開敞式鋼桁梁橋在橋梁改擴建工程中的應(yīng)用

鮑宇文

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海 200092))

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，部分城市橋梁已不能滿足日益增長的交通規(guī)模需求，亟待改擴建。同時，復雜的城市綜合交通系統(tǒng)以及橋梁景觀的要求對橋梁改建設(shè)置了較嚴苛的邊界條件，增加了橋梁設(shè)計和施工的難度。

本文以蘇州新家橋改擴建工程為背景，針對工程的具體特點，對橋梁的總體方案設(shè)計、施工方法、交通組織方式等進行介紹，并闡述開敞式鋼桁梁橋主體結(jié)構(gòu)設(shè)計。對城市橋梁建設(shè)中的新型結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新施工方法進行探索性研究。

1 工程概述

新家橋位于吳中區(qū)中心城區(qū)，跨越京杭大運河，是吳中中心城主干路“四縱三橫”路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的重要節(jié)點。現(xiàn)狀新家橋僅有雙向2車道，機非混行，擁堵嚴重，存在較大的安全隱患。橋下通航凈空不滿足運河需求的三級航道標準，新家橋亟待改擴建。

新建主橋采用開敞式鋼桁梁結(jié)構(gòu)，跨徑布置為L=39.5 m+88 m+39.5 m。主橋標準寬度為41 m，雙向6車道，兩側(cè)布置人行道和非機動車道。主梁采用變高連續(xù)鋼桁架結(jié)構(gòu)，橋面系采用新型組合橋面板，上弦桿橫向不設(shè)置風撐，下部結(jié)構(gòu)一側(cè)利用老橋樁基，另一側(cè)新建樁基橋墩。

2 主橋總體方案設(shè)計

2.1 主橋橋位確定

現(xiàn)狀新家橋西側(cè)毗鄰軌交2號線，主橋樁基離地鐵盾構(gòu)最近距離約為18 m，按交通規(guī)模要求，新建橋梁車道規(guī)模為雙向6車道+人行道+非機動車道，橋梁寬度約為41 m，橋梁需要橫向拓寬約27 m，按交通規(guī)劃要求，需要在老橋處改建并拓寬橋梁。為避免橋梁新建樁基施工對西側(cè)運營中軌交2號線盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的影響，橋梁擴建方向為遠離軌交方向東側(cè)拓寬。

2.2 主橋跨徑確定

新建橋梁橋?qū)捿^大，兩岸每側(cè)主墩設(shè)置兩個分離式橋墩結(jié)構(gòu)，為減少新建樁基施工對運營中軌交影響，在離軌交較近一側(cè)(西側(cè))利用現(xiàn)狀樁基新建橋墩，在離軌交較遠一側(cè)(東側(cè))新建樁基及橋墩。由于利用老橋樁基，新橋主橋擬采用與老橋相同跨徑：L=39.5m+88m+39.5m=167m。

由于京杭運河航道等級的提升，運河上橋梁需滿足“蘇南運河三級航道標準”：凈寬80 m，凈高7 m?，F(xiàn)狀新家橋主橋跨徑為88 m，采用空腹式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，通航凈空不滿足要求。新建橋梁主跨雖與現(xiàn)狀橋梁跨徑相同為88 m，但新建橋梁采用下承式鋼桁梁結(jié)構(gòu)，較大提升橋下凈空。因此主跨跨徑采用88 m能滿足通航凈空要求。

2.3 主橋總體布置

新家橋主橋采用開敞式鋼桁梁結(jié)構(gòu)，跨徑布置為L=39.5 m+88 m+39.5 m，設(shè)置2個主墩、2個邊墩。主墩與邊墩橫向都設(shè)置兩個墩柱，西側(cè)墩柱利用老橋樁基，東側(cè)新建樁基墩柱。在節(jié)省造價的同時以減少對軌交影響。新家橋主橋立面布置圖如圖1所示。

橋梁總寬41 m，車行道為雙向6車道，主梁桁梁區(qū)外側(cè)設(shè)置挑臂，挑臂上布置非機動車道與人行道，并在運河兩岸橋梁兩側(cè)設(shè)置人行梯道，便于人行過河。主橋橫斷面圖布置圖如圖2所示。

3 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

新家橋主橋采用變高連續(xù)鋼桁架結(jié)構(gòu)，跨徑布置為L=39.5+88+39.5=167 m，跨中處桁高4 m，中支點處桁高18.4 m，節(jié)間距從6 m變化到5 m，上弦桿節(jié)點處不設(shè)置橫撐。機動車行橋面系采用新型組合橋面板，非機動車行橋面系采用鋼橋面板，外挑在主桁外側(cè)，該部分后安裝。橫梁布置在主桁節(jié)點和節(jié)間，橫梁之間設(shè)置小縱梁。上弦鋼材采用Q370qD，腹桿下弦和橋面系縱橫梁均采用Q345qD。本橋受力特點不同于一般桁架橋，其在結(jié)構(gòu)成橋后在兩側(cè)邊支點施加強制位移25 cm，以使得上弦桿件基本受拉，而下弦桿件基本受壓。

3.1 上弦桿設(shè)計

上弦桿采用箱形截面，寬1 200 mm，邊跨范圍內(nèi)高1 400mm，中跨范圍內(nèi)由中支點附近的1 400 mm變化到跨中的1 000 mm，板件均為內(nèi)對齊。在中支點附近寬度由1 200 mm過渡到1 800 mm，以與豎腹桿對應(yīng)。板厚分為四種，中支點近邊跨處翼板和腹板板厚為28 mm，中支點近中跨處翼板和腹板板厚為25 mm，中跨跨中、中跨支點過渡段和邊跨跨中附近翼板和腹板板厚為20 mm，中跨四分點及邊跨近支點翼板和腹板板厚為16 mm。節(jié)點處節(jié)點板厚取相連腹桿與弦桿腹板厚度的較大值，E0節(jié)點板厚度為20 mm。邊跨加勁肋高度均為190 mm，厚度從16 mm到20 mm，中跨加勁肋高度均為160 mm，厚度從16 mm到20 mm。

圖1 新家橋主橋立面布置(單位：mm)

圖2 新家橋主橋橫斷面布置(單位：mm)

3.2 下弦桿設(shè)計

下弦桿采用箱形截面，寬1 200 mm，高2 095 mm，腹板為內(nèi)對齊，頂?shù)装鍨橥鈱R；板厚分為三種，中支點處翼板板厚為30 mm，腹板(即節(jié)點板)板厚為35 mm，近中支點處翼板板厚為25 mm，腹板(即節(jié)點板)板厚為28 mm，其余部分翼板和腹板板厚為16 mm，節(jié)點處節(jié)點板板厚同相連腹桿板厚。加勁肋高度均為190 mm，厚度從16 mm到25 mm。橫隔板間距為3 m左右，隔板上設(shè)置400 mm×600 mm人孔，兩道橫隔板之間設(shè)置一道橫肋。

3.3 腹桿設(shè)計

腹桿采用箱形截面和王字型截面兩種形式。根據(jù)計算，壓應(yīng)力較大的主墩和邊墩支座處腹桿以及部分負彎矩區(qū)域腹桿采用箱型截面，寬700 mm，高1 200 mm；其余腹桿采用王字型截面，翼板寬700 mm，腹板高1 200 mm，腹板加勁高300 mm。腹桿斷面如圖3所示。

圖3 橫梁處主梁橫斷面(單位：mm)

3.4 橋面系設(shè)計

車行道橋面系采用新型組合橋面板，鋪裝厚度僅5 cm，與傳統(tǒng)組合梁橋面板相比，提高了橋面板抗彎能力，減少了混凝土板厚；與正交異性鋼橋面板相比，延長了使用壽命。在節(jié)點處設(shè)置一道橫梁，節(jié)間設(shè)置一到兩道橫梁，均采用工字型截面，含混凝土橋面板在內(nèi)跨中梁高2.6 m，底板水平。中支點處設(shè)置箱型橫梁，橫梁腹板與豎腹桿腹板對應(yīng)。邊支點附近橫梁底板縱向連續(xù)形成封閉空間，以填充混凝土壓重。橫梁之間設(shè)置小縱梁，梁高0.4 m?；炷翗蛎姘遄兒穸?，從15 cm變化到25 cm，橫梁和小縱梁處厚度為25 cm，其他部位混凝土板底部設(shè)置8 mm鋼底板以便于混凝土橋面板現(xiàn)澆。挑臂橋面系采用鋼橋面板。挑臂橫梁對應(yīng)中橫梁設(shè)置，根部梁高約1.2 m。

3.5 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

主墩和邊墩西側(cè)橋墩均在老橋樁基基礎(chǔ)上新建，東側(cè)新建樁基橋墩，主墩每個墩柱上設(shè)置一個30 000 kN變曲率摩擦擺減隔震支座。主墩采用矩形切角斷面，截面尺寸為3 m×3 m。主墩承臺尺寸為13.8 m×5.2 m，高2.8 m，布置8根直徑1.5 m的灌注樁，樁長約70 m。邊墩采用樁基+承臺+立柱+蓋梁形式，樁基采用6根1.2 m鉆孔灌注樁，邊墩立柱尺寸為3 m×2.5 m，立柱頂上同時設(shè)置主橋邊跨支座與架設(shè)引橋小箱梁的蓋梁。

3.6 主橋結(jié)構(gòu)仿真計算分析

利用有限元軟件仿真分析計算：在標準組合作用下主橋支座反力與鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力如下圖所示。標準組合作用下主墩支座最大反力約為27 000 kN，主橋拉應(yīng)力最大值位于靠近支點處上弦桿位置，最大拉應(yīng)力約為178.8 MPa。壓應(yīng)力最大值位于靠近支點處下弦桿位置，最大壓應(yīng)力約為-153.6 MPa(圖4～圖6)。

圖4 新家橋主橋有限元計算模型

圖5 標準組合工況下支座反力

圖6 標準組合工況下主橋應(yīng)力

4 主橋施工方案及交通組織

4.1 主橋縱向?qū)ΨQ頂推施工方案

常規(guī)的鋼桁梁橋施工方式主要有整體頂推施工、浮運拖拉施工、支架法施工等方法。由于京杭運河屬于三級航道水域，水上交通繁忙，運河水域?qū)儆谒幢Ｗo地，因此不適合在河道上方架設(shè)支架以及浮運拖拉，綜上所述本工程主橋推薦采用整體頂推施工方法。

新家橋主橋中跨跨徑較大，施工時水中禁止設(shè)置臨時墩的要求，主橋若采用從一側(cè)整體頂推施工方法，對施工控制要求較高，對橋梁整體受力不利。因此本工程在主橋安裝時采用兩岸半跨對稱頂推施工，到位后對跨中合龍段進行拼裝焊接的施工方法，縱向頂推施工主要分為以下3個步驟(圖7)。

圖7 主橋縱向?qū)ΨQ頂推施工

(1)步驟一：在南北兩岸搭建施工平臺，對半跨橋梁整體拼裝到位。

(2)步驟二：兩岸分別對稱頂推施工，并在步驟二對應(yīng)位置對邊跨壓重。

(3)步驟三：整體頂推到位后對跨中合龍段拼裝焊接，縱向頂推施工完成。

4.2 主橋橫向頂推施工及交通組織

新家橋規(guī)劃為城市主干路，交通地位重要，施工期間保證其交通通行對城市交通和經(jīng)濟發(fā)展具有重要的意義。因此本工程施工時，為保障交通通行，在縱向?qū)ΨQ頂推到位合龍段焊接完成后還需橫向頂推。新家橋主橋橫向頂推施工及交通組織主要分為以下4個步驟(圖8)。

圖8 主橋橫向頂推施工步驟及交通組織

(1)步驟一：新建東側(cè)橋墩，搭建臨時墩；老橋保持交通通行；

(2)步驟二：南岸搭建施工平臺新建整幅橋梁并縱向?qū)ΨQ頂推至橋位處；

(3)步驟三：拆除老橋，老橋樁基基礎(chǔ)上新建橋墩；翻交至新橋上；

(4)步驟四：橫向平移橋梁至橋墩處，拼接鋼梁挑臂，恢復交通。

5 結(jié)束語

本文以蘇州新家橋改建工程為背景，闡述了在復雜邊界條件和嚴苛通行保證要求的前提下，應(yīng)對不同限制條件的橋梁總體設(shè)計思路與原則。創(chuàng)新性地提出了較新穎的橋梁結(jié)構(gòu)和較合理的施工方法，系統(tǒng)性解決了老橋改建時橋上交通擁堵、橋下通航凈空不足、樁基建設(shè)對軌交影響較大、施工交通組織困難等問題。綜上所述本文橋梁總體設(shè)計方案主要有以下幾點技術(shù)創(chuàng)新：

(1)部分利用老橋樁基新建橋墩，在地鐵控制保護區(qū)范圍內(nèi)最大限度降低樁基施工對運行中軌交安全性的影響，同時也節(jié)省工程造價。

(2)創(chuàng)新性的設(shè)計了開敞式鋼桁梁結(jié)構(gòu)，利用了上承式鋼桁梁結(jié)構(gòu)跨度大、梁高小的特點，在滿足通航跨徑同時，又有效降低了主梁結(jié)構(gòu)高度，減小了接坡長度，同時無橫向連接桿件的設(shè)計也提升了橋梁景觀品質(zhì)。

(3)橋梁施工采用主橋先縱向?qū)ΨQ頂推后焊接合龍，再橫向平移的施工安裝方法，配合合理的交通組織方式，有效地保證了施工期間的交通通行，最大程度減小橋梁建設(shè)對城市交通影響。