大跨径轨道专用悬索桥的设计及施工风险评价

郝付军,宋一凡

(1.陕西铁路工程职业技术学院,陕西 渭南 714099; 2.长安大学公路学院,陕西 西安 710064)

进入21世纪以来,我国的城市化进程快速发展。随着城市人口的增加,城市交通越来越拥堵,加快市政工程建设成为了国内各城市解决交通拥堵的主要策略。地铁、城轨等室内交通工程蓬勃发展,据统计:截至2019年12月31日,中国内地已经有40个城市开通了城市轨道交通(不含有轨电车)。作为城市轨道交通的重要形式之一,轻轨在中国的运营里程达到了255.4 km[1]。由于轨道交通对桥梁刚度要求高,大跨径悬索桥在铁路和轨道交通工程中很少采用。悬索桥因造型优美、跨越能力强等优点,当地形条件受限,桥梁景观要求高时,悬索桥成为了城市轨道工程桥梁的备选方案之一,大跨度悬索桥逐渐应用在中国内地的铁路和轨道交通工程中[2-3]。由于悬索桥施工难度大,在工程施工开工前,必须对其施工过程中的安全性进行深入分析及研究,合理确定其施工风险,进而避免各类施工事故的发生[4-5]。针对市政工程悬索桥的施工与设计,国内科研与施工技术人员进行了大量研究,并将研究成果应用到此类工程的设计与施工之中。张海顺等[6]提出了两种悬索桥的转换方案,并对二者进行了对比研究,确定了合理的施工方案,有效指导了现场施工。陈东巨[7]对公轨两用的单跨悬索桥进行了参数分析及受力特征研究,为类似工程研究积累了经验。唐贺强等[8]对铁路悬索桥的可行性进行了研究,从多方面验证该类桥梁实施的可行性。作为柔性结构桥梁,悬索桥的施工安全及风险评估是桥梁工作者研究的另一个重点。唐承铁等[9]利用LEC法对公路桥梁的施工风险进行评价,分析了不同阶段的安全风险,避免了风险事故的发生。张强等[10]对桥梁的结构风险进行了评价分析,有效保证了桥梁生命周期的风险控制。史增朝等[11]从定性角度分析临近桥梁拆除对既有桥梁的影响程度,有效指导了现场施工的风险控制。由目前国内外已经发表的文献可知,当前对于轨道用自锚式悬索桥的研究,大多侧重于设计计算方法和理论分析研究,而未从轨道专用悬索桥施工风险方面开展系统研究,本次研究针对这一特点,以鹅公岩轨道专用桥为例,采用层次分析法和P×C法,建立风险评价体系,进行结构施工风险分析。

1 工程概况

鹅公岩轨道专用桥连接重庆市九龙坡区与南岸区,是重庆市轨道环线的重要节点工程之一。该桥梁为特大型桥梁,横跨长江,全桥跨径组合为7×46+50+(211+600+211)+25=1 419 m,桥面总宽35.5 m,主桥西锚碇为钢筋混凝土重力式锚碇,东锚碇为隧道式锚碇,引桥为预应力混凝土简支T梁。该桥采用高强平行钢丝束做双主缆,采用锌铝合金镀层Φ7平行钢丝做吊杆;主缆间距为33.5 m,垂跨比1/10。鹅公岩轨道专用桥与既有鹅公岩大桥相邻,两桥中心距离70.0 m,净距不足45.0 m,新桥位于既有桥梁上侧。为满足通航及行洪要求,该桥梁与既有桥梁跨径布置相同。该桥的建设对于缓解重庆市内交通、加强南岸区与九龙坡区的连接具有重要意义。

鹅公岩轨道专用桥采用自锚式悬索桥桥型,主梁采用钢-混结合梁,主缆锚固段和锚跨段采用预应力混凝土箱梁,其余部分采用钢箱梁,二者连接处设置钢混结合段以确保钢箱梁和预应力混凝土箱梁的有效连接。悬索桥主塔基础采用Φ3.0m灌注嵌岩桩;两个主塔塔顶高度一致,塔身外观呈门形,桥塔两侧立柱,竖向内收,与老桥塔相同;锚墩采用双柱式桥墩,基础采用Φ2.0 m灌注嵌岩桩。该桥纵断面如图1所示。

图1 鹅公岩轨道专用桥纵断面示意图(单位:cm)Fig.1 Longitudinal section of exclusive bridge for Egongyan track (unit:cm)

根据鹅公岩轨道专用桥的功能定位与要求,进行了详细设计,主要参数及标准如下。

1.1 混凝土主梁段设计

预应力混凝土箱梁采用C55高性能混凝土,其设计方案如下:

(1) 总体方案 主缆通过锚固段顶板索孔后,散开锚固在锚固横梁上,锚固横梁将主缆传递的压力均匀分散到锚固段箱梁截面上,箱梁横断面如图2所示。在钢箱梁与混凝土梁段之间设置结合段,确保二者衔接安全、可靠。在预应力混凝土箱梁段设置散索锚室,并安装除湿设备,保证散索锚室内部湿度≤45%,以提高主缆钢丝和散索鞍的耐久性。

图2 混凝土箱梁断面示意图(单位:cm)Fig.2 Cross section diagram of concrete box girder (unit:cm)

(2) 结构布置 锚固段与锚跨全长约86 m,锚跨长约50 m,锚固段长约36 m。其中锚跨梁底曲线采用1.8次抛物线,梁高由4.5 m渐变至10 m,采用单箱三室箱梁截面。锚固段采用单箱多室结构,箱室数量根据受力及构造需要进行局部变化。由于锚固段有主缆轴向压力的作用,其纵向设计为钢筋混凝土结构,仅在其与钢混结合段相接位置布置少量预应力钢筋。此外,在钢-混结合段的隔板、支承和锚固横梁等处均通过横向预应力钢筋施加预应力,并设置竖向预应力钢筋于腹板内。

(3) 结构构造 顶板:根据受力需要,锚跨顶板厚度取32 cm,锚固段顶板厚度取55 cm,与钢混结合段相接处的局部顶板厚度加厚到75 cm。

底板:经计算分析确定锚跨的底板厚度为30～70 cm,在锚跨梁高曲线变化段内按1.8次抛物线变化,锚固段底板厚度取50 cm,与钢混结合段相接的局部底板厚度加厚到70 cm。

腹板:经计算分析确定锚跨的腹板厚度为55～80 cm,锚固段范围内腹板厚度取100 cm,与钢混结合段相接局部位置,腹板厚度按标准段钢箱梁腹板厚度比例设置。

横梁与隔板:根据受力需要并按照构造要求,锚固横梁厚度为550 cm,支撑横梁厚度为150 cm,锚跨端横梁厚度为250 cm,结合段横梁厚度取150 cm,钢混结合段隔板厚度取100 cm,锚跨隔板厚度取50 cm。

风嘴:预应力混凝土梁段与标准钢箱梁段的风嘴结构一致,并在相应位置预设预埋件焊接安装。风嘴内设纵向排水槽。

1.2 钢主梁设计

(1) 横断面 该桥钢箱梁采用带风嘴的扁平流线型截面,其中梁高4.5 m,总宽度为22 m(不计入风嘴时顶板宽19.02 m),底板宽11.00 m。箱梁内设置4道实腹式中腹板,位置与轨道对应。斜底板同时兼底板、腹板的功能,吊杆锚固于边腹板之外。钢主梁断面示意图如图3所示。

(2) 梁段划分 根据钢箱梁结构构造并考虑施工技术,将全桥钢箱梁划分为6种类型,其中A和C代表主塔附近梁段;B梁段长度15 m;E梁段长度7.5 m;D表示边跨合龙段,长10 m;F表示中跨合龙段,长8.6 m。钢箱梁的安装采用桥面吊机吊装,

图3 钢主梁断面示意图(单位:cm)Fig.3 Section diagram of steel main beam (unit:cm)

吊装的最重节段约为408.4 t。钢混结合段设置在边墩主缆混凝土锚固梁段和标准钢梁之间。在A梁段区域不设置风嘴。

(3) 结构构造 顶板:根据设计计算,顶板的厚度为32～44 mm。不同厚度顶板对接时,顶板上缘保持齐平。接缝施工时,首先将厚板按照1∶8的坡度加工成与薄板一致的厚度后再进行焊接。顶板设置工字肋加劲肋,钢板厚25～32 mm,高260～320 mm。顶板及其加劲均采用Q420qE钢板。

底板:根据设计计算确定钢箱梁水平底板厚度取32～44 mm。不同厚度底板对接施工工艺及加劲肋设置与顶板相同。

斜底板:根据设计计算确定钢箱梁的水平底板厚度为32～44 mm。不同厚度斜底板对接时,斜底板外缘保持齐平。施工工艺与顶底板相同,其加劲肋高度为260～350 mm。

中腹板:中腹板板厚20 mm,中腹板上共布置T形加劲肋5道,T形加劲腹板厚10 mm、高250 mm,翼缘厚14 mm、宽120 mm。除支座附近梁段外,每个梁段设置中腹板人洞,人洞高1 000 mm、宽700 mm,中腹板1和中腹板2人洞错开设置。

边腹板:边腹板厚为40 mm,采用尺寸为310×30 mm的板式加劲肋,在锚箱附近增设2道纵向加劲肋。

1.3 缆吊系统设计

该桥主缆的跨径布置为:210 m+600 m+210 m,矢跨比为1/10。塔顶处主缆IP(intersection point)点高程均为+321.63 m,采用预制平行钢丝束股作为主缆,两主缆的中心间距为19.5 m。吊索横向间距为19.5 m,每一吊点设置一根吊索。吊索顺桥向间距(包含吊索与主塔轴线的距离)均为15 m。索夹采用销接式,选用上、下两半对合的型式。

(1) 主缆 根据桥梁结构、施工技术和施工要求,该桥主缆采用预制平行钢丝索股(PPWS),每股索股由127根直径5.3 mm、标准抗拉强度为1 860 MPa、锌铝合金镀层的高强钢丝通过定型绑扎带绑扎而成,其断面呈六角形,并在其两端设热铸锚头。鹅公岩轨道专用桥全桥设置主缆两根,每根主缆由92股索股组成,全桥共计用直径5.3 mm高强钢丝23 368根。锚具为锚板与锚杯合一的整体铸钢件结构。在塔顶鞍罩处用喇叭形缆套对主缆进行防护,在主缆的顶面设有主缆检查走道。设置除湿系统对主缆进行防护。

(2) 吊索 吊索将主缆与箱梁连接,其两端设冷铸锚头。吊索的上端通过耳板与索夹连接,其下端锚固于加劲梁上的锚箱内,下端采用球形螺母和垫板作为锚头,通过调节螺母位置可实现对吊索长度的调整,吊索总成示意图如图4所示。该桥吊索截面分为4种规格,分别为139Ф7.0 mm、151Ф7.0 mm、163Ф7.0 mm、187Ф7.0 mm低松驰锌铝合金镀层平行钢丝束,钢丝标准抗拉强度为1 770 MPa。

图4 吊索总成示意图(单位:cm)Fig.4 Schematic diagram of the sling assembly (unit:cm)

(3) 索夹 该索夹采用销接式,内径为632.7 mm,壁厚40 mm。索夹采用ZG35SiMnMo铸钢制作而成,其型式为上、下两半对合。全桥共用8种索夹类型(分别为A、B、C、D、E、F、G、H型),其中A～F索夹位于中跨主缆有吊索区,全桥共有122套吊索索夹。G、H索夹是封闭索夹,全桥共有封闭索夹12套,其中G型索夹8套、H型索夹4套,各类索夹上均设置有安装主缆检修道立柱的构造。采用M42高强度螺杆对上、下索夹进行连接,两端配M42的螺母、垫圈,接缝处嵌以橡胶防水条防水。

(4) 塔顶主索鞍 主索鞍采用全铸式结构,为了方便鞍座顶推施工,适应施工中的相对位移,在鞍体的底面及底板的顶面涂耐磨减摩擦材料,降低抗滑移系数。同时,为了保证鞍座顶推时不发生偏转,在底板顶面的中央设有纵向导向肋。在鞍槽内设置竖向隔板,从而增加鞍槽与主缆之间的摩阻力,方便主缆索股架设。待索股全部安装就位后,顶部用锌块填平,并将鞍槽侧壁用螺栓夹紧。

主塔塔顶设置鞍座底板,并用螺栓将其与塔顶锚固,待鞍座顶推调整到位后,将主索鞍鞍体与底板锁死。顶推主索鞍时的反力施工完成后需拆除。主索鞍鞍体分两部分制造,并在塔顶采用高强螺栓拼接,鞍体单件吊装质量不超过50 t,从而达到减轻吊装和运输质量的目的。

(5) 散索鞍 该桥散索鞍的上下套体和底座板全部采用全铸结构,使用ZG35SiMnMo铸钢制作而成,其作用是将每根主缆分散成92股单束。在散索鞍的下套体与底座板之间设聚四氟乙烯滑板以适应施工中的滑移和成桥后主缆的微量滑移。主缆张拉至空缆线形后合上套体,安装挡块,上紧高强螺栓。

2 施工风险评价

2.1 风险源识别及评价原理

根据鹅公岩轨道专用桥的工程设计与施工特点,重点对悬索桥上部结构的施工风险进行评价,采用层次分析法实现其风险源识别及分类,现将各级分险识别分述如下:

(1) 牵引系统及猫道施工风险 牵引系统及猫道是悬索桥后续施工的基础,由于该工程需跨越长江,面临着较大的施工风险。其中牵引系统是猫道、主缆等工程的动力系统,其施工过程主要面临过江风险和系统失灵风险;猫道是主缆施工期间的施工便道,主要面临失稳及高空坠落风险,且由于该作业位于高空及水上,也可能发生触电及淹溺风险。

(2)索鞍安装风险 索鞍作为主缆的主要传力结构,是悬索桥中独有的结构,一般包括塔顶的主索鞍和锚固端的散索鞍。由于该类构件质量大、体积大,且需高空操作,因此,在其作业过程也面临着相应的风险,主要包括起吊风险、高空坠落风险、物体打击风险、安装支架失稳等。

(3) 主缆施工风险 主缆是悬索桥的核心构件,也是悬索桥的主要受力构件。由于主缆施工的复杂性和重要性,其施工过程也面临着相应的风险,如起吊风险、高处坠物风险、安装风险、索股破坏风险等。

(4) 索夹与吊索施工风险 索夹作为固定吊索的结构,施工中需保证其倾斜度与主缆一致,否则可能导致索夹安装不紧乃至无法安装螺栓等情况;在吊索安装过程中,多是采用垂直起吊方式,若操作不当,易导致工程事故。因此,索夹与吊索施工风险主要包括索夹变形风险、夹丝风险、安装不当风险及高空坠落风险。

(5) 加劲梁施工风险 加劲梁的主要作用是传递和支承荷载,其施工过程涉及高空作业,加之施工周期长、施工条件复杂等问题,使得其施工过程也面临较大的风险。根据分析,加劲梁施工风险主要包括起吊事故风险、吊机倾覆风险、机械伤害风险、作业人员安全风险及撞船事故风险等。

根据上述风险识别,得出悬索桥上部结构施工的一级风险主要有5类,并进一步对二级风险划分,得出本悬索桥上部结构施工风险评价体系的二级风险共计22个,其风险评价体系如表1所列。

在风险的重要性计算中采用层次分析法,首先利用1～9标度法判断各风险指标的权重,随后采用专家法,调查获得各风险因素的隶属度。

1～9标度法不仅可以对风险因素进行重要性区分,还可以对风险因素进行不确定性的折中区分,其判别依据如表2所列。

表2 项目风险评价分值

基于表2原则,可构造各级风险的判断矩阵并计算其特征值和特征向量,当一致性满足要求时,归一化处理后,特征向量各分量即为相应的风险权重。

专家法是一种模糊方法,且鉴于不同专家的资历及经验等具有差异,对不同级别的专家意见进行可信度划分,划分标准如表3所列。

表3 专家分类表

在专家法的应用过程中,应充分保证调查数量,以避免个体差异带来的影响,因此,建议专家的调查人数不应少于15人。

基于前述权重及隶属度求解结果,采用P×C法对悬索桥上部结构施工风险进行综合评价,以实现其风险水平划分,且结合国际常用的风险水平划分标准,将悬索桥上部结构施工的风险水平划分为5级,如表4所列。

表4 风险水平分级Table 4 Risk level grading

2.2 风险判断及评价

根据风险评价原理,先利用1～9标度法构建判断矩阵,再利用Matlab软件实现运算求解。同时,限于篇幅,本文以索鞍安装风险(U1)为例,详述其二级风险的风险得分求解过程。

(1) 风险因素的权重求解

①构建判断矩阵。

对索鞍安装风险(U1)的4个二级风险源进行两两对比,以确定其相对重要性,并赋予相应分值,得其判断矩阵为

②最大特征值λmax及其特征向量求解。

λmax=4.18,与λmax相对应的特征向量为

③ 一致性检验。

根据层次分析法一致性检验公式,计算其一致性CI:

当n=4时,RI=0.89,CR=CI/RI=0.06/0.89=0.067<0.1。由此可知其一致性检验满足要求。

因此,特征向量的归一化值即为索鞍安装风险(U1)的二级风险权重,即

(2) 风险因素的隶属度求解 各风险因素的隶属度采用专家法调查获得,其过程为:首先通过问卷调查等方式收集专家们对各风险因素的隶属度评分;其次,根据表3中的可信度系数,对不同专家的评分结果进行折减,并在相应风险等级下,将各因素的折减评分进行累加,得各影响因素的综合评分值;最后,对结果进行归一化处理,即为隶属度。索鞍安装风险(U1)的二级风险因素隶属度如表5所列。

表5 索鞍安装风险的二级风险隶属度

(3) 风险得分求解 采用P×C法求解各风险因素的风险得分,索鞍安装风险(U1)的二级风险因素的风险得分为

在索鞍安装风险的二级风险因素中,起吊风险(U11)的风险得分最高,风险等级为三级;高空坠落风险(U12)和安装支架失稳(U14)的风险得分介于50～60之间,其风险等级为二级;物体打击风险(U13)的风险得分最少,且小于50,其风险等级为一级。

依据上述求得的二级风险因素权值及隶属度矩阵,求得索鞍安装风险的隶属度为

根据隶属度C1及评分向量,求解得其风险得分为60.18,风险等级属于三级。

类比上述可以求得其余风险因素的风险得分,结果如表6和表7所列。在二级风险指标中,各因素的风险等级在一级至四级均有分布,验证了该悬索桥上部结构施工风险评价体系的风险因素识别具有全面性。其中一级风险等级的风险因素为物体打击风险(U13),四级风险等级的风险因素为过江风险(U21),但两类风险均仅占一个,所占比例相对较少;二级风险包括高空坠落风险(U12)、安装支架失稳(U14)、触电及淹溺风险(U25)、索股破坏风险(U34)、索夹变形风险(U41)、吊机倾覆风险(U52)和撞船事故风险(U55),共计7个风险因素,所占比例为31.82%;剩余风险因素均为三级风险,共计13个,所占比例为59.09%。

表6 二级风险因素的风险得分

表7 一级风险因素的风险得分

根据表7可知,5类一级风险因素的风险等级均为三级,其中牵引系统及猫道施工风险(U2)的风险得分最高,依次分别是索夹与吊索施工风险(U4)、主缆施工风险(U3)、加劲梁施工风险(U5)和索鞍安装风险(U1)。

根据表6和表7得出,各类风险因素的风险等级多以三级为主,其次是二级风险,一级、四级风险相对较少,未见五级风险。同时,进一步对悬索桥上部结构施工的整体风险水平进行评价,即

根据结果可知,该桥上部结构施工风险评价得分为65.46,属于三级风险,即风险勉强可以接受,但应采取一定的措施,尽量避免风险事件的发生。针对风险较高的U21(过江风险),工程施工时务必高度重视,并采取措施降低其风险概率和损失程度。

3 结论

根据对鹅公岩轨道专用桥的工程主体设计详述及上部结构施工风险评价,得出如下结论:

(1) 鹅公岩轨道专用桥作为重庆市区轨道交通工程的关键工程之一,紧靠既有桥梁,施工难度大,危险性高。经风险评价可知,该桥的整体风险得分为65.46,风险等级为三级,勉强可以接受该风险,但应采取一定的措施尽量避免风险事件的发生。各参加单位应加强风险评估及安全控制,确保工程安全、质量可靠。

(2) 风险评估应该将风险评价理论与桥梁结构、环境、施工方法相结合,建立可靠的风险评价体系,服务桥梁施工安全控制。该桥结合了自锚式悬索桥的结构特征及紧挨既有线桥梁施工的情况,建立了合理的风险评价体系。

(3) 层次分析法和P×C法的结合运用,可有效识别施工风险源,并对施工风险进行评价,两种方法结合使用,可应用于各类桥梁工程的风险识别与评价。经工程验证,评价结果可靠,为工程施工提供了准确的对策和措施。