上跨鐵路站場咽喉區(qū)連續(xù)鋼箱梁設(shè)計與施工

朱永兵

（中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司，上海市 200070）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市平面交通系統(tǒng)不能滿足日常出行需求，逐漸向立體化交通方向發(fā)展。市區(qū)內(nèi)的高架橋梁建設(shè)往往會受到諸多因素的制約，如跨越鐵路、公路、航道及重要管線等。常要求在施工時盡量減小對橋下交通、河道通航行洪及堤防安全的影響，促進(jìn)了轉(zhuǎn)體、頂推等施工工藝的快速發(fā)展[1-9]。

當(dāng)城市高架橋梁需要同時跨越多條既有運(yùn)營鐵路線時，采用頂推施工工藝，跨徑大、施工便捷且對鐵路運(yùn)營影響小的優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景[10-12]。連續(xù)鋼箱梁是常見橋梁結(jié)構(gòu)形式，自重輕、強(qiáng)度高、跨越能力強(qiáng)、施工周期短的特點(diǎn)，可在工廠預(yù)制，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場后拼裝，其輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)可以做到較大的懸挑長度，非常適合頂推施工工藝，同時借助頂推設(shè)備鋼導(dǎo)梁的作用，使得頂推跨徑進(jìn)一步增大[13-15]。

本文以呼和浩特市巴彥淖爾路快速路跨越跨呼和浩特西站場咽喉區(qū)工程為例，對新建橋梁從建設(shè)環(huán)境、施工條件、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行了橋式方案比選，推薦三跨連續(xù)鋼箱梁頂推施工跨越鐵路咽喉區(qū)，介紹該橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計、頂推施工方案，并對結(jié)構(gòu)受力、施工階段受力進(jìn)行計算分析，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

本項目為城市快速路，是中心城“三環(huán)二橫六縱”快速路網(wǎng)的組成部分，是新機(jī)場與中心城的主要聯(lián)系通道，見圖1。同時也是公交主通道和市政管線走廊。該項目的實(shí)施，對于緩解西部區(qū)域的交通壓力，疏散中心城過境和出入境交通具有重要意義。

圖1 工程整體效果圖

本節(jié)點(diǎn)跨越某站場咽喉區(qū)，站場范圍內(nèi)共有16 股鐵路股道，其中包括京包客專、唐呼線及站場線，均為電氣化鐵路?，F(xiàn)狀地面道路采用六處8 m+12 m+8 m框架橋下穿鐵路站場咽喉區(qū)?？蚣軜蜷L度根據(jù)股道分布情況在12.6～44.7 m 不等，且各框架之間排列緊湊。

本工程高架橋上跨鐵路，與現(xiàn)狀下穿道路互為上下兩層，設(shè)計道路中心線與站場股道線夾角在78°～90°之間，橋梁平面位于直線上，立面位于0.3%的縱坡上，為雙向八車道。

2 主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

道路等級：主路城市快速路。

汽車荷載：城-A 級荷載，跨鐵路橋及相鄰跨按照1.3×城-A 級荷載設(shè)計。

橋下凈空：滿足電氣化鐵路凈空要求，并滿足頂推施工限界要求，接觸網(wǎng)支柱頂部距離梁底按照2.6 m空間預(yù)留。

設(shè)計速度：60 km/h。

橋梁設(shè)計安全等級：一級。

橋梁設(shè)計基準(zhǔn)期：100 a。

防撞等級：上跨客專段及鄰跨設(shè)置兩級防護(hù)。

抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：橋梁地震烈度為8度，水平向設(shè)計基本地震動加速度峰值為0.20g，橋梁為乙類，抗震措施按9 度設(shè)防。

3 總體設(shè)計

3.1 方案比選

為確保鐵路運(yùn)營安全，減少對鐵路的干擾，根據(jù)現(xiàn)場及周邊工程條件，現(xiàn)對頂推連續(xù)鋼箱梁方案和轉(zhuǎn)體斜拉橋方案進(jìn)行比選。

方案一采用61 m+62 m+67 m 連續(xù)鋼箱梁，見圖2。兩個主墩在六個框架橋的間隙內(nèi)立墩，且采用門式墩結(jié)構(gòu)跨越下層道路，門式墩內(nèi)壁與框架內(nèi)壁齊平，對下穿道路影響較小。施工方案采用步履式頂推施工，在引橋位置拼裝后，利用鐵路天窗點(diǎn)頂推至設(shè)計位置。

圖2 方案一：（61+62+67）m 頂推連續(xù)鋼箱梁（單位：m）

方案二采用111 m+222 m+111 m 雙塔單索面斜拉橋，見圖3。主塔位于現(xiàn)狀道路中間，壓縮了道路的通行斷面。施工方案采用轉(zhuǎn)體施工，主橋在平行于鐵路方向拼裝后，利用鐵路天窗點(diǎn)轉(zhuǎn)體至設(shè)計位置，對鐵路影響較小。

圖3 方案二：（2×110+2×112）m 轉(zhuǎn)體斜拉橋（單位：m）

上述兩個方案比較見表1。

表1 上跨鐵路橋梁方案影響對比

轉(zhuǎn)體斜拉橋方案雖然有對鐵路的影響小的優(yōu)勢，但也有明顯的缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)體前平行于鐵路施工，以及轉(zhuǎn)體時旋轉(zhuǎn)半徑大，需額外征用臨時用地，造成較大拆遷；同時，斜拉橋主塔壓縮了輔路斷面，對輔路交通組織影響較大，整體投資較大。

頂推連續(xù)鋼梁方案在站場咽喉區(qū)內(nèi)布設(shè)少量橋墩，施工時對鐵路影響有限，鋼梁施工過程均在既有征地紅線范圍內(nèi)進(jìn)行。對現(xiàn)狀道路基本無影響，且造價相對較小。故推薦頂推連續(xù)鋼箱梁方案。

3.2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

主橋上部采用三跨等高連續(xù)鋼箱梁設(shè)計，分為上下行兩幅橋，考慮到主橋上跨客運(yùn)專線需設(shè)置兩級防護(hù)，單幅橋面寬度較標(biāo)準(zhǔn)段17.0 m 加寬至20.1 m。主橋采用單箱四室分離式斷面。鋼箱梁線路中心線處梁高3.0 m。根據(jù)受力位置的不同，鋼箱梁各板件采用變厚度設(shè)計，一般截面頂板厚16 mm，底板厚20 mm，中支點(diǎn)處頂板加厚至30 mm，底板加厚至28 mm；邊支點(diǎn)處頂板加厚至20 mm，底板加厚至25 mm。頂板和底板采用U 型加勁肋，腹板采用板肋加勁肋。單箱四室共8 道腹板，腹板厚16 mm。縱向每隔3 m 設(shè)置一道橫隔板，實(shí)腹式和空腹式橫隔板交替布置，橫隔板板厚14 mm，支點(diǎn)處橫隔板布置稍密，橫隔板板厚28 mm。橫斷面見圖4。

圖4 單幅主橋橫斷面（單位：cm）

主橋下部采用預(yù)應(yīng)力混凝土門式墩橫跨現(xiàn)狀道路。確保下穿道路的交通功能不受本工程影響。橫斷面見圖5。

圖5 主橋橫斷面圖（單位：cm）

3.3 施工方案

本橋采用多點(diǎn)步履式頂推施工。與拖拉式相比，步履式具有對臨時墩產(chǎn)生水平力較小和安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。

本工程左右幅橋分別進(jìn)行頂推施工。在小里程側(cè)搭設(shè)拼裝平臺，單幅鋼箱梁總長度約190 m，采用鋼梁分節(jié)段拼裝，拼裝一段頂推一段的施工方案，直至頂推就位，見圖6。最大頂推重量約2 660 t，最大頂推距離230 m，跨間不設(shè)臨時墩，在墩頂布置步履式頂推裝置。鋼導(dǎo)梁重約80 t，由2 片等高度工字形梁組成，橫向中心距7.5 m，導(dǎo)梁長47.0 m。導(dǎo)梁根部與鋼箱梁相對應(yīng)豎腹板等高，高度為2.85 m，前端底板逐漸抬高0.62 m。圖6 為頂推支架橋墩布置圖。

圖6 頂推支架橋墩布置圖

本鋼梁頂推主要步驟如下：

（1）搭設(shè)拼裝支架、頂推平臺，設(shè)置滑道；

（2）拼裝A 節(jié)段鋼箱梁及導(dǎo)梁；

（3）在多次天窗點(diǎn)中完成第1 次頂推，導(dǎo)梁伸至10# 墩處；

（4）拼裝B 節(jié)段鋼箱梁；

（5）依次類推，直至主梁頂推到設(shè)計位置。

（6）拆除導(dǎo)梁、滑道、拼裝平臺；

（7）安裝永久支座、落梁；

（8）進(jìn)行后續(xù)橋面系等施工。

4 主梁受力分析

4.1 計算模型

本文對單幅橋梁結(jié)構(gòu)計算采用Midas Civil 空間有限元軟件，建立三跨等高連續(xù)鋼箱梁有限元模型，并考慮了下部結(jié)構(gòu)門式墩變形對結(jié)構(gòu)受力的影響。主梁、橋墩按照實(shí)際截面特性采用梁單元模擬，結(jié)構(gòu)計算模型見圖7。計算荷載主要包括恒載、汽車荷載、制動力、風(fēng)荷載、溫度作用等。

圖7 空間有限元計算模型

4.2 施工階段受力分析

（1）抗傾覆及最大支反力

頂推最不利傾覆工況發(fā)生在導(dǎo)梁前支腿落在10# 墩之前的最大懸臂狀態(tài)，此時傾覆彎矩為110 915 kN·m，抗傾覆彎矩為191 549 kN·m，得到縱向傾覆穩(wěn)定系數(shù)為1.73，大于1.3 的要求。

頂推過程中最大支反力位于11# 墩頂處，發(fā)生在頂推完成工況，反力大小為10 291 kN。

（2）位移

頂推過程導(dǎo)梁前端最大撓度為47.7 cm，出現(xiàn)在導(dǎo)梁處于最大懸臂狀態(tài)時，此時主梁懸臂端最大撓度為10.7 cm。

（3）強(qiáng)度

頂推過程主梁最大拉應(yīng)力為87.3 MPa，最大壓應(yīng)力為-96.8 MPa；導(dǎo)梁最大拉應(yīng)力為109.4 MPa，最大壓應(yīng)力為-109.4 MPa。施工過程受力滿足要求。

4.3 運(yùn)營階段受力分析

4.3.1 支座反力

標(biāo)準(zhǔn)組合下中支點(diǎn)最大支反力為26 657 kN，最小支反力為17 365 kN；邊支點(diǎn)最大支反力11 663 kN。最小反力為6 267 kN。支座均未脫空，且有較大壓力儲備。

4.3.2 結(jié)構(gòu)變形

連續(xù)鋼梁的豎向撓度見表2，結(jié)果表明主梁變形滿足要求。

表2 靜活載作用位移

4.3.3 鋼梁強(qiáng)度計算

（1）鋼梁第一體系計算

鋼梁強(qiáng)度計算需考慮剪力滯效應(yīng)及局部穩(wěn)定的影響，按現(xiàn)行《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64—2015）計算，跨中剪力滯折減系數(shù)為1.0，距支點(diǎn)12 m附近至支點(diǎn)處剪力滯折減系數(shù)由1.0 變到0.909；跨中頂板、底板受壓局部穩(wěn)定折減系數(shù)為0.997?；窘M合下頂板最大拉應(yīng)力為147.9 MPa，最大壓應(yīng)力為152.2 MPa。

（2）鋼梁第二體系計算

以橫隔板間的單根縱肋及一定寬度的橋面板作為整體，建立以橋面系為承力載體的第二體系受力模型?？v肋支承在主梁腹板、橫隔板上，考慮自重、鋪裝、汽車活載等作用。橋面板頂板U 肋第二體系計算跨徑取3 m，將U 肋和頂板組成的截面等效為工字截面；頂板板肋第二體系計算跨徑取1.5 m，將板肋和頂板組成的截面等效為T 型截面。計算有效寬度根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTG D64—2015）5.1.8.2 確定。根據(jù)圣維南原理，建立3 個橫梁間距的橋面系模型，其計算結(jié)果取中間段值。

計算可得，由頂板和U 肋構(gòu)成的第二體系最大拉應(yīng)力為106.2 MPa，最大壓應(yīng)力為-72.3 MPa；由頂板和板肋構(gòu)成的第二體系最大拉應(yīng)力為74.2 MPa，最大壓應(yīng)力為-52.5 MPa。故取由頂板和U 肋構(gòu)成的第二體系應(yīng)力與第一體系相疊加，作為頂板的強(qiáng)度設(shè)計值。考慮了第一、第二體系應(yīng)力疊加的強(qiáng)度結(jié)果見表3。計算結(jié)果表明：鋼箱梁正應(yīng)力、剪應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

表3 鋼箱梁應(yīng)力計算結(jié)果匯總

4.2.4 鋼結(jié)構(gòu)疲勞驗(yàn)算

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64—2015）第5.5.2條，采用疲勞荷載模型I 等效的車道荷載對鋼主梁進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。

主梁最大正應(yīng)力幅為24.6 MPa，最大剪應(yīng)力幅為6.3 MPa，根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》附錄C表C.0.2，疲勞細(xì)節(jié)類別為50 MPa。經(jīng)計算疲勞強(qiáng)度為51.6 MPa，允許正應(yīng)力幅為36.85 MPa，剪應(yīng)力幅為22.85 MPa，根據(jù)應(yīng)力幅分析可知，主梁疲勞強(qiáng)度滿足要求。

5 減小橋梁對鐵路運(yùn)營影響的措施

（1）跨鐵路橋梁采用步履式頂推方法施工，過程中嚴(yán)格按照《鐵路營業(yè)線施工安全管理辦法》執(zhí)行。

（2）為保證鐵路運(yùn)營安全，需要對既有橋墩、軌道的變形進(jìn)行安全監(jiān)測。監(jiān)測范圍主要包括施工范圍內(nèi)可能影響的鐵路橋墩，前后約0.3 km 范圍內(nèi)的軌道幾何狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

（3）上跨既有鐵路的橋梁及相鄰跨兩側(cè)設(shè)置堅固的防拋免維護(hù)裝置，其高度不低于2.5 m，防拋免維護(hù)裝置基礎(chǔ)必須與橋梁預(yù)埋件聯(lián)結(jié)，確保其強(qiáng)度、穩(wěn)定性滿足要求。

（4）橋梁兩側(cè)安裝異物監(jiān)測設(shè)備，實(shí)時監(jiān)控橋面異物侵限狀況。

6 結(jié)語

本文以城市高架跨越鐵路站場咽喉區(qū)工程為例，通過方案比選、結(jié)構(gòu)設(shè)計、頂推施工階段分析，得到主要結(jié)論如下：

（1）跨越鐵路站場咽喉區(qū)應(yīng)因地制宜地進(jìn)行方案比選，本工點(diǎn)跨越鐵路站場咽喉區(qū)采用連續(xù)鋼箱梁頂推方案合理可行。新建橋梁采用門式墩結(jié)構(gòu)，保證了既有道路的正常使用功能，提高了通行效率，對鐵路安全影響小。

（2）連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，施工階段受力合理，運(yùn)營階段剛度、強(qiáng)度、疲勞檢算均滿足規(guī)范要求。