朱永兵

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海市 200070）

0 引言

隨著社會經濟的快速發(fā)展，城市平面交通系統(tǒng)不能滿足日常出行需求，逐漸向立體化交通方向發(fā)展。市區(qū)內的高架橋梁建設往往會受到諸多因素的制約，如跨越鐵路、公路、航道及重要管線等。常要求在施工時盡量減小對橋下交通、河道通航行洪及堤防安全的影響，促進了轉體、頂推等施工工藝的快速發(fā)展[1-9]。

當城市高架橋梁需要同時跨越多條既有運營鐵路線時，采用頂推施工工藝，跨徑大、施工便捷且對鐵路運營影響小的優(yōu)勢，具有廣闊的應用前景[10-12]。連續(xù)鋼箱梁是常見橋梁結構形式，自重輕、強度高、跨越能力強、施工周期短的特點，可在工廠預制，運輸?shù)浆F(xiàn)場后拼裝，其輕質高強的特點可以做到較大的懸挑長度，非常適合頂推施工工藝，同時借助頂推設備鋼導梁的作用，使得頂推跨徑進一步增大[13-15]。

本文以呼和浩特市巴彥淖爾路快速路跨越跨呼和浩特西站場咽喉區(qū)工程為例，對新建橋梁從建設環(huán)境、施工條件、經濟性等方面進行了橋式方案比選，推薦三跨連續(xù)鋼箱梁頂推施工跨越鐵路咽喉區(qū)，介紹該橋的結構設計、頂推施工方案，并對結構受力、施工階段受力進行計算分析，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

本項目為城市快速路，是中心城“三環(huán)二橫六縱”快速路網(wǎng)的組成部分，是新機場與中心城的主要聯(lián)系通道，見圖1。同時也是公交主通道和市政管線走廊。該項目的實施，對于緩解西部區(qū)域的交通壓力，疏散中心城過境和出入境交通具有重要意義。

圖1 工程整體效果圖

本節(jié)點跨越某站場咽喉區(qū)，站場范圍內共有16 股鐵路股道，其中包括京包客專、唐呼線及站場線，均為電氣化鐵路。現(xiàn)狀地面道路采用六處8 m+12 m+8 m框架橋下穿鐵路站場咽喉區(qū)?？蚣軜蜷L度根據(jù)股道分布情況在12.6～44.7 m 不等，且各框架之間排列緊湊。

本工程高架橋上跨鐵路，與現(xiàn)狀下穿道路互為上下兩層，設計道路中心線與站場股道線夾角在78°～90°之間，橋梁平面位于直線上，立面位于0.3%的縱坡上，為雙向八車道。

2 主要設計標準

道路等級：主路城市快速路。

汽車荷載：城-A 級荷載，跨鐵路橋及相鄰跨按照1.3×城-A 級荷載設計。

橋下凈空：滿足電氣化鐵路凈空要求，并滿足頂推施工限界要求，接觸網(wǎng)支柱頂部距離梁底按照2.6 m空間預留。

設計速度：60 km/h。

橋梁設計安全等級：一級。

橋梁設計基準期：100 a。

防撞等級：上跨客專段及鄰跨設置兩級防護。

抗震設防標準：橋梁地震烈度為8度，水平向設計基本地震動加速度峰值為0.20g，橋梁為乙類，抗震措施按9 度設防。

3 總體設計

3.1 方案比選

為確保鐵路運營安全，減少對鐵路的干擾，根據(jù)現(xiàn)場及周邊工程條件，現(xiàn)對頂推連續(xù)鋼箱梁方案和轉體斜拉橋方案進行比選。

方案一采用61 m+62 m+67 m 連續(xù)鋼箱梁，見圖2。兩個主墩在六個框架橋的間隙內立墩，且采用門式墩結構跨越下層道路，門式墩內壁與框架內壁齊平，對下穿道路影響較小。施工方案采用步履式頂推施工，在引橋位置拼裝后，利用鐵路天窗點頂推至設計位置。

圖2 方案一：（61+62+67）m 頂推連續(xù)鋼箱梁（單位：m）

方案二采用111 m+222 m+111 m 雙塔單索面斜拉橋，見圖3。主塔位于現(xiàn)狀道路中間，壓縮了道路的通行斷面。施工方案采用轉體施工，主橋在平行于鐵路方向拼裝后，利用鐵路天窗點轉體至設計位置，對鐵路影響較小。

圖3 方案二：（2×110+2×112）m 轉體斜拉橋（單位：m）

上述兩個方案比較見表1。

表1 上跨鐵路橋梁方案影響對比

轉體斜拉橋方案雖然有對鐵路的影響小的優(yōu)勢，但也有明顯的缺點：轉體前平行于鐵路施工，以及轉體時旋轉半徑大，需額外征用臨時用地，造成較大拆遷；同時，斜拉橋主塔壓縮了輔路斷面，對輔路交通組織影響較大，整體投資較大。

頂推連續(xù)鋼梁方案在站場咽喉區(qū)內布設少量橋墩，施工時對鐵路影響有限，鋼梁施工過程均在既有征地紅線范圍內進行。對現(xiàn)狀道路基本無影響，且造價相對較小。故推薦頂推連續(xù)鋼箱梁方案。

3.2 主橋結構設計

主橋上部采用三跨等高連續(xù)鋼箱梁設計，分為上下行兩幅橋，考慮到主橋上跨客運專線需設置兩級防護，單幅橋面寬度較標準段17.0 m 加寬至20.1 m。主橋采用單箱四室分離式斷面。鋼箱梁線路中心線處梁高3.0 m。根據(jù)受力位置的不同，鋼箱梁各板件采用變厚度設計，一般截面頂板厚16 mm，底板厚20 mm，中支點處頂板加厚至30 mm，底板加厚至28 mm；邊支點處頂板加厚至20 mm，底板加厚至25 mm。頂板和底板采用U 型加勁肋，腹板采用板肋加勁肋。單箱四室共8 道腹板，腹板厚16 mm。縱向每隔3 m 設置一道橫隔板，實腹式和空腹式橫隔板交替布置，橫隔板板厚14 mm，支點處橫隔板布置稍密，橫隔板板厚28 mm。橫斷面見圖4。

圖4 單幅主橋橫斷面（單位：cm）

主橋下部采用預應力混凝土門式墩橫跨現(xiàn)狀道路。確保下穿道路的交通功能不受本工程影響。橫斷面見圖5。

圖5 主橋橫斷面圖（單位：cm）

3.3 施工方案

本橋采用多點步履式頂推施工。與拖拉式相比，步履式具有對臨時墩產生水平力較小和安全可靠的優(yōu)點。

本工程左右幅橋分別進行頂推施工。在小里程側搭設拼裝平臺，單幅鋼箱梁總長度約190 m，采用鋼梁分節(jié)段拼裝，拼裝一段頂推一段的施工方案，直至頂推就位，見圖6。最大頂推重量約2 660 t，最大頂推距離230 m，跨間不設臨時墩，在墩頂布置步履式頂推裝置。鋼導梁重約80 t，由2 片等高度工字形梁組成，橫向中心距7.5 m，導梁長47.0 m。導梁根部與鋼箱梁相對應豎腹板等高，高度為2.85 m，前端底板逐漸抬高0.62 m。圖6 為頂推支架橋墩布置圖。

圖6 頂推支架橋墩布置圖

本鋼梁頂推主要步驟如下：

（1）搭設拼裝支架、頂推平臺，設置滑道；

（2）拼裝A 節(jié)段鋼箱梁及導梁；

（3）在多次天窗點中完成第1 次頂推，導梁伸至10# 墩處；

（4）拼裝B 節(jié)段鋼箱梁；

（5）依次類推，直至主梁頂推到設計位置。

（6）拆除導梁、滑道、拼裝平臺；

（7）安裝永久支座、落梁；

（8）進行后續(xù)橋面系等施工。

4 主梁受力分析

4.1 計算模型

本文對單幅橋梁結構計算采用Midas Civil 空間有限元軟件，建立三跨等高連續(xù)鋼箱梁有限元模型，并考慮了下部結構門式墩變形對結構受力的影響。主梁、橋墩按照實際截面特性采用梁單元模擬，結構計算模型見圖7。計算荷載主要包括恒載、汽車荷載、制動力、風荷載、溫度作用等。

圖7 空間有限元計算模型

4.2 施工階段受力分析

（1）抗傾覆及最大支反力

頂推最不利傾覆工況發(fā)生在導梁前支腿落在10# 墩之前的最大懸臂狀態(tài)，此時傾覆彎矩為110 915 kN·m，抗傾覆彎矩為191 549 kN·m，得到縱向傾覆穩(wěn)定系數(shù)為1.73，大于1.3 的要求。

頂推過程中最大支反力位于11# 墩頂處，發(fā)生在頂推完成工況，反力大小為10 291 kN。

（2）位移

頂推過程導梁前端最大撓度為47.7 cm，出現(xiàn)在導梁處于最大懸臂狀態(tài)時，此時主梁懸臂端最大撓度為10.7 cm。

（3）強度

頂推過程主梁最大拉應力為87.3 MPa，最大壓應力為-96.8 MPa；導梁最大拉應力為109.4 MPa，最大壓應力為-109.4 MPa。施工過程受力滿足要求。

4.3 運營階段受力分析

4.3.1 支座反力

標準組合下中支點最大支反力為26 657 kN，最小支反力為17 365 kN；邊支點最大支反力11 663 kN。最小反力為6 267 kN。支座均未脫空，且有較大壓力儲備。

4.3.2 結構變形

連續(xù)鋼梁的豎向撓度見表2，結果表明主梁變形滿足要求。

表2 靜活載作用位移

4.3.3 鋼梁強度計算

（1）鋼梁第一體系計算

鋼梁強度計算需考慮剪力滯效應及局部穩(wěn)定的影響，按現(xiàn)行《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》（JTG D64—2015）計算，跨中剪力滯折減系數(shù)為1.0，距支點12 m附近至支點處剪力滯折減系數(shù)由1.0 變到0.909；跨中頂板、底板受壓局部穩(wěn)定折減系數(shù)為0.997?；窘M合下頂板最大拉應力為147.9 MPa，最大壓應力為152.2 MPa。

（2）鋼梁第二體系計算

以橫隔板間的單根縱肋及一定寬度的橋面板作為整體，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，考慮自重、鋪裝、汽車活載等作用。橋面板頂板U 肋第二體系計算跨徑取3 m，將U 肋和頂板組成的截面等效為工字截面；頂板板肋第二體系計算跨徑取1.5 m，將板肋和頂板組成的截面等效為T 型截面。計算有效寬度根據(jù)《公路鋼結構設計規(guī)范》（JTG D64—2015）5.1.8.2 確定。根據(jù)圣維南原理，建立3 個橫梁間距的橋面系模型，其計算結果取中間段值。

計算可得，由頂板和U 肋構成的第二體系最大拉應力為106.2 MPa，最大壓應力為-72.3 MPa；由頂板和板肋構成的第二體系最大拉應力為74.2 MPa，最大壓應力為-52.5 MPa。故取由頂板和U 肋構成的第二體系應力與第一體系相疊加，作為頂板的強度設計值?？紤]了第一、第二體系應力疊加的強度結果見表3。計算結果表明：鋼箱梁正應力、剪應力均滿足規(guī)范要求。

表3 鋼箱梁應力計算結果匯總

4.2.4 鋼結構疲勞驗算

根據(jù)《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》（JTG D64—2015）第5.5.2條，采用疲勞荷載模型I 等效的車道荷載對鋼主梁進行疲勞驗算。

主梁最大正應力幅為24.6 MPa，最大剪應力幅為6.3 MPa，根據(jù)《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》附錄C表C.0.2，疲勞細節(jié)類別為50 MPa。經計算疲勞強度為51.6 MPa，允許正應力幅為36.85 MPa，剪應力幅為22.85 MPa，根據(jù)應力幅分析可知，主梁疲勞強度滿足要求。

5 減小橋梁對鐵路運營影響的措施

（1）跨鐵路橋梁采用步履式頂推方法施工，過程中嚴格按照《鐵路營業(yè)線施工安全管理辦法》執(zhí)行。

（2）為保證鐵路運營安全，需要對既有橋墩、軌道的變形進行安全監(jiān)測。監(jiān)測范圍主要包括施工范圍內可能影響的鐵路橋墩，前后約0.3 km 范圍內的軌道幾何狀態(tài)進行監(jiān)測。

（3）上跨既有鐵路的橋梁及相鄰跨兩側設置堅固的防拋免維護裝置，其高度不低于2.5 m，防拋免維護裝置基礎必須與橋梁預埋件聯(lián)結，確保其強度、穩(wěn)定性滿足要求。

（4）橋梁兩側安裝異物監(jiān)測設備，實時監(jiān)控橋面異物侵限狀況。

6 結語

本文以城市高架跨越鐵路站場咽喉區(qū)工程為例，通過方案比選、結構設計、頂推施工階段分析，得到主要結論如下：

（1）跨越鐵路站場咽喉區(qū)應因地制宜地進行方案比選，本工點跨越鐵路站場咽喉區(qū)采用連續(xù)鋼箱梁頂推方案合理可行。新建橋梁采用門式墩結構，保證了既有道路的正常使用功能，提高了通行效率，對鐵路安全影響小。

（2）連續(xù)鋼箱梁結構設計合理，施工階段受力合理，運營階段剛度、強度、疲勞檢算均滿足規(guī)范要求。