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        梁拱組合式跨線橋結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)

        2014-01-08 10:59:32,涂,溫,許
        城市道橋與防洪 2014年10期
        關(guān)鍵詞:豎桿系梁吊桿

        潘 龍 ,涂 雪 ,溫 政 ,許 筠

        (1.上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司,上海市200092;2.鄂爾多斯市中交交通規(guī)劃設(shè)計有限公司,內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000)

        1 工程概況

        蘇楊公路一號橋位于鄂爾多斯市東勝區(qū)鐵西三期與大興園區(qū)結(jié)合部,為上跨包茂高速公路的跨線橋。橋位距鄂爾多斯機場僅10 km,是機場通往市區(qū)的必經(jīng)之路。橋梁跨徑組合為35 m+90 m+35 m,全長160 m。橋型采用“彩虹型”三跨連續(xù)鋼混疊合式梁拱組合橋(見圖1),主梁采用鋼梁格-混凝土橋面板疊合梁結(jié)構(gòu)型式,拱肋立面線形為魚背曲線,由鋼箱結(jié)構(gòu)的上、下肢拱及“工字形”連接豎桿組成,上肢拱采用六邊形截面,下肢拱采用矩形截面。整幅橋全寬50 m,兩拱肋中心間距33 m,不設(shè)風(fēng)撐。

        圖1 蘇楊公路一號橋橋型效果圖

        該橋于2009年10月開工建設(shè),2010年10月竣工通車。

        2 設(shè)計技術(shù)標準

        (1)設(shè)計車速:60 km/h。

        (2)荷載等級:提高至公路—Ⅰ級的1.3倍取用,人群和非機動車荷載按規(guī)范取用。

        (3)設(shè)計安全等級:一級。

        (4)橋面寬度:橋梁橫斷面為雙向8車道,兩側(cè)各設(shè)4 m的非機動車道和3 m的人行道,全寬50 m。

        (5)溫度影響力:體系升溫30℃,體系降溫40℃。

        (6)橋梁設(shè)計抗震烈度:地震基本烈度7度,地震動峰值加速度0.1 g,地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s,跨線橋抗震設(shè)防類別為B類,均須進行E1地震作用和E2地震作用下的抗震設(shè)計。

        (7)下穿道路凈高要求:包茂高速公路凈高不小于5.5 m。

        3 設(shè)計要點

        3.1 橋型布置

        蘇楊公路一號橋與其上跨的包茂高速公路斜交11°,橋梁位于直線段。

        橫斷面布置:3.0 m(人行道)+4.0 m(非機動車道)+3.0 m(機非分隔帶、吊桿錨固區(qū))+14.75 m(機動車道)+0.5 m(防撞護欄)+14.75 m(機動車道)+3.0 m(機非分隔帶、吊桿錨固區(qū))+4.0 m(非機動車道)+3.0 m(人行道)=50 m。

        縱斷面設(shè)計:主跨中心樁號為K2+999.500,橋面設(shè)置R=3 500 m的豎曲線,從主跨中心向兩側(cè)分別設(shè)置3%和-3%的縱坡與地面道路銜接。

        上部結(jié)構(gòu)橋型布置為“彩虹型”下承式梁拱組合橋(見圖2),主梁為三跨連續(xù)體系,全橋按整幅設(shè)置。系梁中設(shè)水平拉索,和鋼系梁一同平衡水平推力。兩片拱肋間不設(shè)風(fēng)撐,拱肋由結(jié)合段、上肢拱、下肢拱、豎桿組成。拱肋計算矢跨比為1/4.5,最高點距系梁頂面19.7 m,拱肋凈矢高17.45 m,上肢拱截面為六邊形,下肢拱截面為矩形,豎桿截面為工字型。

        圖2 橋型立面布置圖(單位:mm)

        3.2 主梁

        主梁采用鋼-混凝土疊合梁,是由鋼梁格與混凝土橋面板形成的整體組合截面(見圖3)。鋼梁格由系梁、橫梁、中橫梁、端橫梁、挑梁、小縱梁組成。橋面板采用C50混凝土。

        圖3 橋梁橫斷面布置圖(單位:mm)

        系梁采用箱形截面,中跨標準段和邊跨標準段截面尺寸為2.0 m(寬)×2.7 m(高),其中頂板、底板、腹板均厚30 mm;中墩處拱梁結(jié)合處設(shè)長9.0 m的過渡段,梁高由2.7 m漸變?yōu)?.0 m,頂板、底板、腹板加厚至40 mm。邊墩處拱梁結(jié)合段長17.92 m,拱肋和系梁結(jié)合成整體,結(jié)合段梁高為漸變高度,斷面形式為矩形系梁與六邊形上肢拱肋組合成的不規(guī)則截面。根據(jù)主梁構(gòu)造不同,并結(jié)合斜交上跨包茂高速支架施工的需要,全橋系梁共分為邊墩處拱梁結(jié)合段、中墩處拱梁結(jié)合段、A型節(jié)段、B型節(jié)段、C型節(jié)段,共5種類型26個節(jié)段,節(jié)段長度為9~18 m,節(jié)段吊裝重量約為30~106.5 t。

        系梁中跨對應(yīng)吊點位置和邊跨對應(yīng)豎桿位置,設(shè)置橫梁,橫梁標準間距4 m,局部間距根據(jù)構(gòu)造調(diào)整。橫梁采用“工”字形截面,頂面設(shè)置1.5%橫坡,底面與系梁底面齊平,中心處梁高2.52 m。橫梁頂、底板厚20 mm,寬600 mm,腹板厚16 mm。在兩根系梁外側(cè),設(shè)置“工”字形挑梁布置非機動車道和人行道,挑梁與橫梁以及系梁橫隔板位置相對應(yīng)。挑梁根部高度為2.257 5 m,懸臂端高度為0.325 m。橫梁與系梁腹板焊接,系梁腹板受力較大且板厚較厚,因此設(shè)計采用Z向板,Z向性能級別為Z25。

        中墩處下肢拱與系梁結(jié)合部設(shè)置中橫梁。中橫梁采用箱形截面,頂面設(shè)置1.5%橫坡,高度2.587 5~2.82 m,寬度2.72 m,其中頂板厚20 mm,底板厚36 mm,腹板厚30 mm。每間隔1.6 m、1.7 m,設(shè)置一道橫隔板,橫隔板厚16 mm。

        邊墩處上肢拱與系梁結(jié)合部設(shè)置端橫梁。端橫梁采用箱形截面,頂面設(shè)置1.5%橫坡,高度2.287 5~2.52 m,寬度1.905 m,其中頂板厚20 mm,底板厚36 mm,腹板厚30 mm。每間隔1.6 m、1.7 m,端橫梁設(shè)置一道橫隔板,橫隔板厚16 mm。

        橫梁、中橫梁、端橫梁之間,沿縱橋向設(shè)置7道小縱梁。小縱梁采用“工”字形截面,梁高0.55 m,頂板厚16 mm,寬600 mm,底板厚16 mm,寬400 mm,腹板厚12 mm。在兩根系梁外側(cè),單側(cè)各挑梁之間沿縱橋向設(shè)置兩道小縱梁。

        與鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合成一體的鋼筋混凝土橋面板除系梁外沿全橋?qū)挷贾?。橋面板分預(yù)制板和現(xiàn)澆縫部分,預(yù)制板厚0.26 m?,F(xiàn)澆接縫混凝土通過鋼梁頂面的抗剪栓釘、預(yù)制板的外伸鋼筋及接縫縱橫向鋼筋聯(lián)結(jié)成整體。為控制預(yù)制橋面板收縮,預(yù)制板應(yīng)提前制作,存放3個月以上,方便吊運安裝。

        疊合梁施工方法為鋼梁工廠制造現(xiàn)場拼裝,混凝土梁現(xiàn)場預(yù)制吊裝后現(xiàn)澆濕接頭。鋼梁制造具體要求見鋼結(jié)構(gòu)制造加工技術(shù)要求。

        光窗口底板設(shè)置在各挑梁之間,底板厚10 mm,底板開設(shè)橢圓形孔洞,板上設(shè)置縱橫加勁肋,光窗口底板與挑梁底板焊接連接,并在小縱梁位置通過豎向加勁板與小縱梁腹板焊接。光窗口底板在上部結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件安裝完畢、第一批吊桿張拉完畢后方可安裝。

        3.3 拱肋

        該橋兩片拱肋間不設(shè)風(fēng)撐,拱肋由結(jié)合段、上肢拱、下肢拱、豎桿組成(見圖4),為全鋼結(jié)構(gòu),材質(zhì)為Q345qE。

        上肢拱拱軸線為樣條曲線、直線段、圓弧組成的光滑曲線,拱軸線最高點距系梁頂面18.75 m。下肢拱拱軸線為拋物線,計算跨徑90 m,拱軸線最高點距系梁頂面17.85 m。

        位于跨中的上、下肢拱結(jié)合段截面高度由2.25 m漸變至4.096 m,斷面形式為矩形下肢拱與六邊形上拱肋組合成的不規(guī)則截面,頂、底板厚25 mm,腹板厚20 mm。結(jié)合段C局部加厚為頂、底、腹板均為36 mm。上肢拱拱肋截面為六邊形,截面高1.9 m,頂寬0.89 m,底寬1.86 m;上肢拱拱肋標準段頂、底板厚25 mm,腹板厚20 mm;在中墩位置,上肢拱加厚至頂、底板30 mm,腹板25 mm。下肢拱拱肋截面為矩形,高0.8 m,寬1.86 m,標準段頂、底、腹板厚均為36 mm。在下肢拱拱腳位置,加厚至頂、底、腹板厚均為40 mm,并且截面高度加大與系梁組成中墩節(jié)點。

        圖4 橋梁拱肋橫斷面圖(單位:mm)

        由于上肢拱肋剛度較大,吊桿上端穿過下肢拱和豎桿中圓管在上肢拱上錨固,拱肋橫隔板和橫向加勁肋均豎直布置,以適應(yīng)吊桿的錨固和豎桿布置。拱上單根吊桿由間距0.5 m的兩塊橫隔板、錨固節(jié)點墊板、鋼套管及其加勁板組成的錨固節(jié)點錨固。結(jié)合段橫向加勁板標準間距1.75 m,上肢拱橫向加勁板標準間距1.333 m,與豎桿位置對應(yīng)。橫隔板厚20 mm,其上開設(shè)人孔,橫向加勁板厚16 mm。

        上下肢拱連接豎桿為“工”字型斷面,橫橋向?qū)?.2 m,順橋向?qū)?.3 m,腹板厚20 mm,頂、底板和加勁板均厚20 mm,有吊桿通過位置的豎桿中間設(shè)吊桿套管。

        3.4 吊桿與水平索

        全橋吊桿共21對,吊桿間距4.0 m,拱上為錨固端,梁上為張拉端。吊桿采用帶PE護套的PES5-121型平行鋼絲,標準強度為1 670 MPa。每根吊桿錨具采用LZM5-121冷鑄墩頭錨及配套產(chǎn)品一套。

        全橋系梁水平索共8根,每根系梁內(nèi)張拉4根。水平索采用熱擠乙烯高強鋼絲拉索,每根為PESM7-139型平行鋼絲,標準強度1 670 MPa。采用兩端張拉錨固的形式,冷鑄錨錨固體系。

        吊桿與水平索防腐方案采用:拉索錨具(包括連接筒)在安裝就位前后均需在外表面涂上專用防腐潤滑脂。在橋梁使用過程中應(yīng)定期對錨具進行復(fù)查、補涂,防止錨具銹蝕。

        3.5 下部結(jié)構(gòu)

        主橋主墩采用柱式墩,立柱由變高度系梁連接。立柱順橋向與橫橋向的外形尺寸分別為2.2 m和6.0 m,墩身四周設(shè)R=0.5 m的圓弧倒角。立柱系梁寬1 m,橫橋向高度由中部的1.2 m通過圓弧漸變到端部的2.17 m。主墩承臺為啞鈴型承臺,單個承臺順橋向與橫橋向的尺寸分別為6.5 m和10.5 m,承臺系梁寬2.5 m,承臺厚2.5 m。立柱和承臺混凝土采用C30。

        橋臺為肋板式橋臺,臺身厚1.5 m,臺帽厚0.5 m,單幅橋設(shè)置4片0.4 m厚的肋板。橋臺承臺尺寸為50.4 m×4.3 m,厚2 m,中間設(shè)置2 cm沉降縫,臺后設(shè)擋土墻。

        為滿足橋梁上部結(jié)構(gòu)承載力及沉降的要求,經(jīng)分析計算比較,每個主墩承臺下設(shè)置15根φ1.5 m的鉆孔灌注樁,樁長34 m,持力層為第5層微風(fēng)化粉砂巖;每幅橋臺承臺下設(shè)置5根φ1.5 m的鉆孔灌注樁,樁長29 m,持力層為第4層中風(fēng)化砂巖。樁基混凝土均采用C30混凝土。

        3.6 鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝

        為了保證鋼結(jié)構(gòu)不受侵蝕,延長使用壽命,增加橋梁景觀效果,鋼主梁及鋼拱采用適合北方寒冷地區(qū)的重防腐涂裝體系。對環(huán)氧富鋅底漆+聚氨酯面、環(huán)氧富鋅底漆+氟碳面漆、電弧噴鋁復(fù)合涂裝體系三種涂裝方案進行比選,綜合考慮防腐效果、施工工藝要求和施工效率、造價等因素后確定外表面采用環(huán)氧富鋅底漆+厚漿型環(huán)氧云鐵中間漆+丙烯酸聚氨酯面漆的涂裝方案,總厚度310μm。

        4 施工關(guān)鍵技術(shù)

        4.1 施工工序

        先進行墩、臺、基礎(chǔ)施工,同時工廠制作鋼拱、鋼梁、吊桿及系桿索,預(yù)制混凝土橋面板;在高速公路分隔帶及高速公路以外范圍搭設(shè)臨時支墩,臨時墩上各鋼梁梁段就位,焊接接縫;吊裝預(yù)制混凝土橋面板,澆筑混凝土橋面板濕接頭;在橋面系架設(shè)拱圈支架,上、下肢拱節(jié)與豎桿預(yù)拼焊接成整體節(jié)段,各拱段就位,調(diào)整拱段標高,焊接各節(jié)段接縫;拆除拱肋支架,安裝吊桿,張拉吊桿力,安裝拱肋內(nèi)系桿索,并張拉系桿索;拆除主梁支架,橋面附屬設(shè)施施工,微調(diào)吊桿索力;進行荷載試驗,竣工通車。

        4.2 臨時支架搭設(shè)方案

        由于蘇楊公路一號橋跨越包茂高速公路,施工期間不能影響包茂高速公路交通,因此采用臨時墩少支架的施工方法。在各系梁接口處搭設(shè)臨時支墩。在高速公路隔離帶兩側(cè)搭設(shè)門式支架,門式支架頂面距高速路面不低于5.5 m(見圖5)。每組支架用4-φ400×8圓鋼管加角鋼支撐焊接成,臨時支墩基礎(chǔ)為混凝土基礎(chǔ)。

        圖5 臨時支架橫斷面示意圖

        4.3 鋼結(jié)構(gòu)安裝方案

        鋼梁安裝順序從一端向另一端依次安裝,每節(jié)段安裝順序為:兩側(cè)系梁→橫梁及其間的縱梁→吊裝(車行道部分)橋面板→安裝兩側(cè)托架、小縱梁→吊裝(外側(cè))橋面板。拱肋下方系梁兩側(cè)的托架、小縱梁及橋面板待拱肋安裝完成后進行。

        拱肋安裝在橋面鋼梁安裝完成后進行,從兩端向中間對稱進行吊裝就位,在支架上拼成節(jié)段整體后進行焊接。合攏段吊裝前焊接所有環(huán)縫,最后完成合攏段的安裝。200 t和160 t汽車吊用于拱肋吊裝作業(yè)。備用50 t汽車吊1臺用于小件吊裝。

        5 結(jié)語

        蘇楊公路一號橋設(shè)計綜合考慮了景觀效果、地方文化特色、施工方式、施工工期等因素,橋型采用了適合高速公路施工的三跨連續(xù)鋼混疊合式梁拱組合橋,并對結(jié)構(gòu)體系進行了優(yōu)化創(chuàng)新,使梁與拱在受力方面的優(yōu)點得以充分發(fā)揮,呈現(xiàn)出優(yōu)良、穩(wěn)定的經(jīng)濟指標與美觀的外形,充分做到力與美的協(xié)調(diào)統(tǒng)一(見圖6)。本文對該橋的橋型布置、主梁、拱肋、吊桿及下部結(jié)構(gòu)等部位的設(shè)計進行了詳細論述,并介紹了施工方式及技術(shù)特點,為類似工程的建設(shè)提供了借鑒價值。

        圖6 建成后的蘇楊公路一號橋

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