李 靜

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 黑龍江哈爾濱 151006)

1 引言

現(xiàn)有立交橋因?yàn)榻ㄔO(shè)年代久遠(yuǎn)和橋面寬度較小，無法滿足城市發(fā)展和交通量加大要求，限制了道路通過能力，急需對既有橋拓寬改造。既有橋改造時(shí)受城市規(guī)劃限制一般采用原位改造，在方案設(shè)計(jì)上需對橋址處的地貌、周邊環(huán)境、施工方案、施工周期進(jìn)行綜合考慮，以確保設(shè)計(jì)方案的可行性、合理性。本文以東直路跨鐵路站場咽喉區(qū)立交橋改造為例，詳細(xì)闡述跨站場咽喉區(qū)的城市鋼箱梁橋的設(shè)計(jì)及施工技術(shù)，為類似工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

2 工程概況

(1)項(xiàng)目環(huán)境

東直路為哈爾濱市主城區(qū)的城市主干路，承載著市區(qū)與哈東站間的來往交通車輛。去往賓縣一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)和天恒山風(fēng)景旅游區(qū)、哈東一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)的車輛均需經(jīng)過此處。道路兩側(cè)商鋪、居民樓云集，道路規(guī)劃紅線寬60 m。既有跨線橋建于1965年，位于哈爾濱市東直路東端，跨越哈東站咽喉區(qū)。

(2)既有路、橋概況

隨著城市發(fā)展，東直路已擴(kuò)建為雙向六車道、路面全寬32 m的城市主干道。而既有東直路跨線橋僅為雙向四車道，橋面寬16 m，橋梁結(jié)構(gòu)為Lp＝9～16 m空心板梁橋。該跨線橋已嚴(yán)重限制了城市東部地區(qū)的交通發(fā)展，平時(shí)是小堵車，而早晚交通高峰就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重堵車現(xiàn)象，急需進(jìn)行拓寬改造。

(3)鐵路概況

本橋跨越哈東站咽喉區(qū)共9條鐵路線路，依次為摩托車線1、2線(工務(wù)線)，濱江上行線、5道(聯(lián)絡(luò)線)、濱江下行線、濱北下行線、濱北上行線、北遷線、水泥廠專用線。其中濱江上行線、濱江下行線、濱北下行線、濱北上行線4條線為正線電氣化鐵路，鐵路運(yùn)輸十分繁忙。摩托車1線至北遷線的8條線的線間距為38.63 m，北遷線距水泥廠專用線的線間距為32.09 m。鐵路線間距及鐵路與相關(guān)既有橋墩位置關(guān)系見圖1。

圖1 鐵路與既有橋墩位置關(guān)系(單位：m)

3 新建跨線橋設(shè)計(jì)方案

3.1 總體方案

依據(jù)城市規(guī)劃，既有橋中心線即為東直路中心線，無利舊既有橋、增設(shè)單幅橋的條件，故改造總體方案為:

(1)封閉該段道路，拆除既有橋，原位建新橋。

(2)新建橋分左、右兩幅建設(shè)，跨線橋全寬36 m，單幅寬18 m，雙向六車道。

(3)站場咽喉區(qū)內(nèi)，除水泥廠專用線與北遷線間距為32.09 m、有布置橋墩的條件外，其余各線間距為3.96～6.94 m，均無布設(shè)橋墩的條件，即主跨需一孔跨越8條鐵路線。

3.2 施工方案

本橋位于站場咽喉區(qū)內(nèi)，無鐵路線封閉施工條件。為確保鐵路運(yùn)營安全并減少對鐵路運(yùn)輸?shù)母蓴_，可選用的施工工法有:轉(zhuǎn)體施工、掛籃施工和頂推施工。本項(xiàng)目采用頂推施工，原因如下:

(1)本橋沿既有道路設(shè)置，橋址處道路兩側(cè)為8～9層的居民樓，道路紅線寬為60 m，無法滿足轉(zhuǎn)體施工半徑要求。

(2)站場咽喉區(qū)內(nèi)的接觸網(wǎng)采用的是軟橫跨形式，線路間距較小，無法設(shè)置防護(hù)棚架，無掛籃施工條件。

3.3 橋孔布置

本跨線橋分兩孔分別上跨8條鐵路線和水泥廠專用線。鑒于8條鐵路線的線間距為38.63 m，考慮原位建橋需避讓既有橋墩(鐵路兩側(cè)的既有橋墩間距為51.04 m)，并為頂推臨時(shí)支墩留出位置，主跨跨徑選為65 m。為避讓既有道路，同時(shí)考慮合理的邊中跨比(0.6～0.8)，兩邊跨跨度采用52 m。即跨越鐵路線部分的橋梁全長169 m，跨度布置為(52 m＋65 m＋52 m)，其中第三孔52 m跨跨越水泥廠專用線，第二孔65 m主跨跨越其余8條線。橋跨布置見圖2。

圖2 橋跨布置(單位：m)

3.4 梁型選擇

為方便布設(shè)頂推和滑移設(shè)備，梁體設(shè)計(jì)采用等截面形式。頂推施工的梁型通常采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁或鋼箱梁。

3.4.1 預(yù)應(yīng)力混凝土梁

預(yù)應(yīng)力混凝土梁具有結(jié)構(gòu)受力性能好、變形小、后期養(yǎng)護(hù)維修量小、抗震能力強(qiáng)的特點(diǎn)。當(dāng)預(yù)應(yīng)力混凝土梁采用等截面梁時(shí)，為使邊跨的正彎矩與中支點(diǎn)的負(fù)彎矩基本相當(dāng)，梁的高跨比通常為1/15～1/20[1]，頂進(jìn)施工時(shí)，為提高梁的剛度，梁高宜適當(dāng)加大。

3.4.2 鋼箱梁

鋼箱梁重量輕、建筑高度小，有利于下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工程總造價(jià)低；工廠化制作、現(xiàn)場拼裝，提高施工效率，適合北方施工期短的特點(diǎn)；鋼箱梁為閉合的箱體結(jié)構(gòu)，抗彎、抗扭剛度大；結(jié)構(gòu)新穎、外觀簡潔美觀。高跨比一般為1/25～1/30[2－3]。

3.4.3 梁型比選

(1)建筑高度比較。本橋位于哈東站咽喉區(qū)，咽喉區(qū)內(nèi)的8條鐵路線中有4條為電氣化鐵路線，施工期間鐵路仍營運(yùn)。依據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》，梁底距離電氣化鐵路接觸網(wǎng)承力索的高度不得少于2 m。本橋上跨鐵路的凈空不少于8.6 m，為保證橋梁的起、終點(diǎn)在主要路口前與既有道路順接，梁高將不得大于2.5 m?？梢?，從梁高上鋼箱梁具有絕對優(yōu)勢。

(2)建設(shè)周期比較。本項(xiàng)目為既有橋改造工程，既有道路為城市主干道。因道路交通量大、施工場地狹小，施工期間對道路進(jìn)行封閉，增加了周邊道路的交通擁堵程度；同時(shí)，本橋位于站場咽喉區(qū)，施工期間勢必對鐵路運(yùn)營產(chǎn)生影響，建設(shè)工期越短，對鐵路的運(yùn)營生產(chǎn)影響也就越小?？梢?，無論從城市交通還是鐵路運(yùn)輸考慮，都應(yīng)盡量縮短施工工期。鋼箱梁可以工廠預(yù)制、現(xiàn)場吊裝、拼接，較預(yù)應(yīng)力混凝土梁在建設(shè)周期上亦具有優(yōu)勢。

(3)后期維護(hù)。與預(yù)應(yīng)力混凝土梁相比，鋼箱梁運(yùn)營期的養(yǎng)護(hù)維修量和成本稍高，但隨著鋼梁涂裝技術(shù)的發(fā)展，維修量已大為減少。

(4)研究結(jié)論。從施工方便性、施工周期、后期維護(hù)等方面綜合比選，確定采用鋼箱梁。

3.5 橋梁設(shè)計(jì)

(1)鋼箱梁截面尺寸

單幅鋼梁截面形式為單箱三室，箱室高2.5 m，頂寬11.70 m，兩側(cè)設(shè)3.15 m懸臂，箱室底寬為10.53 m，單幅橋面為單向1.5%橫坡，梁底橫向?yàn)槠狡?，縱向坡度為3.54%。鋼箱梁單幅總重為2 023 t。鋼箱梁頂板采用正交異性板，板厚為16 mm，加勁肋采用U型閉合肋，基本間距600 mm；底板厚24 mm，采用開口加勁肋，基本間距300 mm；腹板板厚16 mm，采用開口加勁肋；橫隔板分普通橫隔板、支點(diǎn)橫隔板，橫隔板間隔2.6 m，兩橫隔板間加設(shè)一道閉合加勁肋。單幅鋼箱梁截面形式見圖3(左右幅相同)。

圖3 單幅鋼箱梁截面(單位：mm)

(2)鋼箱梁計(jì)算

鋼箱梁結(jié)構(gòu)計(jì)算主要有三體系法和空間板單元整體計(jì)算法。在計(jì)算結(jié)果上三體系法略大[4－5]，偏于安全，故本橋梁體計(jì)算采用三體系法。

基本荷載組合:恒載＋汽車活載＋溫度荷載＋基礎(chǔ)位移。計(jì)算結(jié)果見表1～表2[6－8]。

表1 鋼箱梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總 MPa

表2 鋼箱梁剛度檢算

可見，計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

4 新建跨線橋施工方案

頂推施工因其作業(yè)場地限定在空中一定范圍內(nèi)、不中斷橋下交通，且設(shè)備簡單、施工平穩(wěn)、噪聲低，是橋梁跨越鐵路、站場時(shí)常用的施工方法。

4.1 頂推工法比較

傳統(tǒng)的頂推施工，多采用拖拉式多點(diǎn)連續(xù)頂推法。隨著我國橋梁建設(shè)水平提高，從2010年開始，步履式多點(diǎn)連續(xù)頂推法得到應(yīng)用，并快速發(fā)展。兩種頂推法比較見表3[9]。

表3 拖拉式與步履式頂推法比較

4.2 頂推施工方案

通過對拖拉式和步履式頂推方法的對比，可以看出步履式頂推法從施工效率和風(fēng)險(xiǎn)管控上要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的拖拉式頂推法，尤其適合于鋼箱梁。出于對本橋上跨哈東站咽喉區(qū)的安全和對鐵路運(yùn)營影響考慮，本次施工采用步履式頂推法。

本項(xiàng)目采用的步履式多點(diǎn)頂推施工方法，單幅橋設(shè)6組臨時(shí)墩(每組2個(gè)墩)、1個(gè)主控系統(tǒng)、6個(gè)分控系統(tǒng)、6個(gè)泵站。頂推過程中于每個(gè)臨時(shí)墩上的鋼梁外腹板下布置1臺(tái)步履式千斤頂，全橋共計(jì)12臺(tái)千斤頂，其中鄰鐵路兩個(gè)臨時(shí)墩上布設(shè)的千斤頂最大頂力為600 t，其余均為400 t。每個(gè)頂程的頂推距離為40 cm，歷時(shí)5～6 min，頂進(jìn)速度約4 m/h。

4.3 施工難點(diǎn)分析及解決措施

4.3.1 頂進(jìn)跨度較大

作為等截面連續(xù)梁，因本橋頂推跨度較大，會(huì)導(dǎo)致頂推施工時(shí)梁的受力狀態(tài)變化較大，施工應(yīng)力狀態(tài)與運(yùn)營應(yīng)力狀態(tài)相差也較多。為確保施工期間梁體的安全，采取如下措施:

(1)加設(shè)臨時(shí)墩來減少頂進(jìn)跨度，進(jìn)而減少主梁負(fù)彎矩。即在保證施工安全距離的前提下，于鄰近鐵路線處設(shè)置臨時(shí)支墩，將頂進(jìn)跨度由65 m減至55 m。

(2)為減小頂進(jìn)過程中梁的前端懸臂負(fù)彎矩，設(shè)置鋼導(dǎo)梁(0.6～0.8頂推跨度)。導(dǎo)梁采用工字鋼梁，梁間設(shè)桁架橫聯(lián)，靠主梁側(cè)的一節(jié)導(dǎo)梁設(shè)置轉(zhuǎn)換梁，通過焊接將轉(zhuǎn)換梁與主梁臨時(shí)連接成整體。導(dǎo)梁全長36 m，重65 t[10]。

(3)按施工程序，將頂進(jìn)過程分為13種工況，分別進(jìn)行鋼箱梁和鋼導(dǎo)梁應(yīng)力、撓度分析和檢算。檢算結(jié)果見表4。

表4 頂進(jìn)期間鋼箱梁與鋼導(dǎo)梁檢算

由計(jì)算結(jié)果可知，頂進(jìn)過程中鋼箱梁撓度和應(yīng)力都遠(yuǎn)小于允許值，鋼導(dǎo)梁撓度和應(yīng)力均滿足要求。

4.3.2 跨越電氣化鐵路對安全性要求高

(1)控制梁體撓度。全橋頂程144 m，計(jì)劃歷時(shí)60 d，僅在鐵路天窗時(shí)間頂推時(shí)接觸網(wǎng)斷電，其余時(shí)間接觸網(wǎng)均處于帶電工作狀態(tài)。為保證鐵路運(yùn)營安全，需保證梁底距離接觸網(wǎng)承力索的高度不小于2 m。通過對頂推過程進(jìn)行分析，導(dǎo)梁跨過鐵路即將到達(dá)臨時(shí)墩時(shí)為撓度最不利工況，撓度值為314.6 mm；4條電氣化鐵路中接觸網(wǎng)承力索距離梁底高度最小的鐵路為濱北下行線，其允許撓度為380 mm。可見，能保證安全作業(yè)的距離要求。

(2)布設(shè)接地電纜，防范風(fēng)險(xiǎn)。頂推施工前，在鋼箱梁與前導(dǎo)梁相接位置進(jìn)行接地設(shè)計(jì)，防止意外接電現(xiàn)象。

4.4 頂推監(jiān)測

為施工中及時(shí)掌握鋼箱梁、鋼導(dǎo)梁及臨時(shí)墩的結(jié)構(gòu)受力情況，保證頂推過程中線形、位置精度，施工中需進(jìn)行應(yīng)力、位移、變形監(jiān)測。對鋼箱梁和鋼導(dǎo)梁前端的撓度監(jiān)測、鋼箱梁軸線偏位監(jiān)測、鋼箱梁與導(dǎo)梁連接處應(yīng)力監(jiān)測、臨時(shí)墩支架應(yīng)力監(jiān)測、臨時(shí)墩支架墩頂位移監(jiān)測、臨時(shí)墩基礎(chǔ)沉降監(jiān)測等[11－13]。

5 結(jié)束語

市區(qū)內(nèi)的既有橋改造受城市規(guī)劃、既有建筑物限制，特別在跨越鐵路站場時(shí)，還需考慮施工的特殊性，對中等跨度橋梁(40～70 m)，頂推施工優(yōu)勢明顯。

為減小對城市交通的影響，縮短建設(shè)工期。在梁型上應(yīng)優(yōu)先選擇可現(xiàn)場拼裝施工、整體性較好的鋼箱梁。

步履式頂推施工因各系統(tǒng)可同步運(yùn)行，簡化施工工序，提高工作效率，較好解決了頂推施工中糾偏難的問題，更適用于鋼梁頂推。

頂推過程中，撓度控制工況為鋼導(dǎo)梁到達(dá)鐵路對側(cè)臨時(shí)支墩時(shí)；應(yīng)力控制工況為鋼導(dǎo)梁通過該臨時(shí)支墩后12 m處。

橋梁改建中應(yīng)結(jié)合具體條件，從結(jié)構(gòu)合理、施工方便、契合規(guī)劃和過程控制等方面細(xì)致研究，選擇合理梁型和施工方案，為城市發(fā)展助力。