王法武

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,上海 200070)

引言

隨著城市交通的不斷發(fā)展，城市道路高架橋從鐵路車站范圍上跨的現(xiàn)象日漸增多。為減小對(duì)鐵路運(yùn)輸安全的影響，一般采用轉(zhuǎn)體法施工或頂推法施工[1-7]。當(dāng)橋面設(shè)計(jì)高程受限時(shí)，需采用低高度大跨度橋梁結(jié)構(gòu)形式。下承式鋼系桿拱橋具有建筑高度低、結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異、跨越能力強(qiáng)、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的適用性[8-10]。上海市北橫通道新建二期工程Ⅱ標(biāo)上跨上海火車站機(jī)務(wù)段咽喉區(qū)和軌道交通3、4號(hào)線，經(jīng)過(guò)方案比選，最終采用76 m下承式鋼系桿拱橋。該橋結(jié)構(gòu)具有以下主要特點(diǎn)和難點(diǎn)：結(jié)構(gòu)采用單片拱肋，橋面車道布置左右不對(duì)稱、荷載偏心大，吊桿采用銷鉸式錨板構(gòu)造，老橋人行道切割，新老橋之間采用彈性混凝土連接[11-12]，上跨繁忙鐵路車站范圍單跨拱梁整體頂推施工技術(shù)等。本文重點(diǎn)介紹該橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、頂推施工方案[13-19]，并對(duì)運(yùn)營(yíng)階段整體受力、局部受力及頂推施工階段受力進(jìn)行計(jì)算分析[20-22]，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 既有橋概況

跨鐵路既有橋梁為(30+47+30) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。橫向由四幅橋組成，其中主線2幅，上下匝道橋各1幅。與本工程相關(guān)的既有匝道橋?qū)?5 m，與新建橋相鄰側(cè)的懸臂板長(zhǎng)5.55 m，其中3 m為人行道。由于3 m人行道無(wú)法滿足通行機(jī)動(dòng)車荷載要求，需切割人行道。

1.2 新建橋概況

在既有匝道橋的東側(cè)新建輔道和匝道，輔道和匝道一起跨越上?；疖囌緳C(jī)務(wù)段咽喉區(qū)11條股道和軌道交通3、4號(hào)線。鐵路和軌道交通間無(wú)設(shè)墩的條件，需一跨跨越，橋梁跨度需76 m。

新建橋面高程受既有橋面高程限制，高程不能抬高，而橋下又受鐵路和軌道交通及交通路凈高的限制。如采用常規(guī)連續(xù)鋼箱梁，梁高需3 m，凈空無(wú)法滿足跨鐵路和軌道交通要求。經(jīng)過(guò)方案比選，最終采用76 m下承式鋼系桿拱方案，主梁梁高2.2 m。

本工程由于周邊環(huán)境和場(chǎng)地限制，無(wú)法采用轉(zhuǎn)體施工方案，因此采用頂推法施工。

2 主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

(1)汽車荷載：汽車荷載按照1.3倍的城-A級(jí)荷載設(shè)計(jì)。

(2)跨鐵路橋下凈空：滿足電氣化鐵路建筑限界>6.55 m要求。

(3)橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1。

(4)橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年。

(5)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：橋梁抗震設(shè)防烈度為7度，水平向設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度峰值為0.10g，橋梁抗震設(shè)防類別為乙類。

(6)防撞護(hù)欄防撞等級(jí)：SS級(jí)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

本工程跨鐵路和軌道交通3、4號(hào)線采用1-76 m下承式鋼結(jié)構(gòu)系桿拱橋，計(jì)算跨徑為73.8 m，道路中心線與鐵路中心線夾角75°，橋梁位于2.17%的下坡。

輔道和匝道跨越鐵路和軌道交通采用整幅橋形式。匝道寬8.5 m，兩車道；輔道受機(jī)務(wù)段油庫(kù)安全距離的影響，橋?qū)拤嚎s至6.25 m，滿足單車道加緊急停車帶的要求。橋面布置采用8.5 m(匝道兩車道)+2 m(拱肋)+6.25 m(輔道一車道和緊急停車帶)=16.75 m。在匝道和輔道間設(shè)置單片拱肋，寬2 m。主梁和拱肋均采用鋼箱結(jié)構(gòu)。

主橋總體布置如圖1所示，箱梁橫斷面如圖2所示。

圖1 主橋總體布置(單位：mm)

圖2 主梁橫斷面(單位：mm)

3.2 主梁設(shè)計(jì)

市政橋梁中鋼系桿拱橋的主梁常采用主縱梁、端橫梁、中橫梁、小縱梁等組成鋼梁格體系。本橋由于橋面車道布置左右不對(duì)稱及拱肋采用單片拱肋，為提高結(jié)構(gòu)整體抗扭剛度和抗傾覆能力，鋼主梁采用單箱三室截面。鋼主梁為系桿拱橋的剛性系桿，作為主受力結(jié)構(gòu)，承受拱肋的水平推力，同時(shí)作為橋面系的加勁梁。

鋼箱梁高2.2 m，寬16.75 m，頂板厚14 mm，底板厚20 mm，拱腳處頂板加厚至20 mm，底板加厚至28 mm。頂板和底板加勁肋采用U形肋，腹板采用板式肋。設(shè)4道腹板，兩邊腹板采用斜腹板，中間腹板采用直腹板，每道腹板厚20 mm，拱腳加厚至30 mm。橫隔板間距3.0 m。主體鋼結(jié)構(gòu)采用Q345qD。

3.3 拱肋

新建橋梁位于既有高架橋和機(jī)務(wù)段油庫(kù)之間，由于橋?qū)捠芟蓿袄卟捎脝纹袄咝问?，布置在鋼箱梁中間。拱軸線采用二次拋物線，矢高14.76 m，矢跨比1/5。

拱肋采用鋼箱截面，高2.0 m，寬2.0 m，頂板厚25 mm，底板厚25 mm，腹板厚25 mm。在拱腳處拱肋頂板厚30 mm，底板厚30 mm，腹板厚30 mm。內(nèi)壁設(shè)12條縱向加勁肋。每隔1 m設(shè)置1道橫隔板。

3.4 吊桿

全橋共設(shè)11根吊桿，吊桿間距6 m。吊桿采用GJ15-19鋼絞線整束擠壓式吊桿體系，采用HDPE護(hù)套索體，上下端均為穿銷鉸式錨板構(gòu)造，張拉端位于主梁頂面，方便吊桿錨頭的檢查、養(yǎng)護(hù)與更換。

3.5 新老橋之間的連接

跨鐵路老橋?yàn)?30+47+30) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁。由于新老橋的跨徑布置、結(jié)構(gòu)形式均不同，新橋與老橋上、下部結(jié)構(gòu)完全獨(dú)立，橋面板之間留5 cm結(jié)構(gòu)縫。鋼橋橋面鋪裝采用9 cm厚C50鋼纖維混凝土鋪裝層+3 mm厚聚合物改性瀝青防水層+4 cm厚SMA瀝青混凝土?？紤]行車舒適性和便于養(yǎng)護(hù)維修，新橋與老橋橋面鋪裝通過(guò)彈性混凝土連接為整體。彈性混凝土具有良好的防裂性、韌性和耐磨性，利用自身的高韌性來(lái)適應(yīng)新老橋之間的變形。彈性混凝土拼縫處尺寸為60 cm×13 cm，拼縫具體方案是：在5 cm結(jié)構(gòu)縫上鋪設(shè)6 mm厚、寬20 cm的鍍鋅鋼板，鍍鋅鋼板在老橋一側(cè)采用橫向鋼筋限位，在鋼橋一側(cè)采用焊釘限位，每塊鋼板長(zhǎng)2 m，采用點(diǎn)焊使相鄰兩塊鋼板連接，避免存在空隙；鋪裝層界面處涂刷環(huán)氧粘結(jié)劑；灌注彈性混凝土。

3.6 跨鐵路鋼梁檢修

本橋上跨電氣化鐵路和軌道交通，由于橋下凈空受限，無(wú)法在梁底安裝檢查小車進(jìn)行檢查。日常檢查可在主墩附近用望遠(yuǎn)鏡對(duì)鋼梁進(jìn)行檢查。拱肋、吊桿的檢查在橋面上，對(duì)鐵路和軌道交通影響較小。鋼梁涂裝采用長(zhǎng)效涂裝體系，設(shè)計(jì)防腐年限15～20年。鋼梁涂裝更換在鐵路和軌道交通天窗期間進(jìn)行。

4 運(yùn)營(yíng)階段結(jié)構(gòu)整體受力分析

運(yùn)營(yíng)階段結(jié)構(gòu)整體計(jì)算采用Midas Civil 2017軟件，拱肋、鋼箱梁采用梁?jiǎn)卧?，吊桿采用桁架單元。根據(jù)Midas軟件的計(jì)算約定，正應(yīng)力以正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力。

4.1 支座反力

各單項(xiàng)荷載及標(biāo)準(zhǔn)組合作用下豎向支反力計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 豎向支反力匯總

標(biāo)準(zhǔn)組合下最大支反力為7 849 kN，支座選用JZQZ8000型摩擦擺減振支座，承載力滿足要求。支座平面布置見圖3。

圖3 支座平面布置(單位：mm)

4.2 橫向整體傾覆

由于橋梁左右不對(duì)稱，荷載偏心較大，鋼結(jié)構(gòu)自重較輕，而近年超載現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，有必要對(duì)結(jié)構(gòu)作橫向整體傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算。

橫向整體傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算時(shí)，左側(cè)布置兩列車道荷載，考慮風(fēng)荷載作用，自重和二期恒載產(chǎn)生的穩(wěn)定彎矩為67 734 kN·m(順時(shí)針)，汽車荷載和風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆彎矩為6 548 kN·m(逆時(shí)針)。

橫向整體抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為67 734/6 548=10.34>2.5，滿足規(guī)范要求。

4.3 結(jié)構(gòu)剛度

成橋狀態(tài)主梁最大豎向位移為2.91 mm(向上)，-2.89 mm(向下)。

汽車荷載作用下主梁最大負(fù)撓度為-18.09 mm，最大正撓度為0.90 mm，正、負(fù)撓度絕對(duì)值之和為18.99 mm，撓跨比18.99/73 800=1/3 886<1/500，結(jié)構(gòu)剛度滿足要求。

4.4 鋼主梁應(yīng)力

(1)第一體系應(yīng)力

第一體系采用基于平截面假定的空間梁?jiǎn)卧w模型。

基本組合下主梁上翼緣最大拉應(yīng)力為50 MPa，最大壓應(yīng)力為52 MPa，下翼緣最大拉應(yīng)力為62 MPa，均小于270 MPa，滿足要求。

(2)橋面板第二體系應(yīng)力

建立以橋面系為承力載體的第二體系受力模型?？v肋支承在主梁腹板、橫隔板上?？紤]自重、鋪裝、汽車活載(考慮1.3的系數(shù))等作用。

縱向U肋簡(jiǎn)化為T肋，橫梁上下翼緣取24倍的板厚為有效寬度。根據(jù)圣維南原理，建立3個(gè)橫梁間距的橋面系模型。計(jì)算結(jié)果取中間段。

基本作用組合下，恒載組合系數(shù)為1.2，活載組合系數(shù)為1.8，考慮1.1的重要性系數(shù)。

基本組合作用下，第二體系橋面板最大拉應(yīng)力為96 MPa，最大壓應(yīng)力為125 MPa。

第一、第二體系疊加后橋面板最大拉應(yīng)力為146 MPa，最大壓應(yīng)力為180 MPa，均小于270 MPa，滿足要求。

4.5 拱肋應(yīng)力

基本組合下拱肋最大壓力-20 503 kN，最大負(fù)彎矩-23 494 kN·m，均位于拱腳處。基本組合拱肋應(yīng)力如圖4所示。

圖4 基本組合拱肋應(yīng)力(單位：MPa)

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.1.7條計(jì)算，拱肋截面局部穩(wěn)定折減系數(shù)為0.976。

拱肋最大壓應(yīng)力為184 MPa，最大拉應(yīng)力87 MPa，均小于270×0.976=264 MPa，滿足規(guī)范要求。

4.6 吊桿應(yīng)力

鋼梁頂推就位后張拉吊桿，根據(jù)成橋狀態(tài)主梁撓度基本為0的原則張拉吊桿，吊桿初張力為714～1 151 kN。標(biāo)準(zhǔn)組合下吊桿索力為1 544～1 648 kN。

本橋吊桿采用GJ15-19型號(hào)，公稱破斷力為4 947 kN，吊桿安全系數(shù)為：4 947/1 648≈3.0。

4.7 整體穩(wěn)定

按照引起主拱肋軸向壓力最大工況進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，考慮的作用包括恒載、活荷載(使拱肋產(chǎn)生最大軸力的加載布置)、風(fēng)荷載。屈曲分析得到的模型臨界荷載系數(shù)如表2所示。

主橋在恒載、活載和風(fēng)荷載作用下，整體失穩(wěn)模態(tài)以主拱的側(cè)向失穩(wěn)為主，最小穩(wěn)定系數(shù)為25.26，大于規(guī)范要求的穩(wěn)定系數(shù)4，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 臨界荷載系數(shù)

4.8 鋼結(jié)構(gòu)疲勞驗(yàn)算

根據(jù)JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.5.2條，采用疲勞荷載模型I等效的車道荷載對(duì)鋼主梁、吊桿進(jìn)行疲勞驗(yàn)算。

(1)鋼主梁

主梁上翼緣最大應(yīng)力幅為13 MPa，下翼緣最大應(yīng)力幅為16 MPa。端橫梁上翼緣最大應(yīng)力幅為31 MPa，下翼緣最大應(yīng)力幅為31 MPa。

箱梁腹板與頂?shù)装逄幒缚p在頂?shù)装迤唇犹帪閹н^(guò)焊孔的間斷焊縫，根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C表C.0.2，疲勞細(xì)節(jié)類別為70 MPa。經(jīng)計(jì)算疲勞強(qiáng)度為51.6 MPa，允許應(yīng)力幅為38.2 MPa。

根據(jù)應(yīng)力幅分析可知，主梁及端橫梁疲勞應(yīng)力幅均小于38.2 MPa，滿足要求。

(2)吊桿

吊桿在疲勞荷載計(jì)算模型Ⅰ下，吊桿應(yīng)力幅ΔσP=78 MPa。根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》第13.2.2節(jié)，平行鋼絲束的ΔσD=137 MPa，ΔσP=78 MPa<ΔσD=137 MPa，滿足規(guī)范要求。

5 運(yùn)營(yíng)階段局部受力分析

鋼箱拱及鋼箱梁在正常使用階段結(jié)構(gòu)局部受力計(jì)算主要內(nèi)容如下。

(1)鋼箱拱及鋼箱梁加勁肋計(jì)算(頂板、腹板、底板加勁肋，支座加勁肋等)。

(2)挑臂強(qiáng)度、變形的驗(yàn)算。

(3)拱腳局部受力分析。

(4)吊桿錨固區(qū)局部受力分析。

本文僅對(duì)拱腳局部受力分析和吊桿錨固區(qū)局部受力分析作介紹。

5.1 拱腳局部應(yīng)力

采用Midas軟件建立桿系板殼空間有限元混合模型。拱腳局部模型采用板單元，其他鋼結(jié)構(gòu)部分采用梁?jiǎn)卧?，吊桿采用桁架單元。拱腳板殼模型與桿系模型在接觸位置建立剛域連接。拱腳局部板殼中未考慮板肋的加勁肋作用。拱腳局部Mises應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 拱腳Mises應(yīng)力云圖(單位：MPa)

基本組合下，拱腳Mises應(yīng)力最大為288 MPa，主要集中在拱肋導(dǎo)圓弧地方。拱腳大部分板件的Mises應(yīng)力在210 MPa以下，小于270 MPa，滿足規(guī)范要求。

5.2 吊桿錨固區(qū)分析

運(yùn)用Midas有限元軟件分別建立橋面板和拱肋處吊桿耳板有限元模型，考慮最不利情況吊桿受力，按承載能力極限狀態(tài)基本組合最大吊桿力N=2 300 kN加載，計(jì)算結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 橋面處吊桿錨固區(qū)最大拉應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖7 拱肋處吊桿錨固區(qū)最大拉應(yīng)力云圖(單位：MPa)

由圖6和圖7可知：吊桿錨固區(qū)域橋面處最大拉應(yīng)力為140.4 MPa，拱肋處最大拉應(yīng)力為202.7 MPa。兩處應(yīng)力值均小于270 MPa，滿足規(guī)范要求。

6 頂推施工方案和計(jì)算分析

6.1 頂推施工方案

橋梁常用頂推方式有單點(diǎn)拖拉式和多點(diǎn)步履式。與拖拉式相比，步履式具有對(duì)臨時(shí)墩產(chǎn)生水平力較小和安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，因此本橋采用步履式頂推施工。

由于需要在鐵路和軌道交通上方實(shí)施既有橋3 m人行道板切割，為減小既有橋切割對(duì)鐵路和軌道交通的安全影響，首先把不帶翼緣板的鋼拱橋頂推到橋位，然后在鋼梁腹板栓接操作平臺(tái)的橫梁，焊接操作平臺(tái)，切割既有橋人行道，最后安裝鋼梁翼緣板。

鋼拱橋頂推需在施工場(chǎng)地內(nèi)搭設(shè)2個(gè)拼裝支架和7個(gè)頂推支墩，布置見圖8。在頂推支墩1～5和FB07、FB08墩旁支墩上對(duì)應(yīng)主梁腹板位置布置頂推設(shè)備，每個(gè)支墩上布置4個(gè)頂推設(shè)備。為減少頂推跨度，經(jīng)過(guò)與鐵路部門溝通，臨時(shí)停運(yùn)鐵路一股道，在鐵路和軌道交通之間搭設(shè)5號(hào)頂推支墩。最大頂推跨度51.5 m，頂推重力約12 000 kN。

圖8 頂推支架和臨時(shí)墩布置(單位：mm)

在頂推施工中，通過(guò)設(shè)置導(dǎo)梁可以減少施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形。本橋鋼導(dǎo)梁由鋼板加工成“工”形，兩“工”形截面中心間距2 m，通過(guò)橫向桁架連接。導(dǎo)梁全長(zhǎng)35 m，分2節(jié)，第1節(jié)長(zhǎng)17 m，第2節(jié)長(zhǎng)18 m。導(dǎo)梁高度由2.2 m漸變至2.0 m。導(dǎo)梁與鋼拱橋、導(dǎo)梁節(jié)段之間采用高強(qiáng)螺栓連接。整套鋼導(dǎo)梁質(zhì)量約65 t。

為保證在頂推過(guò)程中拱肋和主梁共同受力，在拱肋和主梁拼裝完成后，在拱肋與主梁之間設(shè)置臨時(shí)撐桿，臨時(shí)撐桿采用Φ=1 000 mm，t=25 mm的鋼管。

鋼梁頂推主要步驟如下。

(1)頂推支架、臨時(shí)墩、拼裝支架等施工。

(2)拼裝鋼梁、鋼拱、導(dǎo)梁、臨時(shí)撐桿。

(3)前端懸挑50 m試驗(yàn)。

(4)試頂推3 m。

(5)第1次頂推26.4 m。

(6)第2次連續(xù)頂推17.9 m，導(dǎo)梁到達(dá)臨時(shí)墩。

(7)第3次連續(xù)頂推23.4 m，導(dǎo)梁到達(dá)FB08墩。

(8)第4次連續(xù)頂推10.2 m，鋼梁前端到達(dá)臨時(shí)墩。

(9)第5次連續(xù)頂推6 m，拆除第一節(jié)導(dǎo)梁。

(10)第6次連續(xù)頂推16.9 m，鋼梁前端到達(dá)FB08墩，完成頂推。

(11)拆除輔助設(shè)備，完成落架。

(12)拆除支架和拱肋臨時(shí)撐桿，張拉吊桿。

(13)鋪裝、欄桿等二期施工。

6.2 頂推施工計(jì)算分析

(1)支反力

頂推過(guò)程各頂推支墩和臨時(shí)墩最大反力及對(duì)應(yīng)工況見表3。鐵路和軌道交通之間的5號(hào)頂推支墩最大反力4 948 kN。

表3 施工全過(guò)程最大支反力及其對(duì)應(yīng)工況匯總

(2)位移

頂推過(guò)程導(dǎo)梁前端最大撓度為213 mm，施工過(guò)程中撓度超過(guò)100 mm的基本出現(xiàn)在導(dǎo)梁處于懸臂狀態(tài)的時(shí)候。

(3)應(yīng)力

施工過(guò)程主梁、拱肋、導(dǎo)梁最大應(yīng)力在100 MPa以下；拱梁之間臨時(shí)撐管最大拉應(yīng)力52 MPa，最大壓應(yīng)力138 MPa。施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿足要求。

(4)腹板局部加強(qiáng)

頂推過(guò)程中頂推設(shè)備將支承力施加到鋼拱橋腹板上，相應(yīng)的鋼梁腹板需設(shè)置頂推所需的局部加勁肋。本橋在主梁中腹板設(shè)置2種豎向加勁肋-12×180×2 160@750 mm和-16×250×600@250 mm，邊腹板設(shè)置兩種豎向加勁肋-12×180×1 980@750 mm和-16×600×610@250 mm。

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)上海市北橫通道工程上跨上海火車站機(jī)務(wù)段和軌道交通3、4號(hào)線76 m下承式鋼結(jié)構(gòu)系桿拱橋設(shè)計(jì)與施工階段的計(jì)算分析，得到以下結(jié)論。

(1)本橋車道布置不對(duì)稱，主梁采用鋼箱梁提高了結(jié)構(gòu)抗扭性能；由于拱肋加勁作用，較連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)高度明顯降低；采用單片拱肋，減小了結(jié)構(gòu)寬度。在平面位置和凈空均受限時(shí)，這種橋梁結(jié)構(gòu)形式是有效的解決方案。

(2)上跨鐵路橋梁，無(wú)法采用轉(zhuǎn)體施工或架設(shè)施工時(shí)，可采用頂推施工。本橋采用拱梁整體步履式頂推施工，減少了鐵路上方施工作業(yè)，對(duì)鐵路安全影響較小。

(3)本工程新建橋梁緊鄰既有上跨橋，并需對(duì)既有橋人行道切割，先將新建橋頂推到橋位，利用新建橋梁的腹板安裝操作平臺(tái)，然后切割老橋，可以降低切割過(guò)程中對(duì)鐵路的安全影響。

(4)新老橋由于跨徑布置、結(jié)構(gòu)形式均不同，新橋與老橋上、下部結(jié)構(gòu)完全獨(dú)立時(shí)，縱向拼接縫可采用彈性混凝土連接形式，彈性混凝土具有良好的防裂性、韌性和耐磨性，利用自身的高韌性來(lái)適應(yīng)新老橋之間的變形。