王富君

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600)

1 矮塔斜拉橋簡(jiǎn)述

矮塔斜拉橋的出現(xiàn),使斜拉橋和梁式橋作為一個(gè)整體體系設(shè)計(jì)變成了可能。與一般斜拉橋不同,矮塔斜拉橋的豎向荷載由主梁和斜拉索共同承擔(dān),當(dāng)斜拉索的承擔(dān)率不同時(shí),其結(jié)構(gòu)受力特性也不相同。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)和施工方法確定斜拉索的承擔(dān)率有很大的靈活性,但也是一個(gè)難點(diǎn)。根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì),已建成矮塔斜拉橋的主梁梁高與跨度、主塔高度與跨度的關(guān)系如圖1～圖3所示,圖中數(shù)據(jù)對(duì)擬定構(gòu)造尺寸有幫助作用。

圖1～圖3中等效跨度L指3跨橋的最大跨徑,2跨橋按最大跨度的1.8～2.0倍換算。圖中數(shù)據(jù)表明,目前矮塔斜拉橋的最大跨度基本都在300 m以下,梁高、塔高與跨度的關(guān)系離散性也比較大,這也說(shuō)明矮塔斜拉橋構(gòu)造尺寸與斜拉索的大小及其角度有關(guān)系,也就是說(shuō)與斜拉索承受主梁豎向荷載的分擔(dān)率有關(guān)系,一般情況橋塔越高,斜拉索的分擔(dān)率就越高。矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)應(yīng)從擬定的構(gòu)造尺寸和預(yù)應(yīng)力鋼束配置情況,結(jié)合其施工方法,通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算,根據(jù)主梁的撓度、應(yīng)力、強(qiáng)度等結(jié)果綜合分析,確定其預(yù)應(yīng)力束配置以及斜拉索的豎向荷載分擔(dān)率。

圖1 跨中梁高與跨度關(guān)系

圖2 墩頂梁高與跨度關(guān)系

圖3 塔高與跨度關(guān)系

2 橋式方案選擇

橋位處原道路采用下穿方式穿越鐵路線,既有下穿橋在道路方向上長(zhǎng)約40.8 m,橋上既有6股鐵路線,均為電氣化鐵路,橋位處各種鐵路用電力桿密集。既有下穿框架橋?yàn)?孔橋,中間孔為機(jī)動(dòng)車道,兩邊孔為非機(jī)動(dòng)車道。根據(jù)城市建設(shè)要求,原中間孔改為城市景觀渠,機(jī)動(dòng)車道需上跨鐵路通過(guò)。

跨越既有鐵路線橋梁施工時(shí),為了盡可能降低橋梁施工對(duì)既有鐵路正常運(yùn)營(yíng)的干擾,本橋最終確定采用2跨矮塔斜拉橋,墩頂平面轉(zhuǎn)體法施工,根據(jù)T構(gòu)澆筑和轉(zhuǎn)體就位后后澆段支架邊緣距鐵路最小距離控制條件，跨度確定為2×70 m。

3 2×70 m矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)與施工

該橋根據(jù)跨既有鐵路線的實(shí)際情況,在鐵路一側(cè)平行鐵路方向分段澆筑2×65 m斜拉T構(gòu),然后墩頂平面轉(zhuǎn)體就位,澆筑長(zhǎng)4.96 m后澆段。

3.1 構(gòu)造形式

本橋?yàn)殡p向6車道,全橋總寬27.5 m,其中中央分割帶3 m,兩側(cè)防護(hù)欄各0.5 m,兩側(cè)行車道各11.75 m,橋梁橫斷面見圖4。

圖4 橋梁橫斷面(單位：cm)

橫斷面采用單箱三室箱梁截面,斜拉索錨固于中室頂板下方,中室兩側(cè)腹板中心間距2.7 m?？缰兄小⑦吀拱搴穹謩e為0.3 m和0.4 m,梁端處采用2.5 m長(zhǎng)的過(guò)渡段,分別增厚至0.7 m和0.6 m。中墩中心兩側(cè)各22 m至19 m處中、邊腹板分別增厚至0.5 m和0.6 m,中墩中心兩側(cè)各6.2 m至3.2 m處中、邊腹板分別增厚至0.9 m和0.8 m。

端橫梁厚2.0 m,索橫梁厚0.4 m,中橫梁在兩邊室處采用雙壁形式,厚度1.5 m,凈距離3.4 m,墩中心頂處采用平面尺寸為6.4 m×6.4 m的正方形實(shí)體,此處是為了擬合轉(zhuǎn)體球鉸尺寸。

主梁在S1索和中墩之間采用梁底圓曲線(半徑111.25 m)過(guò)渡的變高截面,變化段長(zhǎng)21 m,在此范圍內(nèi),底板厚度先從25 cm漸變至70 cm,同樣采用圓曲線過(guò)渡,變化段長(zhǎng)18 m,然后從70 cm增厚至140 cm,變化段長(zhǎng)3 m,中墩頂?shù)雀呓孛骈L(zhǎng)6.4 m。見圖5。

圖5 成橋立面(單位：cm)

斜拉索采用163根φ7 mm平行鋼絲,獨(dú)塔雙排布置,共28根斜拉索。橋塔錨固區(qū)為了配合錨具對(duì)稱、交錯(cuò)布置所需尺寸,采用擴(kuò)大構(gòu)造尺寸、變截面的方式過(guò)渡,詳見圖6。

圖6 橋塔、橋墩構(gòu)造(單位：cm)

橋址處地基承載能力較弱,主橋墩又承載了橋梁絕大部分荷載,使主橋基礎(chǔ)所需樁基較多(20根φ1.5 m鉆孔灌注樁),承臺(tái)平面面積大。轉(zhuǎn)體時(shí)作用于球鉸的荷載為永存荷載,球鉸平面直徑小,一般在4 m以下,若采用墩底轉(zhuǎn)體方法施工,必須采用很厚的承臺(tái)才能使分配于各個(gè)樁基的豎向力相對(duì)比較均勻,基坑開挖過(guò)深又不利于既有鐵路框架橋路基的穩(wěn)定,為了解決這個(gè)問題,本橋采用墩頂轉(zhuǎn)體法施工,橋墩采用A形橋墩,詳見圖6,這樣既降低了承臺(tái)厚度,又優(yōu)化了樁基受力,還減輕了轉(zhuǎn)體重力。

3.2 設(shè)計(jì)荷載

梁體、橋塔的自重按γ=26 kN/m3計(jì)算；收縮徐變荷載根據(jù)規(guī)范計(jì)算,持續(xù)時(shí)間按10年考慮；邊護(hù)欄和防護(hù)屏按26 kN/m計(jì)算,中護(hù)欄及路緣石按26.5 kN/m計(jì)算,橋面鋪裝按85 kN/m計(jì)算?；詈奢d根據(jù)規(guī)范按最多6車道加載計(jì)算,沖擊系數(shù)根據(jù)成橋后橋梁恒荷載體系計(jì)算其豎向基頻,根據(jù)最終計(jì)算結(jié)果,豎向基頻為2.01 Hz,根據(jù)規(guī)范對(duì)應(yīng)沖擊系數(shù)為0.107,計(jì)算中按0.11取值。

梁體溫度梯度根據(jù)橋面鋪裝厚度按規(guī)范取值；橋塔溫度梯度按單側(cè)升溫或降溫5 ℃計(jì)算,整體升溫和降溫分別按20、-25 ℃計(jì)算；索與主梁和橋塔的溫差按15 ℃計(jì)算；成橋理論溫度按20 ℃設(shè)計(jì)。

3.3 施工方案

該橋轉(zhuǎn)體T構(gòu)澆筑時(shí)離鐵路很近,為確保鐵路運(yùn)營(yíng)安全,相關(guān)部門要求采用滿堂支架現(xiàn)澆施工。考慮到懸臂長(zhǎng)65 m,若采用一次澆筑,混凝土硬化過(guò)程與支架產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形,可能會(huì)使梁體出現(xiàn)施工裂縫。為了盡可能規(guī)避這些不安全因素,設(shè)計(jì)時(shí)將65 m長(zhǎng)梁體分為5段澆筑,每個(gè)階段分別澆筑9、9、14.5、15、17.5 m,具體施工步驟如下。

(1)施工橋墩,在主橋墩頂安裝轉(zhuǎn)體球鉸,試轉(zhuǎn)后臨時(shí)固定。

(2)澆筑第1階段梁段,2×9 m,張拉T1預(yù)應(yīng)力束，預(yù)應(yīng)力束大樣及編號(hào)詳見圖7。

(3)澆筑橋塔。

(4)澆筑第2階段梁段,兩端各9 m,張拉T2預(yù)應(yīng)力束。

(5)澆筑第3階段梁段,兩端各14.5 m,張拉T3預(yù)應(yīng)力束,張拉S1斜拉索，斜拉索編號(hào)見圖5。

(6)澆筑第4階段梁段,兩端各15 m,張拉T4預(yù)應(yīng)力束,按由外到內(nèi)的順序依次張拉S4、S3、S2斜拉索。

(7)澆筑第5階段梁段,兩端各17.5 m,張拉T5預(yù)應(yīng)力束,按由外到內(nèi)的順序依次張拉S7、S6、S5斜拉索。

(8)澆筑兩側(cè)防護(hù)欄、安裝防護(hù)屏,拆除支架,稱重、施加配重,轉(zhuǎn)體施工就位。

(9)搭設(shè)后澆段施工支架,澆筑后澆段梁段,兩側(cè)各4.96 m,按腹板、底板、頂板位置順序?qū)ΨQ張拉成橋預(yù)應(yīng)力束。

(10)澆筑后澆段兩側(cè)防護(hù)欄、安裝防護(hù)屏,施工中央分割帶路緣石、安裝鋼護(hù)欄,橋面鋪裝。

圖7 箱梁預(yù)應(yīng)力束配置(單位：cm)

以上各個(gè)施工主梁澆筑階段,均先張拉橫橋向預(yù)應(yīng)力,再?gòu)埨v橋向預(yù)應(yīng)力。本橋斜拉索采用一次張拉的方法,主梁和橋塔處均采用張拉端墩頭錨,這樣施工時(shí)可根據(jù)具體情況選擇在塔上張拉或梁內(nèi)張拉。

3.4 計(jì)算分析

對(duì)于該橋而言,橫橋向設(shè)計(jì)與一般箱梁橋雷同,只是橋面板有無(wú)索區(qū)和有索區(qū)的區(qū)別,這里不再多述,下文主要對(duì)縱橋向設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

主梁按A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì),橋塔按鋼筋混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì),斜拉索成橋后(收縮、徐變完成后)安全系數(shù)按2.5設(shè)計(jì)、施工階段按2.0設(shè)計(jì)。主梁、橋塔按平面桿系單元模擬；斜拉索按桁架單元模擬,施工階段另用索單元進(jìn)行校核。

根據(jù)施工步驟,橋梁在整個(gè)過(guò)程中有3個(gè)主要受力狀態(tài)：

(1)在支架上分段澆筑、張拉預(yù)應(yīng)力束和斜拉索過(guò)程。

(2)拆除支架,橋梁處于斜拉T構(gòu)狀態(tài)。

(3)成橋狀態(tài)。

對(duì)于(1)狀態(tài),因梁體采用滿堂支架分段現(xiàn)澆施工,梁體和支架每個(gè)施工階段的受力狀態(tài)是基于如下認(rèn)識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)的：

①當(dāng)張拉預(yù)應(yīng)力束后,梁體對(duì)支架的作用力會(huì)重新分布,某些局部位置可能增大；

②斜拉索張拉后,梁體對(duì)支架的作用力會(huì)減小,支架的安全度會(huì)更高。

設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),對(duì)支架的模擬按兩種極端狀態(tài),即：不考慮支架支撐和只受壓無(wú)限剛支撐進(jìn)行分析。若兩種模擬方法使梁體在各個(gè)施工步驟的最終狀態(tài)下上、下緣應(yīng)力滿足規(guī)范要求,則梁體在支架上的中間狀態(tài)也是安全的。這樣的設(shè)計(jì)方法避免了設(shè)計(jì)階段模擬支架精度不夠而且煩瑣的過(guò)程。

狀態(tài)(2)完全處于斜拉懸臂T構(gòu)狀態(tài),所有T構(gòu)重力全部作用于橋墩上。此狀態(tài)主要驗(yàn)算梁體、斜拉索的應(yīng)力狀態(tài)和梁端撓度。成橋(3)狀態(tài)主要驗(yàn)算梁體應(yīng)力、強(qiáng)度和索的應(yīng)力。

通過(guò)初步分析計(jì)算,本橋施工階段和成橋階段主梁應(yīng)力都不控制最終計(jì)算結(jié)果,計(jì)算分析焦點(diǎn)集中到了施工階段梁體位移和成橋后主梁抗彎承載能力驗(yàn)算上。綜合分析發(fā)現(xiàn),適當(dāng)增加橋塔高度可以在降低斜拉索索力情況下減小主梁在轉(zhuǎn)體懸臂狀態(tài)時(shí)撓度,而對(duì)成橋后梁體強(qiáng)度驗(yàn)算影響很小,故本橋采用橋塔高度比圖3粗線對(duì)應(yīng)值大些。

本橋每個(gè)斜拉索張拉階段,梁體都未脫離支架(不考慮支架支撐時(shí),梁體豎向撓度總是向下),受支架支撐的梁體變形相對(duì)較小,這就給張拉索力控制帶來(lái)了很大方便,這也是設(shè)計(jì)之初考慮的一個(gè)因素。最終成橋索力采用遞歸計(jì)算方法,使成橋后短期效應(yīng)組合下斜拉索最大應(yīng)力控制在1 670/2.5=668 MPa,即索拉力值4 190 kN,考慮到《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》中規(guī)定矮塔斜拉橋索的安全系數(shù)可采用1.67,本橋成橋恒荷載索力采用主梁收縮徐變完成后的索力。各個(gè)狀態(tài)下斜拉索索力值見表1。

表1 各狀態(tài)下斜拉索索力值 kN

表1中：T1為理論初始張拉力,該力用于計(jì)算索的無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng),本橋索兩端坐標(biāo)按理論成橋狀態(tài)下塔端和梁端的錨固點(diǎn)計(jì)算；T2為轉(zhuǎn)體狀態(tài)索力；T3為初成橋恒荷載狀態(tài)下索力；T4為按10年期考慮收縮、徐變完成后恒荷載狀態(tài)下成橋索力；T5為汽車荷載引起的最大索力。

從表1可以看出,成橋后由混凝土主梁收縮、徐變引起的斜拉索索力下降較大。而主梁的抗彎剛度較大,斜拉索承擔(dān)的汽車荷載較小。

成橋主梁預(yù)應(yīng)力束配置數(shù)量由正截面下拉抗彎承載能力驗(yàn)算控制,因底板束產(chǎn)生的二次力較大,本橋采用了底板束與腹板束結(jié)合的配置方法,每條腹板配置1排(3根)腹板束,頂、底板束采用12-φs15.2,腹板束采用19-φs15.2,計(jì)算中未考慮普通鋼筋的作用,將其作為安全儲(chǔ)備考慮,預(yù)應(yīng)力束配置詳見圖7,頂、底束采用平彎方式在腹板處錨固。

根據(jù)最終計(jì)算結(jié)果：轉(zhuǎn)體狀態(tài)時(shí),梁端和各索橫梁處的向下?lián)隙戎捣謩e為80、55、42、30、20、11、5、1 mm。全橋墩頂以上總重11 0650 kN,橋塔重5 200 kN,橋面鋪裝、防護(hù)欄等二期恒載重19 250 kN。轉(zhuǎn)體重力86 250 kN。轉(zhuǎn)體時(shí)斜拉索豎向荷載分擔(dān)率為(49 900-5 200)/(86 250-5 200)=55.2%,成橋初時(shí)(48 300-5 200)/(110 650-5 200)=40.9%,收縮、徐變完成后(43 800-5 200)/(110 650-5 200)=36.6%?？v向預(yù)應(yīng)力束總質(zhì)量86.4 t,指標(biāo)值為26 kg/m3。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家鐵路路網(wǎng)不斷加密,跨越既有鐵路橋梁也隨之增加,鐵路作為國(guó)家經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈,任何對(duì)鐵路正常運(yùn)營(yíng)干擾,都會(huì)給國(guó)家經(jīng)濟(jì)造成巨大的損失。大懸臂平面轉(zhuǎn)體施工法,因其在鐵路上方操作的時(shí)間很短,大大降低橋梁施工對(duì)既有鐵路線正常運(yùn)營(yíng)的干擾。在梁橋基礎(chǔ)上結(jié)合斜拉索優(yōu)點(diǎn)的矮塔斜拉橋,不僅提高了梁橋的跨越能力,同時(shí)降低了梁高,降低梁高即縮短了橋梁整體長(zhǎng)度,也減少了橋梁轉(zhuǎn)體施工及成橋后的重力,降低了橋梁基礎(chǔ)造價(jià)。故從施工安全性和經(jīng)濟(jì)性考慮,對(duì)中等跨度的跨越既有鐵路線橋梁,平面轉(zhuǎn)體法施工的矮塔斜拉橋有很大的優(yōu)越性。

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