黃浦大街—金橋大道快速通道工程跨京廣鐵路變寬度斜拉橋設(shè)計

龍俊賢

(中鐵二院武漢勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,武漢 430071)

黃浦大街—金橋大道快速通道工程跨京廣鐵路變寬度斜拉橋設(shè)計

龍俊賢

(中鐵二院武漢勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,武漢 430071)

武漢黃浦大街—金橋大道快速通道工程跨京廣鐵路主橋為獨塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁斜拉橋,全長 260m,跨度為(138+81+41)m。橋面寬度由 39m寬漸變至 49.899m。介紹該斜拉橋的工程概況、總體設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、變寬度的處理方法及跨鐵路施工方法。

斜拉橋;設(shè)計;變寬度;電氣化鐵路

1 工程概況

黃浦大街—金橋大道快速通道工程位于漢口地區(qū)東北方向,由現(xiàn)狀的黃浦大街和金橋大道組成,起于黃浦路立交落地點,止于三金潭立交,全長約 6.0 km,是漢口地區(qū)南北向重要的城市快速路,是聯(lián)系城市一環(huán)線、二環(huán)線、三環(huán)線的放射線和快速出城通道。

快速通道主線為城市快速路;主線 60 km/h,雙向6車道;跨鐵路橋下凈空不低于 8.2m;結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方面,地震動峰值加速度系數(shù) 0.05g,地震基本烈度為6度?？拐鹪O(shè)防類別為 B類,設(shè)防措施等級為 7度。

2 總體設(shè)計

黃浦大街—金橋大道快速通道橋梁跨越 13股道電氣化鐵路?，F(xiàn)狀金橋大道是以地下通道形式下穿京廣鐵路,通道橫向布置為獨立 4孔,中間 2孔為機動車道,兩側(cè) 2孔為非機動車道和人行道,可通行公交車輛和出租車輛?，F(xiàn)狀京廣鐵路下穿地下通道沿高架橋縱向長度110m。主橋結(jié)構(gòu)跨度要達到130m左右,控制因素較多,對施工方案要求高,為該工程的難點。

由于跨京廣鐵路段橋梁距離竹葉山立交較近,其橋面設(shè)計高程受到制約,此處橋面設(shè)計高程最高不宜超過 36.5m,否則部分匝道最大縱坡無法滿足要求,而鐵路現(xiàn)狀軌頂高程最大約 23m,鐵路凈空要求不小于 8.2m,同時考慮橋面鋪裝厚度和橋面縱、橫坡影響,跨鐵路橋梁結(jié)構(gòu)高度及考慮施工所需凈空總高度應(yīng)控制在 4.5m以下。

跨鐵路段橋梁跨度較大,且平面上處于加減速車道變寬段內(nèi),整個橋梁為一整幅斷面,橋面變寬范圍為39.000～49.899m?？紤]鐵路遠期發(fā)展要求,鐵路部門要求股道間不得設(shè)置橋墩,一跨跨過鐵路橋梁跨徑將達 138m。

通過橋型方案比選,主要通過橋型對鐵路運營干擾的影響方面,造型景觀方面,擠術(shù)先進性方面,經(jīng)濟合理性等多方面比選,同時結(jié)合地形、地質(zhì)條件等因素,主橋選用獨塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁斜拉橋方案,全長 260m,主跨 138m,跨度組成為(138+81+41)m。斜拉橋總體布置見圖1。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 設(shè)計特點

黃浦大街—金橋大道快速通道工程跨京廣鐵路主橋為獨塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁斜拉橋,橋梁起終點里程為 K2+177.5～K2+437.5。標準橋面寬度組成：2.5m(索錨區(qū))+0.5m(防撞護欄)+15.75m(行車道)+1.5m(中間分隔帶)+15.75m(行車道)+0.5m(防撞護欄)+2.5m(索錨區(qū))=39.0m,從里程K 2+346.144至 K2+177.6方向由 39m寬漸變至 49.899 m。橋梁縱坡主跨側(cè)為 0.5%,邊跨側(cè)為 -1.937%,設(shè)R=4 000m凸曲線。

主塔處塔、墩、梁固結(jié)。邊墩、輔助墩處豎向均設(shè)活動盆式橡膠支座,橫向邊墩處設(shè)橫向擋塊。

為滿足橋墩不侵占既有下穿通道的機動車道及非機動車道要求,斜拉橋主塔順橋向為柱式結(jié)構(gòu)、橫橋向為“A”形,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);邊墩采用框架墩,立柱中心間距達 41.5m,立柱為 2.5m×2.5m矩形立柱,承臺為分離式,承臺縱向長 7.6 m,橫向?qū)?7.6 m,厚2.5m。

主梁采用雙邊箱梁截面,全橋分為等寬段主梁和變寬段主梁,等寬段主梁箱梁頂全寬 39m,箱梁底全寬 39.6m,路中心處梁高 3.8m;兩個邊箱之間的頂板采用 1.8m高,0.3m寬的肋板加勁(3道肋板),設(shè)雙向 1.5%橫坡。等寬段標準主梁截面尺寸如下：主梁頂板厚 0.26 m,主梁底板厚 0.36 m,邊箱豎腹板厚0.45m,邊腹板厚 1.2m,肋板厚 0.3m,一個 6m節(jié)段設(shè)置兩道橫梁,橫梁厚均為 0.48m,壓重區(qū)梁段采用單箱六室封閉截面,節(jié)段長度 3.7m,設(shè)置 1道橫梁,橫梁厚均為 0.68m,主梁頂板厚 0.26m,主梁底板厚 0.5m,中間豎腹板厚 0.6m,邊腹板厚 1.2m,肋板與底板閉合,肋板厚 0.3m。變寬段主梁頂板寬度由 39.000～49.899 m,主梁右腹截面不變,左腹截面線性變化,兩個邊箱寬度不變,橫向尺寸通過調(diào)整橫梁的跨度實現(xiàn)。

為方便橋梁運營階段在電氣化鐵路上方換索方便,斜拉索錨固塊設(shè)置在邊箱內(nèi)(圖2)。

圖2 斜拉索錨固示意(單位：cm)

3.2 總體靜力計算

總體靜力計算采用空間桿系理論,以主梁橋軸線為基準劃分結(jié)構(gòu)離散圖。梁、塔為空間梁單元,斜拉索為桿單元。總體計算根據(jù)橋梁施工流程劃分結(jié)構(gòu)計算階段,根據(jù)荷載組合要求的內(nèi)容進行內(nèi)力、應(yīng)力計算,驗算結(jié)構(gòu)在施工階段、運營階段內(nèi)力、應(yīng)力及整體剛度是否符合規(guī)范要求。

邊界條件的處理：索塔按底部固結(jié)處理,過渡墩及輔助墩按豎向剛性支撐處理,邊跨支架及主梁 0號塊、1號塊支架按單向豎向剛性支撐處理。

計算結(jié)構(gòu)圖示見圖3。

圖3 計算圖示

(1)設(shè)計荷載取值

恒載包括主梁、塔、索及防腐材料重力。混凝土主梁及索塔容重 27.3 kN/m3,梁、塔按實際斷面計取重力;斜拉索按所需鋼絲重 G×(1+8%)計(其中 8%為防腐材料重)。主梁橫隔板按集中力計入。汽車荷載采用公路—Ⅰ級車道荷載計算,汽車荷載計入橫向偏載、沖擊、車道折減等影響。汽車制動力的著力點在橋面上,其值按橋規(guī)規(guī)定的方法計算。支座摩阻力,支座摩擦系數(shù)按規(guī)范取 0.06。

溫度荷載計算取合龍溫度 10～15℃,根據(jù)當?shù)卦缕骄罡邭鉁睾妥畹蜌鉁厍闆r,綜合考慮后計算取體系升溫 25℃,體系降溫 25℃。局部溫差按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2004)4.3.10條規(guī)定的梯度溫度計算,日照正溫差 T1采用 15.2℃,T2采用5.74℃,日照反溫差 T1采用 -7.6℃,T2采用-2.87℃。梁與索的溫差 ±15℃;塔身左、右側(cè)溫差 ±5℃。

支座差異沉降按 2 cm計算。地震動峰值加速度系數(shù) 0.05g,地震基本烈度為 6度,按 7度設(shè)防。設(shè)計基本風(fēng)壓為 400Pa,按規(guī)范的規(guī)定計算橫向風(fēng)力和縱向風(fēng)力。

(2)荷載組合

按各類作用效應(yīng)可能出現(xiàn)的最不利狀況進行組合,對承載能力極限狀態(tài)進行作用效應(yīng)基本組合,對正常使用極限狀態(tài)進行作用短期效應(yīng)組合和作用長期效應(yīng)組合。

(3)主要計算結(jié)果

施工階段最大拉應(yīng)力為 1.468 MPa,最大壓應(yīng)力為 12.6MPa,滿足規(guī)范要求。

運營階段混凝土箱梁在最不利組合狀態(tài)下上緣出現(xiàn)的最大壓應(yīng)力為 12.8MPa,主梁下緣出現(xiàn)的最大壓應(yīng)力為 9.9MPa,小于 16.2MPa,滿足相關(guān)規(guī)范要求。

運營階段混凝土箱梁正截面抗裂驗算按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件,短期作用效應(yīng)最不利組合應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

運營階段混凝土箱梁最大主壓應(yīng)力為 14.65 MPa,規(guī)范限值 σcp≤0.6fck=19.44MPa;運營階段混凝土箱梁持久狀況混凝土斜截面抗裂結(jié)果端支點處最大 σtp應(yīng)力為 0.62MPa,均滿足規(guī)范要求。

運營階段主塔在最不利組合狀態(tài)下上緣出現(xiàn)的最大壓應(yīng)力為 16.1MPa,主塔下緣出現(xiàn)的最大壓應(yīng)力為15.6MPa,塔頂部分出現(xiàn) 0.94MPa拉應(yīng)力,結(jié)構(gòu)配筋后滿足強度要求。

主跨活載最大豎向位移 4.24 cm↓,δ/L=1/4363,塔頂最大活載順橋向位移 0.86 cm,滿足剛度要求。

斜拉索最小應(yīng)力為 517.4 MPa,斜拉索最大應(yīng)力為 666 MPa,斜拉索容許應(yīng)力為 0.4fpk=0.4×1 670MPa=668MPa,故斜拉索拉應(yīng)力滿足規(guī)范要求。斜拉索最大應(yīng)力幅為 123.8MPa,滿足規(guī)范要求。

3.3 主塔錨索區(qū)空間分析

索塔橫橋向為 A字形,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),由塔座、下塔柱、中塔柱、上塔柱、下橫梁、中橫梁、上橫梁等組成。上塔柱為斜拉索錨固區(qū),錨固端局部構(gòu)造采用錨塊式。在上塔柱錨固區(qū),設(shè)環(huán)向預(yù)應(yīng)力,采用 fpk=785 MPa,JL32mm精軋螺紋鋼筋來平衡斜拉索水平分力。由于橋塔錨索區(qū)段受力復(fù)雜,需對該部位進行三維空間分析,以便準確地反映結(jié)構(gòu)真實受力情況。

(1)計算模型

計算取橋塔錨索區(qū)頂部 3個節(jié)段為模型,取塔柱全結(jié)構(gòu)進行分析,模型高 6.8 m。分析中考慮了預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、斜拉索的空間斜度等。計算中將整個結(jié)構(gòu)視作勻質(zhì)彈性體,混凝土彈性模量 E取35000MPa,泊松比取0.166 7,容重取 26 kN/m3,未考慮混凝土的收縮、徐變和普通鋼筋對結(jié)構(gòu)的影響。

采用通用有限元程序 MIDAS建立實體模型分析,模型采用空間四面體單元,模型共計有6 753個節(jié)點,30 042個單元。計算模型如圖4所示。

環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用精軋螺紋鋼筋,規(guī)格為JL32,fpk=785MPa,錨下張拉控制力為 568 kN。橋塔預(yù)應(yīng)力考慮了錨頭回縮損失、管道偏差損失,混凝土的收縮、徐變引起的各項預(yù)應(yīng)力損失,采用在主塔預(yù)應(yīng)力鋼筋位置施加等效力方式模擬,荷載施加在塔壁實際錨點位置上。模型考慮自重和斜拉索的影響,模擬了斜拉索索力的大小和方向。將索力作為計算荷載值,以面荷載方式施加于錨塊表面。

圖4 索塔計算模型

(2)計算結(jié)果

成橋階段和使用階段,錨索區(qū)控制點位置如圖5所示,塔頂錨索區(qū)控制斷面應(yīng)力見表1。

圖5 錨索區(qū)控制點示意

表1 塔頂錨索區(qū)最大索力下控制斷面應(yīng)力 MPa

從計算結(jié)果看出,橋塔錨固區(qū)在運營階段最不利工況下,所有截面均處于受壓狀態(tài),應(yīng)力儲備滿足要求。

3.4 主梁橫梁空間分析

采用空間有限元空間程序 MIDAS對橫梁建立實體模型進行分析。按照主梁截面的不同,分別建立了主跨變截面懸澆段橫梁、邊跨等截面標準段橫梁以及邊跨壓重段橫梁這 3個具有代表性橫梁的模型,分別進行了分析。

(1)計算模型

本次計算取主梁 2個梁段進行模型分析。模型中每個梁段長 6.0 m,結(jié)構(gòu)尺寸與實際梁段相同。模型見圖6。

圖6 邊跨等截面段橫梁實體模型

模型采用實體單元離散,分別模擬了橫梁混凝土、預(yù)應(yīng)力筋和斜拉索對梁的作用,還考慮了預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、斜拉索的角度等因素的影響。斜拉索對梁段的支撐作用,本次計算將其換算沿索力方向的節(jié)點彈性支撐,其彈性剛度利用斜拉索的變形協(xié)調(diào)方程求出,分別將修正后的剛度值賦予模擬節(jié)點彈性支撐,在單元的一端施加沿索力方向的約束。

分析中將整個結(jié)構(gòu)視作勻質(zhì)彈性體,混凝土彈性模量 E取35000MPa,泊松比取0.1667,容重取 26 kN/m3,未考慮混凝土的收縮、徐變和普通鋼筋對結(jié)構(gòu)的影響。預(yù)應(yīng)力筋彈性模量 E取195000MPa,泊松比取 0.3,容重取 78.5 kN/m3,熱膨脹系數(shù)為0.000 012。預(yù)應(yīng)力損失考慮了錨頭夾片回縮損失,預(yù)應(yīng)力筋轉(zhuǎn)角損失,管道偏差損失,混凝土的收縮、徐變的影響。

混凝土采用八節(jié)點實體單元,有 x、y、z軸 3個方向的自由度;橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束采用桁架單元模擬,也有x、y、z軸 3個方向的自由度。

為了真實準確地模擬斜拉索對主梁的空間支撐作用,模型中,在主梁斜拉索實際位置采用節(jié)點彈性支撐。

橫隔梁預(yù)應(yīng)力,是在考慮錨頭夾片回縮損失、預(yù)應(yīng)力筋轉(zhuǎn)角損失、管道偏差損失,混凝土的收縮、徐變引起的各項預(yù)應(yīng)力損失之后,施加在梁單元上的。模型中預(yù)應(yīng)力鋼絞線規(guī)格為 15.2-15,標準強度 fpk=1 860MPa,彈性模量 E取195000MPa,泊松比取 0.3,容重取 78.5 kN/m3,熱膨脹系數(shù)為0.000012,張拉控制應(yīng)力取1 395MPa。模型中采用桁架單元來模擬預(yù)應(yīng)力鋼束,根據(jù)變形協(xié)調(diào)方程把預(yù)應(yīng)力換算成溫度力。在定義好梁單元的材料、截面特性后,用施加溫度力的辦法來控制梁單元各個截面的應(yīng)力,從而達到施加預(yù)應(yīng)力的目的。

在模型上施加全部梁段自重,全部橫隔梁預(yù)應(yīng)力,二期恒載,再與車輛組合,來分析運營中橫隔梁的橫向應(yīng)力分布情況。

(2)計算結(jié)果

荷載組合工況：恒載 +預(yù)應(yīng)力 +汽車(車輛荷載)。橫梁計算結(jié)果見圖7。

圖7 橫梁中心上、下緣橫橋向應(yīng)力圖(單位：MPa)

從計算結(jié)果可知,在恒載 +汽車 +預(yù)應(yīng)力這一組合工況下,4.5m等截面梁段橫梁中心下緣產(chǎn)生 9.3 MPa壓應(yīng)力,上緣產(chǎn)生 2.5MPa的壓應(yīng)力。

主跨變截面懸澆段橫梁、邊跨壓重段橫梁計算方法同上。

除以上計算外,該橋還采用 MIDAS空間分析程序?qū)υ撔崩瓨虻膭恿μ匦约胺€(wěn)定性進行了分析,對結(jié)構(gòu)在安裝和運營狀態(tài)下的地震和風(fēng)振效應(yīng)也進行了分析。

4 施工方案

主橋跨鐵路部分采用掛籃懸澆法施工,邊孔采用支架現(xiàn)澆施工。掛籃懸澆施工時在鐵路上方搭設(shè)防護支架,防護支架采用萬能桿件支墩,支架頂棚采用 I63型鋼,間距 2m,工字鋼上搭設(shè) 10 cm×10 cm方木@30 cm,方木上鋪設(shè) 2 cm厚竹膠板,在接觸網(wǎng)懸掛正上方的防護支架底部安裝 2m寬的絕緣板。

5 結(jié)語

本橋雖然跨度不大,但是橋面為變寬度,寬度達39.000～49.899m,且上跨電氣化鐵路,設(shè)計施工均較復(fù)雜。本橋主梁變寬度通過調(diào)整橫梁的跨度實現(xiàn),跨鐵路施工通過在鐵路上方搭設(shè)防護支架,防護支架下設(shè)防電板,然后采用掛籃懸澆法施工,確保了施工期間鐵路運營安全,另外斜拉索錨于主梁邊箱內(nèi),解決了橋梁運營階段在電氣化鐵路上斜拉索維護問題,斜拉索的維護不需要“要點”施工,不會影響鐵路的正常運營。

[1]JTG/T D 65— 01—2007,公路斜拉橋設(shè)計細則[S].

[2]JTG D 60—2004,公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[3]JTG D62—2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[4]JTG D 63—2007,公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[5]JTG/T B 02—01—2008,公路橋梁抗震設(shè)計細則[S].

[6]JTG/T D 60— 01—2004,公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范[S].

[7]周孟波.斜拉橋手冊[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

龍俊賢(1977—),男,工程師,2001年畢業(yè)于中南大學(xué)交通土建專業(yè),工學(xué)學(xué)士,E-mail：18605901@qq.com。