徐升橋，劉永鋒

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 工程概況

圖1 京新高速公路上地斜拉橋立面(單位:m)

京新高速公路北京市上地分離式立交橋以19°的斜交角度跨越既有京包鐵路、地鐵13號線及在建京張城際鐵路。大橋采用(46+46+230+98+90)m獨塔單索面預應力混凝土曲線斜拉橋，其立、平面布置如圖1、圖2所示。主塔采用塔、墩固結體系，主梁(圖3)支承于塔墩上，塔高101 m，主梁中心高3.37 m，索塔高度與中跨比為0.38，主梁主跨的高跨比為1/68，主塔兩側各設22對斜拉索;橋梁位于曲線上，從北京往包頭方向，依次為半徑920 m的38.903 m圓曲線、245 m緩和曲線、226.097 m直線，以及縱坡(2.0%)+豎曲線(半徑11 000 m)+縱坡(－1.478%)。

圖2 京新高速公路上地斜拉橋平面

圖3 京新高速公路上地斜拉橋主梁標準橫斷面(單位:mm)

2 結構精細化設計

斜拉橋作為高次超靜定結構，一般都是采用分階段逐步完成的施工方法，因而必須模擬現(xiàn)場施工過程中的每個工序，以對斜拉橋的每一個施工階段進行詳盡的分析和驗算［1，2］，確定合理的施工狀態(tài)，求得斜拉索各關鍵施工階段的拉索索力、主梁撓度以及截面內力和應力等施工控制參數(shù)理論值，使斜拉橋成橋后達到理想成橋狀態(tài)。由于目前的計算能力尚無法對全橋進行精細實體有限元分析，且目前的大型通用有限元程序對于施工階段模擬以及收縮徐變計算方面尚不成熟，因此采用桿系橋梁計算軟件對全橋進行施工階段分析后，再將分析得到的內力、索力等施加到局部精細有限元模型上，是一個相對合理科學的計算分析方法。

2.1 主梁精細化設計

主梁采用頂推法施工，頂推長度212 m，頂推距離213 m，頂推總重250 000 kN。為了克服頂推工程中的“十頂九裂”現(xiàn)象，對主梁每前進1 m計算1次，得出主梁的應力包絡圖(圖4)和各臨時墩的支反力包絡圖［3］。

圖4 主梁施工過程應力包絡圖

如圖5所示，主梁B段(頂推段)前端設有鋼導梁，鋼導梁預埋于混凝土箱梁端部，通過剪力連接件和混凝土箱梁連接成整體，以傳遞頂推過程中的彎矩和剪力。鋼導梁預埋段長度為4 m，為保證結合部鋼梁與混凝土箱梁共同工作，鋼梁頂板、底板以及腹板和混凝土接觸面均設置了剪力連接件。

圖5 主跨頂推施工示意(單位:m)

主梁B段(頂推段)尾端設有頂推用牽引索錨點構造(圖6)，共12根牽引索錨固于端部將B段主梁頂推至指定位置。

圖6 牽引索錨點主梁端部構造(單位:mm)

主梁的斜拉索錨固區(qū)(圖7、圖8)承受很大的集中荷載，傳力機制復雜，錨固塊周圍局部區(qū)域混凝土處于空間應力狀態(tài)，可能存在較大的主拉應力導致混凝土開裂，從而影響斜拉橋的安全性和耐久性。

圖7 主梁尾索節(jié)段

圖8 主梁塔根節(jié)段

采用大型通用有限元程序對以上關鍵構造進行精細有限元分析，重點關注鋼梁與混凝土的界面行為，為綜合評價結合部連接件設計的安全性與可靠性提供依據(jù);以及主梁的支點處底板、斜拉索錨固點和主梁頂推段前端、尾端等關鍵構造的局部應力。從而確保結構安全，實現(xiàn)了主梁結構在頂推過程中和成橋運營狀態(tài)不開裂。

2.2 主塔精細化設計

主塔(圖9)是由上塔柱(斜拉索錨固區(qū))、中塔柱、下塔柱組成，塔柱為偏心受壓受力構件，塔柱均為鋼筋混凝土結構，混凝土采用C55。

圖9 主塔塔形及橫梁預應力

主塔承臺以上高101 m，橋面以上高88 m。上塔柱為拉索錨固區(qū)，刻槽矩形變截面，上緣截面為5 m×6.6 m，下緣截面為6.627 m×14.748 m，直線+圓曲線變化，斜拉索在塔上交錯錨固，小里程側的拉索錨固在截面中部，其錨槽尺寸為2.4 m×1 m，大里程側的拉索錨固在截面兩側，分別設置錨槽，其尺寸為1.2 m×1 m;中塔柱分為雙斜柱，矩形變截面，截面橫橋向高4.55 m，寬由6.627～8.0 m線性變化。下塔柱橫梁采用預應力混凝土結構，布置了鋼束以抵抗中塔柱傳來的拉力。

主塔是全橋設計的關鍵，由于主塔塔形復雜，塔柱與橫梁交界處受力狀態(tài)復雜，采用桿系模型分析很難準確地反映主塔的實際受力狀態(tài)，因此采用大型通用有限元程序對主塔各施工階段進行精細有限元分析，為綜合評價主塔裂縫控制方案提供參考。

正常運營階段橋梁有縱向約束，在汽車及風荷載等作用下不會發(fā)生縱向位移，但在大震作用下該縱向約束會失效，從而延長結構的第一階周期，減小結構的地震反應，提高橋梁的抗震能力。因此設計了一個在正常運營階段有效、大震作用下失效的縱向約束裝置(即塔梁間彈性連接裝置)。該彈性連接裝置的構造為:在塔和梁上設置2對錨固塊，通過拉索將塔和梁的錨固塊縱向連接起來，從而達到縱向約束的效果，大震作用下拉索破斷，從而使縱向約束失效。該構造設計的要點是，在拉索破斷前確保錨固塊本身不破壞，由于錨固塊局部應力復雜，需要對錨固塊在拉索破斷力作用下的結構響應進行精細的分析［4］。

通過對施工、運營階段下塔柱及塔墩箱體、斜拉索與主塔的錨固段、梁塔彈性連接的錨固塊等重點構造進行局部應力分析，優(yōu)化局部構造及配筋，改善了局部應力狀態(tài)。

3 混凝土曲線箱梁頂推(拖拉)施工新方法

3.1 現(xiàn)狀及局限性

預應力混凝土箱梁頂推(拖拉)法施工是在沿橋縱軸方向的后方預制梁體，靠前方的千斤頂提供拉力，拉動拉桿或拉索(另一端錨固在梁體上)，借助各墩頂滑塊、滑道，限位措施等，將梁體逐漸向前頂推(拖拉)就位。

目前，曲線箱梁的頂推施工多應用于平面上拖拉段主梁軸線為統(tǒng)一半徑的圓曲線的梁體上，對于平面上拖拉段線型復雜的梁體，如位于緩和曲線或者圓曲線、緩和曲線、直線等多線型軸線上梁體，因頂推過程梁體運行軌跡的復雜不確定性，頂推法應用很少。

在一般的拖拉過程中，各個墩頂均設置限位及糾偏裝置，以限制和糾正拖拉過程中梁體的橫向位移，保證梁體按照設定的圓軌跡線前進。

頂推過程中，在各個墩頂均設置限位及糾偏裝置，使梁體在拖拉過程中同時受多個限位力作用，橫向受力狀況不明確，同時可能由于各個墩頂限位裝置剛度的差異而引起不可預知的橫向位移，增加拖拉過程中的風險性。

3.2 解決思路與頂推(拖拉)施工新方法

(1)通過設計將位于緩和曲線和多線型軸線上的箱梁體底面與限位側面的中心線擬合成圓曲線(圖10～圖11、表1)，即為頂推(拖拉)前進的軌跡線。

以頂推段梁體的起點和終點作為控制點，用通過這兩點的圓曲線擬合線路軸線，選取合適的圓曲線半徑，使得線路軸線在圓曲線兩側的偏移量均很小，實際中線路半徑比較大，所以兩側偏移量均不大，對整個梁體的成橋后受力影響很小。

設計梁體截面時，底面和限位面按圓曲線為對稱軸線，而頂板則仍按線路軸線為對稱軸。擬合后的圓曲線向后延伸即為拖拉過程的軌跡線，兩者的差值通過調節(jié)箱室的寬度尺寸實現(xiàn)，這樣，就保證了頂推施工過程中運動軌跡為圓曲線，又滿足了線路各種線型的需要。

(2)提出了頂推(拖拉)過程中兩點限位方式(圖11～圖12、表1)，使得梁體在頂推(拖拉)過程中受力明確，控制更簡單，頂推(拖拉)過程更加安全。

采用兩點限位的方式，即頂推過程每個狀態(tài)，僅在最靠近頂推梁段首尾端的支承墩上設置限位及糾偏裝置。由于兩點限位平面上為靜定結構，作用點和方向確定，根據(jù)簡單的力平衡原理計算確定頂推過程各狀態(tài)在拖拉力作用下曲線梁橫向的作用力的大小。同一限位點上，受壓一側安置限位裝置使箱梁的前進緊貼著限位裝置進行，另一側安置糾偏裝置以防止頂推過程中由于頂推力的不均衡性而引起梁體的橫向位移;頂推過程中如果梁體偏離限位裝置，則采用糾偏裝置使梁體返回頂推(拖拉)軌跡線正常運行。

通過上述混凝土曲線箱梁橋連續(xù)頂推(拖拉)設計施工方法，使得頂推(拖拉)施工可以適用于緩和曲線和多線型橋梁，并且使頂推(拖拉)過程橫向受力明確，限位糾偏的控制簡單易行，施工過程更加安全可靠，同時由于減少了限位糾偏裝置節(jié)省了工程投資。

圖10 拖拉段梁體平面

圖11 拖拉段梁體截面

圖12 拖拉過程中兩點限位糾偏裝置布置

表1 圖10～12符號的含義

4 斜拉索安裝亮化燈具的風致穩(wěn)定性

本橋為北京市中關村科技園區(qū)的標志性建筑物，根據(jù)景觀設計的需要進行了夜景照明設計。由于景觀燈具的布置會改變斜拉索的外形，從而改變斜拉索的斯卡拉頓數(shù)(Sc)，由此會對斜拉索風致振動產生一定的影響，景觀燈具對斜拉索風致振動影響是本項目的一個關鍵問題;同時考慮到本橋需在斜拉索主梁錨固處附近設置阻尼器裝置，對增加景觀燈具后抑制斜拉索大幅風致振動所需的阻尼比參數(shù)如何確定也是本橋設計最為關鍵的問題。

為了盡量減少照明燈具對拉索抗風性能的不利影響，將LED燈具嵌入斜拉索的護套內(直徑為D)，解決了大跨度斜拉橋亮化燈具易于產生風振(振幅Amax)的技術難題。如圖13所示。

圖13 斜拉索燈具布置示意(單位:mm)

通過對京新上地斜拉橋斜拉索安裝景觀燈具后的風致振動效應［5，6］進行理論與試驗研究，得到如下主要結論。

(1)橋位基本風速V10=28.6 m/s，地表粗糙度系數(shù)為α=0.3，成橋狀態(tài)斜拉索設計基準風速Vd=27.0 m/s。

(2)主橋全部斜拉索的前5階自振頻率，其中C10'N號斜拉索一階自振頻率為1.012 8 Hz，C22W號斜拉索一階振動頻率為0.608 4 Hz。

(3)斜拉索渦激振動二維時域分析結果表明:C10'N與C22W斜拉索的渦激振動響應接近，不同阻尼比條件下渦激振動鎖定區(qū)間基本保持不變，渦激共振鎖定區(qū)間約為Vred=V/fD=4.7～5.3(D—拉索直徑、V—實際風速、f—拉索的自振頻率);當阻尼比ξ=0.5%時，最大無量綱振幅小于1%。

(4)斜拉索風致振動風洞試驗結果表明:當阻尼比ξ=0.1%時，C10'N斜拉索前五階自振頻率對應的渦激振動鎖定風速區(qū)間1.1～6.3 m/s的常風速范圍內，無量綱最大振幅為Amax/D=0.022;C22W斜拉索前5階自振頻率對應的渦激振動鎖定風速區(qū)間0.5～4.9 m/s的常風速范圍內，無量綱最大振幅為Amax/D=0.009。

(5)綜合斜拉索渦激振動二維分析結果和風洞試驗結果，當斜拉索阻尼比較低時(ξ=0.1%)，斜拉索會在常風速下發(fā)生渦激共振現(xiàn)象，對應的最大振幅約為0.022D;隨著阻尼比的增加，該振幅逐漸減小，當阻尼比達到ξ=0.5%時，未觀測到明顯的渦激共振現(xiàn)象。建議在安裝斜拉索的減振阻尼器時確保斜拉索與阻尼器的系統(tǒng)阻尼比要達到0.5%的要求，以確保斜拉索安裝景觀燈具后的風致振動安全性。

5 檢查維修系統(tǒng)設計

5.1 主塔檢查維修系統(tǒng)

斜拉索兩端錨頭分別錨固在索塔及主梁上，索塔作為主要承重構件，承受斜拉索傳遞來主梁重力及各種荷載作用。實心塔由于斜拉索錨頭外露，檢修需要在塔外高空作業(yè)，并且受塔外斜拉索的影響，檢修困難。為此設計了斜拉橋主塔檢修系統(tǒng)(圖14、圖15)，包括以下主要構件。

圖14 實心橋塔檢修系統(tǒng)塔頂平面布置

圖15 實心橋塔檢修系統(tǒng)塔頂立面布置

(1)攀爬系統(tǒng):設置在橋塔側面，解決檢修人員達到塔頂?shù)膯栴}，攀爬系統(tǒng)由質輕、耐腐蝕、強度高的鋁合金爬梯組成，同時配有高處作業(yè)防墜落系統(tǒng)，保證攀爬人員的安全。攀爬系統(tǒng)可以配置助爬器系統(tǒng)，可以幫助維護人員到達塔尖。

(2)高空作業(yè)平臺吊點機構，布置在塔頂。插桿回轉式吊點，可水平方向180°回轉，不用時將吊鉤轉動至塔頂內固定，使用時將吊鉤轉動至塔外使用。

(3)高空防墜落機構，設置在塔頂，保證檢修人員在工作時的安全。

(4)高空作業(yè)平臺，采用高強度鋁合金焊接而成。不用時放置在室內，檢修時推至橋面，通過吊繩吊在塔頂?shù)母呖兆鳂I(yè)平臺吊點機構上，升降控制系統(tǒng)安置在高空作業(yè)平臺上，由檢修人員直接控制作業(yè)平臺上下。

檢修工作時，將高空作業(yè)平臺從室內推至橋塔下的橋面處，人員攜帶吊繩與防墜落安全繩，從爬梯爬上主塔，將吊繩一端固定于回轉式吊鉤上，將防墜落安全繩一端固定于塔頂?shù)姆缐嬄錂C構上，轉動回轉式吊點插桿，使插桿上吊鉤懸于塔頂邊緣外，放下吊繩與防墜落安全繩，橋下人員將吊繩安裝在橋面處高空作業(yè)平臺上，檢修人員進入作業(yè)平臺，將防墜落安全繩系在身上，啟動升降控制系統(tǒng)，將平臺升至橋塔的檢修部位，對橋塔進行檢修。

檢修結束后，降下高空作業(yè)平臺，將吊繩解下，塔頂人員收起吊繩，將回轉式吊點插桿轉動后固定。順爬梯爬下，將高空作業(yè)平臺推至室內，檢修結束。

5.2 拉索檢查維修系統(tǒng)

為滿足斜拉索及其照明燈具需要日常檢查維修的需要，設計了一種單索面斜拉橋斜拉索檢修系統(tǒng)(圖16)，包括以下主要構件。

圖16 單索面斜拉橋斜拉索檢修系統(tǒng)立面布置

(1)爬升器，利用斜拉橋最上面的1對斜拉索作為爬升軌道，爬升器上安置帶卡槽滾輪，卡槽滾輪與斜拉索PE護套同樣材質，保證了對斜拉索PE護套不會產生損害，卡槽滾輪卡在最上面一對斜拉索上，自身攜帶動力裝置，通過吊繩使爬升器可以沿最上面一對斜拉索上下爬行。爬升器具備水平自動可調節(jié)距離功能，從而實現(xiàn)爬升器的爬行適合在間距變化的斜拉索上爬行。

(2)爬升器吊繩機構，安置最上方斜拉索上方，一端固定于塔上，另一端固定于梁上。吊繩方向與斜拉索方向接近平行，爬升器爬行時，拉著吊繩前進。

(3)作業(yè)平臺，通過吊繩安裝在爬升器上，自身具有動力裝置，可以豎直方向上下移動，爬升器和作業(yè)平臺的升降控制系統(tǒng)均安置在作業(yè)平臺內，由檢修人員直接控制作業(yè)平臺上下及爬升器沿斜拉索的爬行。

(4)高空防墜落機構，設置在塔上，通過防墜落安全繩與檢修人員連接在一起，保證檢修人員在工作時的安全。

爬升器可以沿斜拉索爬行，爬升器上掛的作業(yè)平臺可以在上下垂直移動，二者結合，從而實現(xiàn)了作業(yè)平臺可以到達全部斜拉索的各個位置，從而實現(xiàn)對全部斜拉索及上附屬燈具的檢修功能。

6 結語

京新高速公路上地橋是主跨230 m的獨塔單索面預應力混凝土曲線斜拉橋，主梁采用頂推法施工，頂推長度212 m，頂推距離213 m，頂推總重250 000 kN，綜合技術指標國內領先;首創(chuàng)LED護套式斜拉索照明設計，解決了大跨度斜拉橋亮化燈具易于產生風振的技術難題;設計的操作簡便、安全可靠的新型檢查維修系統(tǒng)滿足了運營管理的需要。相關新技術、新工藝已分別取得(申報)了國家專利和部級工法，2011年12月31日大橋建成通車，已成為北京市中關村科技園區(qū)的標志性建筑物。

［1］徐升橋，劉永鋒.北京市六環(huán)路斜拉橋設計關鍵技術［J］.鐵道標準設計，2009(11):52-55.

［2］鐘建輝，劉永鋒，焦亞萌.京包高速公路上地斜拉橋總體結構靜力分析［J］.鐵道勘察，2011(3):99-101.

［3］焦亞萌，劉永鋒，鐘建輝.京新高速上地斜拉橋頂推施工設計［J］.鐵道標準設計，2012(7):69-74.

［4］聶建國，陶慕軒，徐升橋，劉永鋒.斜拉橋塔梁彈性連接拉索錨固塊局部受力性能分析［J］.鐵道科學與工程學報，2010(S):36-40.

［5］陳政清.斜拉索風雨振現(xiàn)場觀測與振動控制［J］.建筑科學與工程學報，2005(4):5-10.

［6］陳政清，曹宏，禹見達，王修勇.磁流變阻尼器在洪山大橋拉索減振中的應用［J］.中南公路工程，2005(4):27-30.