北京市六環(huán)路斜拉橋設計

劉永鋒

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司橋梁工程設計研究院,北京 100055)

1 工程概況

北京市六環(huán)路斜拉橋是北京市六環(huán)路良鄉(xiāng)至寨口段工程的一部分,位于北京市門頭溝區(qū)三家店村。本橋為(56+100+70+37)m 4跨連續(xù)雙圓柱子母塔單索面W形截面主梁的預應力混凝土曲線斜拉橋,其平立面布置如圖1、圖2所示。主塔高33 m,采用塔、梁、墩固結體系；子塔高19 m,采用塔、梁固結體系。主梁梁高3 m,頂板寬30.26 m,底板寬12 m,截面超高0.588%～4%。

全橋位于緩和曲線(A=533.854)+圓曲線(半徑為950 m)及縱坡(2.038%)+豎曲線(半徑為7 000 m)+縱坡(-2.174%)的曲線上,線形比較復雜。

主墩高21.5 m,主橋采用在3號墩墩頂轉體施工,單鉸轉體重力150 000 kN,轉體結構總長182 m,最大懸臂長度92 m,平轉角度40°。

圖1 北京市六環(huán)路斜拉橋立面布置(單位：m)

圖2 北京市六環(huán)路斜拉橋平面布置(單位：m)

2 設計標準

(1)道路等級：高速公路

(2)橋面寬度：橋梁全寬30.5 m。橋面布置為0.75 m(防護欄)+0.5 m(路緣帶)+3×3.75 m(車行道)+1.0 m(路緣帶)+3.5 m中央分割帶+1.0 m(路緣帶)+3×3.75 m(車行道)+0.5 m(路緣帶)+0.75 m(防護欄)=30.5 m。

(3)地震基本烈度：8度。

(4)風壓：基本風壓強度W0=600 Pa。

(5)橋下凈空：橋下鐵路凈高不小于9 m。

3 方案構思

3.1 工程條件

(1)主跨跨越豐沙鐵路,豐沙鐵路為2股道,電氣化鐵路；豐沙鐵路路基高于現(xiàn)況地面11 m,考慮鐵路限界要求后結構頂面距地面高約25 m,客、貨運交通十分繁忙,平均每8 min有1趟列車從橋下通過。

(2)本橋是北京市重點工程,奧運會前必須完成大橋的轉體施工,相應的工期只有8個月時間,工期緊。

(3)橋址處地表土層厚約4 m,其下為厚約50 m厚的卵石層,必須選擇合適的基礎形式,確保工期。

(4)橋位處鐵路位于高路堤段,必須采取合理的結構形式及必要的防護措施,保證鐵路運營安全。

(5)橋位處鐵路北側地形較平坦,鐵路曲線向左彎曲,本橋曲線向右彎曲,有利于橋梁沿鐵路線支架現(xiàn)澆施工。

(6)本橋位于六環(huán)路上,為與引橋及引道平順連接,位于緩和曲線和圓曲線上,圓曲線半徑為950 m,豎曲線半徑7 000 m,空間曲線復雜。

3.2 方案構思

既有的轉體橋均采用墩底轉體的方式,但當橋墩較高或橋墩體量較大時,采用墩底(基底)轉體方式會導致轉體重力大大增加,球鉸、上下轉盤體量也相應增大,基礎尺寸和主跨跨徑也相應增大。墩頂轉體具有如下優(yōu)點：轉體時少了橋墩的重力,轉體重力顯著減小,降低了球鉸、轉體結構的設計難度,能夠有效地提高了結構可靠性。轉體結構布置于墩頂,承臺和樁基結構尺寸較小,便于橋跨布置,有利于減小主跨跨徑和轉體長度,造價較低。

初步設計中對采用墩頂與墩底轉體施工方案作了比較,本橋主墩高21.5 m,采用墩頂轉體可以減小轉體重力,本橋采用墩頂轉體施工方法,主跨跨徑取100 m就能跨越鐵路,轉體重力150 000 kN,主墩(3號墩)基礎距鐵路路堤坡角線最小距離為2.65 m,左中墩(2號墩)基礎距鐵路路堤坡角線最小距離為0.96 m,基礎施工不影響路堤。本橋若采用墩底轉體施工方法,增加了21 m高橋墩的重力(約30 000 kN),轉體重力將達180 000 kN,這又會加大轉體結構尺寸,導致增加主跨跨徑,主跨跨徑115 m才能跨越鐵路?，F(xiàn)有的加工設備還不能直接生產(chǎn)180 000 kN球鉸,必須升級設備,升級費用比一個球鉸價格還多。

在墩頂設置平轉體系,沿鐵路線北側搭設支架現(xiàn)澆斜拉橋的主塔和約182 m長梁體,張拉斜拉索后就形成了受力合理的平衡轉動體結構,能在很短的時間(90 min)內(nèi)將結構平轉到最終橋位,這就是墩頂轉體斜拉橋的方案構思。

經(jīng)反復論證,決定采用墩頂轉體法施工的子母塔預應力混凝土曲線斜拉橋設計方案,通過新技術、新工藝的應用,確保鐵路運輸安全和暢通,從而取得良好的社會效益和經(jīng)濟效益,降低橋梁造價,在建設中充分體現(xiàn)“科技北京”的指導思想。

4 結構設計

4.1 索塔

圖3 主梁拉索錨固點處橫截面(單位：cm)

索塔采用雙圓柱造型,挺拔秀美。主塔與子塔采取高度不等的錯落布置。主塔承受轉體過程中主梁荷載及主跨橋長70%的荷載,并與主梁固結,成為對全橋的縱向水平約束和抗扭轉的剛性節(jié)點。因為主塔承受較大的豎向荷載,促成截面尺寸的增大而具有較大的約束剛性,從而也使主梁在長大懸臂轉體施工中具有良好的穩(wěn)定性。子塔上的斜拉索在主梁合龍后張拉,可以分擔2號墩墩頂?shù)闹髁贺搹澗?減小主梁上緣拉應力。

主塔和子塔均是由上塔柱、中塔柱(斜拉索錨固區(qū))、下塔柱組成的框架結構,索塔為C55鋼筋混凝土結構。

主塔高33 m：上塔柱為6.82 m裝飾段,雙圓截面,外徑為2.4 m；中塔柱10.5 m,為拉索錨固區(qū),圓端形截面,截面的縱向寬度為5.8 m,橫向寬度為2.4 m；下塔柱高度為15.68 m,雙圓截面,中心間距為3.4 m,外徑為2.4 m,橋面以上1 m范圍采用與中塔柱一樣的圓端形截面。在塔柱內(nèi)部均勻布置8根寬翼緣熱軋T型鋼并用角鋼連接成桁架體系,一方面加大截面配筋率提高了抗震能力,另一方面作為勁性骨架定位鋼筋及模板。

子塔高19 m：上塔柱為5.9 m裝飾段,雙圓截面,外徑為2.0 m；中塔柱4.6 m,為拉索錨固區(qū),圓端形截面,截面的縱向寬度為5.0 m,橫向寬度為2.0 m；下塔柱高度為8.5 m,雙圓截面,中心間距為3.0 m,外徑為2.0 m。

索塔設計的難點在中塔柱索鞍區(qū)、中塔柱與下塔柱變截面處、下塔柱與主梁相接處。設計時建立空間模型進行內(nèi)力分析,根據(jù)分析結果,中塔柱索鞍區(qū)在分絲管外配置螺旋箍筋,以約束周邊混凝土;在分絲管的端面凹角處配置點焊的加強鋼筋,以加強有拉應力集中的角隅;在2根平行拉索分絲管的下方,配置橫向鋼筋,鋼筋長度覆蓋全寬,層間距上密下疏,以克服橫向拉應力。中塔柱與下塔柱變截面處和下塔柱與主梁相接處的主拉應力主要是由縱橋向應力引起的,采用增設縱向預應力鋼筋的方法解決,中塔柱與下塔柱變截面處布置了3層13-7φ5鋼絞線共18束,下塔柱與主梁相接處布置了4層13-7φ5鋼絞線共8束。

4.2 主梁

主梁采用W形腹板截面單箱三室C55預應力混凝土結構(圖3),頂板寬30.26 m，底板寬12.0 m，線路中心線處梁高3.0 m。箱梁頂板厚28 cm,底板厚26 cm,懸臂板根部厚57 cm，端部厚20 cm。為了將轉體部分曲線箱梁的重心盡量調(diào)整到箱梁中線處,箱梁截面橫坡按設計超高制作,外側腹板高于內(nèi)側,將內(nèi)、中、外腹板的厚度分別定為40、30、30、60 cm,外側腹板與水平向夾角21.7°～29.8°,內(nèi)側腹板與水平向夾角21.7°。

該布置特別適用于在截面中線錨固的單索面斜拉橋結構,頂板及中間兩腹板受拉,底板及兩側腹板受壓,將索力傳遞至全截面承擔。通過這種W形腹板的設置方式,起到了傳統(tǒng)箱梁橫隔板的傳力作用,取消了拉索錨點處橫隔板,簡化了箱梁構造,改善了運營期間的檢查維修條件。根據(jù)傳力途徑,頂板配置橫向預應力筋(圖4),橫向預應力筋為1 860 MPa高強低松弛4-7φ5、5-7φ5鋼絞線,錨具為BM15-4(P)、BM15-5(P)。中間兩腹板配置豎向預應力筋,豎向預應力筋為1 860 MPa高強低松弛7-7φ5鋼絞線,由于豎向預應力筋較短,張拉端采用低回縮錨具M15DHS-7來降低回縮損失,固定端采用M15-7P。為了布置豎向預應力筋錨具,斜拉索錨固范圍內(nèi)箱梁頂板局部加厚,此構造可以起到減小錨點局部應力作用,運營期間兼具斜拉索防撞作用。

主梁縱向預應力筋為極限強度1 860 MPa高強低松弛27-7φ5、19-7φ5、5-7φ5鋼絞線,錨具分別為M15-27、M15-19、BM15-5夾片錨。

圖4 主梁拉索錨固區(qū)橫、豎向預應力筋布置(單位：cm)

4.3 斜拉索

斜拉索的可靠與耐用是斜拉橋長期安全運營的關鍵。本橋的拉索體系由拉索錨具、索體抗滑錨固裝置、索鞍、索體組成。拉索錨具采用可換索式M15-61及M15-43群錨體系,應力幅250 MPa。拉索采用61根及43根PE包裹防護鋼絞線平行組合,再套以全圓形高密度聚乙烯(HDPE)護筒,而形成的多層嚴密防護的構造。PE包裹防護鋼絞線以環(huán)氧噴涂鋼絞線為主材,在其表面涂敷防腐油脂后熱擠高密度聚乙烯護套而制成?；诃h(huán)氧噴涂鋼絞線本身的優(yōu)異防腐性能,加上防腐油脂、熱擠高密度聚乙烯護套所具有的耐候性、抗磨性及全防水結構,使得這種PE包裹防護鋼絞線具有可靠的防護功能。

斜拉索在主梁箱內(nèi)錨固,在橋塔上設分絲管式索鞍通過,單根鋼絞線逐一張掛和張拉,采用兩端張拉,用專門的夾片錨具直接在梁內(nèi)錨固,拉索工作長度應根據(jù)實際采用的張拉千斤頂調(diào)整。整索張力的建立是通過等張力法的理論概念進行逐根張拉并以傳感器監(jiān)控,達到單根受力基本一致。在所有斜拉索張拉結束后就位塔兩側的抗滑錨固裝置。采用分絲管式索鞍,能有效改善塔內(nèi)應力分布,起到分散、均勻載荷的作用,同時解決了傳統(tǒng)拉索體系不能單根調(diào)索、換索的問題。

主塔設斜拉索11對,S1～S6由2根φ15-43鋼絞線拉索構成,S7～S11斜拉索由2根φ15-61鋼絞線拉索構成；子塔設斜拉索4對,S12～S15由2根φ15-43鋼絞線拉索構成,斜拉索間距沿主梁上緣及塔中線分別為5 m及0.8 m。

轉體時設置縱向臨時斜拉索SL和橫向臨時斜拉索SH?？v向臨時斜拉索SL采用2根φ15-43鋼絞線拉索,轉體完成后,其拉索可用于子塔斜拉索。橫向臨時斜拉索SH采用2根φ15-12鋼絞線拉索。

主梁位于曲線上,斜拉索梁上錨固點向曲線外側偏移0.5 m,主塔向曲線內(nèi)側偏移0.25 m,子塔向曲線外側偏移0.15 m,顯著減小了索塔橫向彎矩及主梁的扭轉效應。

4.4 主墩及墩頂轉體系統(tǒng)

主墩(3號墩)采用邊距為6～12.0 m的六角形花瓶式橋墩,墩高21.5 m,墩頂2.5 m范圍內(nèi)布置轉體系統(tǒng)(圖5～圖6),轉體完成后與主梁固結,形成塔梁墩固結的斜拉橋體系。

圖5 轉體系統(tǒng)立面(單位：cm)

圖6 轉體系統(tǒng)平面(單位：cm)

受墩頂空間限制,上轉盤共設6組撐腳,每組撐腳由2個直徑600 mm的鋼管混凝土柱組成,撐腳中心線直徑為9.6 m。與之對應,下轉盤設有直徑為9.6 m的下滑道及8組千斤頂反力座,撐腳與下滑道的間隙為4～6 mm,千斤頂反力座用于轉體的啟動、止動、姿態(tài)微調(diào)等。牽引索反力座對稱設于六邊形截面的角隅,并使其轉體期間與主梁不沖突。

轉體過程中墩頂受力極復雜,中心受球鉸150 000 kN壓力,撐腳最不利工況反力21 640 kN,牽引索反力座牽引力按2 000 kN計算,對此墩頂采取0.75 m等截面布置,并配置45°方向骨架鋼筋(圖7),墩頂5 m高范圍采用C50混凝土,其余采用C40混凝土。

圖7 橫橋向骨架鋼筋布置(單位：mm)

主梁轉體段(圖8)長度為182 m(里程從K28+364.654到K28+546.654),緩和曲線段長度為158.777 m,圓曲線長度為23.223 m。其中從K28+364.654至K28+403(長度為38.346 m),曲線內(nèi)外側超高同時由2.7218%漸變?yōu)?%,從K28+403至K28+546.654(長度為143.654 m),曲線內(nèi)外側超高為4%。

圖8 曲線梁重心控制示意(單位：cm)

復雜的曲線線形、橫坡設置及較小的曲線半徑給轉體重心的控制造成很大麻煩,為了將轉體部分曲線箱梁的重心盡量調(diào)整到箱梁中線處,箱梁截面橫坡按設計超高制作,外側腹板高于內(nèi)側,將內(nèi)、中、外腹板分別定為40、30、30、60 cm,切割曲線內(nèi)側125 m長懸臂板,轉體前曲線外側的防護欄及掛板全部施工完成,曲線內(nèi)側只施工跨鐵路部分及邊跨對應部分。轉體結構的計算重心位置順橋向偏向邊跨0.09 m,橫橋向偏向曲線內(nèi)側0.202 m,球鉸在墩頂橫橋向向曲線內(nèi)側偏移0.2 m,轉體時由球鉸及邊跨側的撐腳組成穩(wěn)定的支承體系,并且絕大部分重力由球鉸支承。

4.5 墩臺與基礎

本橋主墩(3號墩)及中墩(2、4號墩)采用六角形花瓶式獨柱墩,橋墩造型美觀,在主墩墩頂2.5 m內(nèi)布置上下轉盤和球鉸,轉體完成后與主梁固結形成剛構,2、4號墩墩頂橫向布置兩個支座,以提供一定的抗扭強度,并釋放溫度力。主墩和中墩采用圓形沉井基礎,以盡量減小主橋跨度及對鐵路路堤的干擾。1、5號墩采用切角矩形墩身,其形式與引橋一致,上設預應力混凝土蓋梁,下為矩形承臺及鉆孔樁。

圖9 3號沉井構造(單位：cm)

3號沉井(圖9)采用圓形沉井,在下沉過程中易于控制；使用抓泥斗抓土,要比其他形式的沉井更能保證其刃腳均勻地支承于土層上；當圓形沉井四周承受相同的側向壓力時,井壁只受軸向力；尤適于作圓形或正多邊形橋墩的基礎。沉井在底節(jié)與第二節(jié)間設10 cm的臺階,其上外壁豎直,以減小沉井外壁摩擦力,便于下沉。此臺階寬度亦是形成泥漿套的寬度。井壁厚2.5 m,以提供強度和下沉需要的重力。沉井在卵石土中下沉,下沉較深,故采用鋼刃腳,外側高0.5 m,內(nèi)側高3.5 m,踏面寬16 mm,內(nèi)側比外側高是考慮遇到大漂石爆破時保護刃腳不受損。頂板厚5 m,采用鋼筋混凝土結構,采用預制的鋼筋混凝土井孔蓋板作為灌注沉井頂板混凝土的底模板。封底混凝土厚4.5 m,上面有0.5 m厚的鋼筋混凝土底板,滿足施工階段及運營階段承受基底水和土的向上反力。沉井中間設置十字隔墻,隔墻厚1 m,將沉井分成4個井孔,以縮短井壁跨度,減小井壁彎矩,將頂板、底板、井壁聯(lián)成整體,便于將力均勻地傳給地基。在距刃腳底面3.75～4.75 m位置設置沉井凹槽,目的是為將封底混凝土下面基底反力傳遞至井壁上和增強封底混凝土和井壁的聯(lián)結。

2號、3號沉井邊離既有豐沙鐵路路堤很近,沉井下沉會影響豐沙鐵路路基的穩(wěn)定,為保證鐵路路基的穩(wěn)定和列車的安全運行,在鐵路每側插打兩排鋼管樁,在兩排鋼管樁之間布置φ1.2 m混凝土鉆孔灌注樁,樁長超過沉井刃腳5～8 m。在沉井下沉施工的整個過程中,對鐵路路基上、中、下設置的9個觀測點進行實時監(jiān)控。

本橋線形由緩和曲線和圓曲線組成,通過設置合理的支座偏心距,使恒載作用下曲線內(nèi)外側支座受力均勻,各墩支座偏心距設置及支反力見表1。

表1 支座偏心距設置及支反力

5 結語

北京市六環(huán)路斜拉橋根據(jù)跨越豐沙鐵路的條件設計的預應力混凝土曲線斜拉橋,采用雙圓柱子母塔單索面W形腹板箱形截面,墩頂轉體,結構新穎。與三家店水庫及其山地背景相呼應,形成了一處新景觀,成為北京市六環(huán)路的標志性建筑；該工程已于2009年9月12日通車運營。

完成的墩頂轉體重力150 000 kN、轉體懸臂長92 m、曲線半徑950 m研究成果,綜合指標居世界同類型橋梁的首位,最大限度地減少了大橋施工期間對鐵路運營干擾,有效地縮短了施工工期,取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

[1] 徐升橋,劉永鋒,北京市六環(huán)路斜拉橋設計關鍵技術[J].鐵道標準設計,2009(11)：52-55.

[2] 徐升橋,陳國立，柳學發(fā)，等.北京市五環(huán)路曲線斜拉橋轉體施工設計[J].鐵道標準設計,2003(10)：1-5.

[3] 楊 進,邵長宇,孫叔禹，等.主跨348 m+348 m三塔單索面PC梁斜拉橋[J].橋梁建設,2002(1)：63-66.