崔苗苗,嚴(yán)定國(guó)

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 工程概況

鄭萬(wàn)鐵路位于豫、鄂、渝三省市境內(nèi)，線路自鄭州東站引出，經(jīng)許昌、平頂山后至南陽(yáng)，過(guò)鄧州后進(jìn)入湖北省境內(nèi)，經(jīng)襄陽(yáng)、?？?、興山、巴東后進(jìn)入重慶市境內(nèi)，經(jīng)巫山、奉節(jié)、云陽(yáng)至萬(wàn)州接上在建的渝萬(wàn)客運(yùn)專線[1]。

本項(xiàng)目在南陽(yáng)市方城縣趙河鎮(zhèn)與南水北調(diào)總干渠發(fā)生交叉，跨越處渠道為半挖半填方渠道，過(guò)水?dāng)嗝鎯蓚?cè)邊坡系數(shù)為1∶2，底寬21.0 m，渠底高程131.463 m，橋址位置南水北調(diào)干渠概況如圖1所示。南水北調(diào)中線工程，從丹江口水庫(kù)引水，全線總長(zhǎng)1 267 km，工程重點(diǎn)解決河南、河北、天津、北京4個(gè)省市，沿線20多座大中城市提供生活和生產(chǎn)用水，其重要性不言而喻。因此，橋梁設(shè)計(jì)及施工應(yīng)從綠色橋梁建設(shè)的基本思想入手，避免主橋施工和運(yùn)營(yíng)期間產(chǎn)生的廢水、廢料、廢棄物落入橋下干渠，總之就是要確保主橋施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的“零”污染，以保證橋下一渠河水可以安全送達(dá)京津冀地區(qū)。

圖1 橋址位置南水北調(diào)干渠

1.1 基本資料

(1)線路情況：平面位于直線上，立面位于平坡上；

(2)水文資料：趙河鎮(zhèn)南水北調(diào)干渠設(shè)計(jì)流量Q1%=2 870 m3/s，設(shè)計(jì)水位H1%=134.54 m，設(shè)計(jì)流速V1%=2.3 m/s；

(3)氣象資料：年平均氣溫在14.7 ℃，年最熱月平均氣溫為26.6 ℃，年最冷月平均氣溫為6.4 ℃，極端最高氣溫41.4 ℃，極端最低氣溫-21.2 ℃；全年平均風(fēng)速1.8 m/s，最大風(fēng)速27 m/s；

(4)地震資料：主橋位于地震設(shè)防等級(jí)7度地區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度0.1g。

1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路等級(jí)為高速鐵路、雙線無(wú)砟軌道；設(shè)計(jì)時(shí)速350 km；設(shè)計(jì)荷載為ZK活載；線間距為5.0 m。

1.3 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)南水北調(diào)中線干線工程專用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《其他工程穿越或跨越南水北調(diào)中線干線工程設(shè)計(jì)技術(shù)要求》(NSBD-ZXJ-1-02)，跨越南水北調(diào)干渠工程需滿足以下要求。

(1)橋梁應(yīng)采用一跨跨越挖方渠道兩側(cè)的一級(jí)馬道或填方渠道外坡腳，其下部結(jié)構(gòu)不應(yīng)對(duì)渠道邊坡和襯砌結(jié)構(gòu)等造成不利影響。

(2)橋梁布置不應(yīng)影響中線干線工程的管理維護(hù)交通車輛通行，運(yùn)行維護(hù)道路以上凈空尺寸不應(yīng)小于4.5 m。

(3)跨渠建筑物不應(yīng)影響渠道兩側(cè)的排水溝、截流溝等排導(dǎo)水設(shè)施功能，不應(yīng)堵塞地面行洪通道。

(4)跨渠建筑物的排水系統(tǒng)在施工、運(yùn)行、維護(hù)檢修期間所有污水不應(yīng)排入中線干線工程一級(jí)水源保護(hù)區(qū)內(nèi)。

2 主橋橋梁方案設(shè)計(jì)

2.1 孔跨布置研究

橋梁主跨設(shè)置應(yīng)滿足南水北調(diào)中線管理局相關(guān)要求(一跨跨越總干渠兩側(cè)防護(hù)堤，并滿足兩側(cè)馬道4.5 m凈空)。鄭萬(wàn)鐵路與南水北調(diào)交叉地段總干渠與線路夾角為60°，總干渠兩側(cè)截水溝外側(cè)圍欄間距離約為112.04 m，為滿足一跨跨越南水北調(diào)干渠，且橋墩施工不侵入截水溝的原則[2]，綜合考慮基礎(chǔ)尺寸、施工安全距離及工程投資等因素，推薦采用160 m主跨，橋梁孔跨平面布置如圖2所示。

2.2 橋式方案比選

橋梁形式選擇應(yīng)在滿足使用功能的前提下，力求適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀、新穎[3-4]，富有時(shí)代風(fēng)貌，要充分體現(xiàn)當(dāng)今世界現(xiàn)代化橋梁建設(shè)的新技術(shù)、新水平、新理念；同時(shí)要立足國(guó)內(nèi)，選用技術(shù)先進(jìn)可靠、經(jīng)濟(jì)合理適度、施工方便可行、結(jié)構(gòu)安全耐久的橋型方案，高速鐵路橋梁與一般橋梁設(shè)計(jì)相比，最為關(guān)鍵的是對(duì)結(jié)構(gòu)剛度、運(yùn)營(yíng)階段結(jié)構(gòu)后期變形等控制要求高[5]。主跨160 m可采用的橋式方案有：連續(xù)梁拱橋、部分斜拉橋及連續(xù)鋼桁梁橋等，3種橋式方案比較如表1所示。

本橋位推薦采用連續(xù)梁拱方案，該體系具有梁體內(nèi)力峰值減小，內(nèi)力分布趨于平緩、結(jié)構(gòu)豎向剛度更大、結(jié)構(gòu)后期變形更易于控制等優(yōu)點(diǎn)[8-10]，已成功應(yīng)用于京滬高鐵、廣深港客運(yùn)專線、合福鐵路、武九客專等，工程造價(jià)經(jīng)濟(jì)、設(shè)計(jì)施工技術(shù)成熟，而且可采用先梁后拱的施工方案，對(duì)南水北調(diào)干渠造成干擾小。

2.3 橋梁方案設(shè)計(jì)2.3.1 橋式方案

按照技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、適用耐久、經(jīng)濟(jì)美觀的設(shè)計(jì)原則以及南水北調(diào)方要求，趙河鎮(zhèn)上跨跨南水北調(diào)干渠特大橋主橋采用(74+160+74) m連續(xù)梁拱，主跨160 m跨越南水北調(diào)總干渠兩側(cè)防護(hù)堤，橋墩設(shè)置在防護(hù)堤坡腳外側(cè)，橋梁總長(zhǎng)309.6 m，橋面寬14.2 m。主橋立面如圖3所示。

圖2 橋梁孔跨平面布置(單位：m)

表1 橋式方案比選

圖3 主橋立面布置(單位：m)

2.3.2 主梁

主梁采用單箱雙室變高度箱形截面，腹板為直腹板，中支點(diǎn)處梁高8.5 m，邊支點(diǎn)及跨中處梁高4 m，變高段主梁梁底按曲線半徑為501.02 m的圓曲線變化。

拱腳位置主梁頂板寬度為16.3 m，頂板厚度為0.52 m，其余位置頂板寬度為14.2 m，頂板板厚為0.42 m；中支點(diǎn)位置主梁底板寬13.6 m，其余位置底板寬10.8 m，底板厚度0.35～0.975 m；邊支點(diǎn)處局部底板厚0.8 m，邊支點(diǎn)和中支點(diǎn)附近底板設(shè)直徑0.8 m檢查孔，底板上設(shè)置有截水槽和泄水孔。

腹板板厚0.4～0.55～0.7 m，中支點(diǎn)處局部腹板厚1.3 m，邊支點(diǎn)處局部腹板厚0.85 m。主梁采用C55混凝土，主梁斷面如圖4所示。

圖4 主梁橫截面(單位：cm)

2.3.3 拱肋

拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，拱肋截面采用啞鈴形截面[11]，高3.0 m，拱肋弦管直徑為1.0 m，板厚16 mm；兩弦管之間采用板厚為16 mm的綴板連接，拱肋弦管及腹腔內(nèi)采用C50自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土填充。兩榀拱肋間橫向中心距11.8 m，拱肋間設(shè)置9道空間鋼管桁架撐，橫撐鋼管內(nèi)不填充混凝土。

拱肋計(jì)算跨度160 m，矢高32 m，矢跨比為0.2，設(shè)計(jì)拱軸線為二次拋物線，設(shè)計(jì)拱軸線方程為：y=-1/200x2+0.8x。

2.3.4 吊桿

為保證施工和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)對(duì)吊桿索力的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，在每根吊桿內(nèi)設(shè)置有磁通量傳感器，通過(guò)數(shù)據(jù)采集箱集中收集吊桿的索力狀態(tài)。

3 主橋綠色設(shè)計(jì)研究

南水北調(diào)干渠屬于城市供水工程，水質(zhì)采用飲用水標(biāo)準(zhǔn)，主橋設(shè)計(jì)時(shí)從綠色橋梁設(shè)計(jì)的基本思想入手[12-13]，采取合理的構(gòu)造措施，避免主橋運(yùn)營(yíng)過(guò)程中對(duì)南水北調(diào)干渠造成影響。

3.1 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主橋基礎(chǔ)采用15根φ2.2 m鉆孔樁基礎(chǔ)，承臺(tái)順橋向×橫橋向×厚度為14.9 m×26.2 m×7 m，小里程側(cè)主墩承臺(tái)距離外側(cè)圍欄最近距離5.3 m，距離坡腳最近距離為21.3 m；大里程側(cè)承臺(tái)主墩承臺(tái)距離外側(cè)圍欄最近距離為5.1 m，距離坡腳最近距離為17.9 m，主橋下部結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)總干渠坡腳、截水溝和圍欄造成影響。主墩基礎(chǔ)平面布置如圖5所示。

圖5 主墩基礎(chǔ)布置平面(單位：m)

3.2 橋面排水設(shè)計(jì)

本橋采用箱內(nèi)集中排水，通過(guò)設(shè)置外徑為10 cm的排水管，將橋面積水匯入設(shè)置在主梁腹板內(nèi)側(cè)的縱向排水管，縱向排水管從主橋跨中分別向兩側(cè)延伸，穿過(guò)中支點(diǎn)橫隔板至兩側(cè)簡(jiǎn)支梁橋墩，排入橋墩附近集水槽，匯入相應(yīng)水渠，排出南水北調(diào)總干渠和一級(jí)水源自然保護(hù)區(qū)影響范圍。橋面排水橫向布置見(jiàn)圖6。

圖6 橋面排水橫向布置

排水管過(guò)水面積A=0.1 m2，縱向坡度i=1%，采用橋梁勘察水文計(jì)算模塊計(jì)算，排水管可通過(guò)水流量為Q=0.3 m3/s；橋面匯水面積F=0.005 km2，根據(jù)橋址處的暴雨參數(shù)值，計(jì)算得主橋橋面百年匯水流量為Q=0.2 m3/s，小于排水系統(tǒng)的通水流量，設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)可滿足橋面排水要求。

3.3 橋面防拋落物設(shè)計(jì)

高速鐵路為封閉車廂，過(guò)往車輛乘客拋棄物的情況較為少見(jiàn)，為避免出現(xiàn)檢修過(guò)程中拋棄物對(duì)干渠造成的影響，在橋梁外側(cè)豎墻位置設(shè)置防拋網(wǎng)，高度不低于2 m。如圖7所示。

圖7 橋面防拋網(wǎng)設(shè)計(jì)(單位：cm)

3.4 吊桿錨固區(qū)密封防腐材料設(shè)計(jì)

索體與錨具結(jié)合部位是整個(gè)防腐體系的薄弱環(huán)節(jié)，目前索導(dǎo)管部位密封以防腐油脂、聚氨酯發(fā)泡塑料、油性蠟、聚硫防腐密封膠等耐蝕材料填充為主，其中防腐油脂高溫下易液化流出，油性蠟多為進(jìn)口材料、價(jià)格貴，聚硫防腐密封膠構(gòu)造稍復(fù)雜，本設(shè)計(jì)采用聚氨酯發(fā)泡塑料作為吊桿錨固區(qū)密封防腐材料，高溫下不液化，不影響南水北調(diào)干渠水質(zhì)。

學(xué)生已經(jīng)具備了整數(shù)的四則運(yùn)算、小數(shù)的意義和性質(zhì)，乘法運(yùn)算律的相關(guān)知識(shí)內(nèi)容與方法.在這種情況下，應(yīng)注意調(diào)動(dòng)學(xué)生頭腦中的已有認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)，利用舊知識(shí)建構(gòu)并重組新知識(shí).如乘法運(yùn)算律與小數(shù)乘法的意義及小數(shù)乘法計(jì)算法則之間的關(guān)系，通過(guò)已經(jīng)學(xué)過(guò)的知識(shí)習(xí)得對(duì)新知識(shí)的理解.

4 主橋綠色施工方案研究

4.1 基礎(chǔ)施工方案研究

承臺(tái)采用鋼板樁支護(hù)開(kāi)挖現(xiàn)澆施工，承臺(tái)四周利用垂直鋼板樁圍護(hù)，施工鋼板樁和承臺(tái)時(shí)，應(yīng)避免破壞南水北調(diào)干渠圍欄。此外，基礎(chǔ)施工時(shí)應(yīng)采取以下水源保護(hù)措施。

(1)在樁基施工過(guò)程中，泥漿池按規(guī)范設(shè)置在南水北調(diào)總干渠紅線以外，并及時(shí)用泥漿泵將多余的泥漿泵送至集中地點(diǎn)，用水罐車封閉運(yùn)輸至距離南水北調(diào)干渠200 m以外的指定位置。

(2)基坑開(kāi)始開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)在坑頂護(hù)坡道外設(shè)截水溝和排水溝，將施工廢水排至指定位置，截水溝應(yīng)有防滲措施。

(3)基坑開(kāi)挖完成后，在基坑底基礎(chǔ)0.5～1.0 m外應(yīng)留有排水溝和集水井，采用水泵將滲水排出基坑，并最終排至指定位置。

4.2 主梁施工方案研究

主梁采用前支點(diǎn)全封閉掛籃懸澆施工[14]，先合龍邊跨后合龍主跨，為防止施工期間養(yǎng)生用水、墜物等落入南水北調(diào)干渠，采取以下防護(hù)措施。

(1)在箱梁兩側(cè)設(shè)攔水帶，防止橋面養(yǎng)護(hù)水下流。

(2)將箱梁上的預(yù)留孔洞暫時(shí)封閉。

(3)箱梁側(cè)面及內(nèi)壁養(yǎng)護(hù)采用養(yǎng)護(hù)劑或覆膜養(yǎng)生。

(4)掛籃采用全封閉掛籃[10](圖8)，杜絕從掛籃上掉落廢水、雜物等。

(5)在已完工橋面外側(cè)設(shè)置防拋落物網(wǎng)，避免施工期間橋面落物墜入渠道。

(6)每施工完一個(gè)節(jié)段，收集掛籃中的養(yǎng)護(hù)膜、防水布料、廢水、廢物等，統(tǒng)一集中處理。

圖8 全封閉掛籃

4.3 拱肋施工方案研究

為減少拱肋施工高空作業(yè)時(shí)間，拱肋采用以橋面為工作面，矮支架拼裝豎轉(zhuǎn)合龍的施工方案。拱肋施工時(shí)應(yīng)采取如下措施降低對(duì)南水北調(diào)干渠的影響。

(1)拱肋除焊接處外均在工廠完成所有涂裝，盡量減少現(xiàn)場(chǎng)涂裝的工作量。

(2)拱肋施工時(shí)，在主梁外側(cè)設(shè)置橫向?qū)挒? m的防火板，遮擋焊接拱肋的火花，避免對(duì)南水北調(diào)造成影響。

(3)拱肋合龍后，在拱肋下方設(shè)置臨時(shí)封閉“錨道”，防止鋼管內(nèi)混凝土灌注養(yǎng)護(hù)期間，廢水、雜物等落入干渠。

4.4 施工監(jiān)控方案研究

主橋施工期間應(yīng)由相應(yīng)資質(zhì)和經(jīng)驗(yàn)的單位承擔(dān)施工監(jiān)測(cè)與控制任務(wù)，確保結(jié)構(gòu)和施工安全[15]；此外，主橋施工全過(guò)程中，還應(yīng)對(duì)南水北調(diào)干渠襯砌、邊坡進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析，判斷南水北調(diào)干渠變形，對(duì)南水北調(diào)干渠運(yùn)營(yíng)安全進(jìn)行預(yù)警。對(duì)觀測(cè)變形超標(biāo)的節(jié)段，分析產(chǎn)生的原因，研究對(duì)策，提出整改措施，以保證南水北調(diào)干渠的安全。

5 主橋結(jié)構(gòu)計(jì)算

在主橋設(shè)計(jì)方案可行的基礎(chǔ)上對(duì)主橋進(jìn)行有限元計(jì)算，確保主橋施工和運(yùn)營(yíng)期間的安全。采用橋梁博士建立有限元模型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，共劃分189個(gè)單元，根據(jù)擬定的施工步驟對(duì)全橋進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。

5.1 主梁計(jì)算結(jié)果

運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下，主梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表2所示，強(qiáng)度及抗裂計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表2 主梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表3 主梁強(qiáng)度及抗裂計(jì)算結(jié)果

在ZK靜活載作用下，主跨最大豎向位移33.3 mm，撓跨比1/4 800，梁端轉(zhuǎn)角0.78‰，成橋后1 500 d，主梁邊跨徐變下?lián)?.5 mm，中跨徐變上拱18.9 mm。

5.2 拱肋計(jì)算結(jié)果

運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下，拱肋應(yīng)力主要計(jì)算結(jié)果如表4所示。拱肋最小強(qiáng)度安全系數(shù)2.2，拱肋縱向穩(wěn)定系數(shù)10.03，拱肋橫向穩(wěn)定系數(shù)5.17。

表4 拱肋主要計(jì)算結(jié)果

5.3 吊桿計(jì)算結(jié)果

主力作用下吊桿最大應(yīng)力為253 MPa，最小安全系數(shù)6.6；主加附作用下吊桿最大應(yīng)力284 MPa，最小安全系數(shù)5.9；吊桿最大疲勞應(yīng)力幅128 MPa。

6 結(jié)語(yǔ)

從綠色橋梁設(shè)計(jì)的基本思想入手，通過(guò)對(duì)主橋橋梁方案、綠色設(shè)計(jì)方案、綠色施工方案和結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，得到如下結(jié)論。

(1)主橋采用160 m主跨，一跨跨越南水北調(diào)干渠，兩側(cè)主墩設(shè)置于南水北調(diào)干渠圍欄外側(cè)，對(duì)南水北調(diào)干渠主體結(jié)構(gòu)沒(méi)有影響。

(2)主梁采用前支點(diǎn)全封閉掛籃懸澆施工，拱肋采用橋面矮支架拼裝豎轉(zhuǎn)合龍方案，可保證主橋施工期間對(duì)南水北調(diào)干渠水質(zhì)不產(chǎn)生影響。

(3)在主梁內(nèi)部設(shè)置縱向排水管收集橋面雨水，引至南水北調(diào)總干渠影響范圍以外，且在主橋范圍內(nèi)箱梁兩側(cè)設(shè)置防拋網(wǎng)，可保證運(yùn)營(yíng)期間對(duì)南水北調(diào)干渠水質(zhì)不產(chǎn)生影響。

(4)主橋采用連續(xù)梁拱橋，通過(guò)計(jì)算分析，采用梁上拱肋加勁，可有效降低主梁建筑高度，增大結(jié)構(gòu)剛度，改善主橋受力性能。