上缘最大压应力为8.3 MPa，下缘最大压应力为12.3 MPa，长、短期效应下主梁上、下缘均不出现拉应力。

7结论

(1) 该桥具有结构新颖、轻巧美观、受力合理、整体性好、振动小、行车既适等特点。

(2) 部分斜拉桥跨越铁路站场，收到了较好的受力和视觉效果。

(3) 斜拉索顶板锚固，解决了张拉空间的问题。

(4) 该桥的顺利建成，表明计算正确，各细部尺寸拟定合理，设计具有可取和独到之处。

(5) 跨越铁路站场桥梁设计受到的限制条件较多，该桥的成功实现可为同类桥梁的设计和施工提供范例。

参考文献

[1]王伯惠.斜拉桥结构发展和中国经验[M].北京：人民交通出版社,2003.

[2]范立础.桥梁工程[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