上海金山鐵路春申特大橋主橋設(shè)計(jì)與施工

張池權(quán)

(中鐵第四勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

1 概述

上海金山鐵路全長(zhǎng)58 km，為雙線電氣化Ⅰ級(jí)鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速160 km，有砟軌道。建成后將成為上海市中心城區(qū)連接金山區(qū)的一條市域快速鐵路。

1.1 橋址概況及主要控制因素

春申特大橋位于上海市松江區(qū)既有滬春線右側(cè)，因從春申車站邊經(jīng)過(guò)而得名，主要跨越北竹港及滬昆鐵路，主要控制因素為滬昆鐵路。

本橋在HK39+040處與既有滬昆鐵路交叉，滬昆鐵路為雙線電氣化鐵路。本橋與滬昆雙線的交叉里程分別為 HYDK1+387.694、HYDK1+409.621，交角分別為 16°7'39″、14°2'24″。交叉處滬昆鐵路軌面高程5.970 m，金山鐵路軌面高程16.187 m，兩線軌面高差10.217 m，容許跨越結(jié)構(gòu)物軌面至梁底高度2.057 m。

1.2 主要技術(shù)條件

本橋?yàn)閱尉€橋，橋上最小曲線半徑R=5 000 m，橋上最大縱坡12‰，全橋鋪設(shè)無(wú)縫線路。

1.3 氣象

上海地處中緯度沿海，在全球氣候帶分布中屬北亞熱帶南緣，是南北冷暖氣團(tuán)交匯地帶，受冷暖空氣交替影響和海洋濕潤(rùn)空氣調(diào)節(jié)，氣候濕潤(rùn)，四季分明，降水充沛。年平均氣溫16.1℃，極端最高氣溫40.2℃，極端最低氣溫－12.1℃。平均每年受臺(tái)風(fēng)影響1.5次，極端最大風(fēng)速34.7 m/s。

1.4 地震動(dòng)參數(shù)

橋址所在地區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.10g。擬建場(chǎng)地地基土類型主要為軟弱場(chǎng)地土，場(chǎng)地類別為Ⅳ類，特征周期為0.65 s。

2 主橋橋式方案比選

本橋跨越滬昆線的突出特點(diǎn)是:小角度、低高度。懸灌施工連續(xù)梁方案由于結(jié)構(gòu)高度大大超過(guò)要求首先被排除。為此，本橋跨滬昆線主跨研究了另外3個(gè)方案:門(mén)式墩方案，1-15 m空間剛構(gòu)(順線路長(zhǎng)81.2 m)方案和1-96 m下承式鋼桁梁方案。

2.1 門(mén)式墩方案

32 m簡(jiǎn)支梁加門(mén)式墩方案，即便是采用隱形帽梁，其結(jié)構(gòu)高度仍不滿足跨越要求，此方案不可行。

2.2 空間剛構(gòu)方案

空間剛構(gòu)方案平、立面見(jiàn)圖1。此方案造價(jià)較低，但要在既有線邊施工近50根鉆孔樁，且需在既有線上方滿布膺架施工梁部混凝土，施工周期較長(zhǎng)，對(duì)既有線運(yùn)營(yíng)影響巨大。

圖1 空間剛構(gòu)方案跨滬昆鐵路平、立面(單位:cm)

2.3 鋼桁梁方案

下承式鋼桁梁方案平、立面見(jiàn)圖2。此方案雖造價(jià)相對(duì)較高，但主跨基礎(chǔ)只有12根鉆孔樁，梁部采用轉(zhuǎn)體施工，轉(zhuǎn)體滑動(dòng)距離只有26.7 m，轉(zhuǎn)體時(shí)間只需要不到6 h，施工周期大大縮短，對(duì)既有線的影響大大減小。

圖2 鋼桁梁方案跨滬昆鐵路平、立面(單位:cm)

2.4 推薦意見(jiàn)

施工對(duì)既有線的影響程度決定本橋的橋式方案的取舍。綜上所述，在小角度、低高度條件下，跨越繁忙鐵路干線采用下承式鋼桁梁方案，采用轉(zhuǎn)體施工工藝，可以最大限度地降低施工對(duì)既有線的干擾，不失為一種比較優(yōu)越的跨越方案。

因此，本橋主跨推薦采用1－96 m下承式鋼桁梁方案。全橋孔跨布置為:(13－32 m+1－24 m)T梁+(32+48+32)m連續(xù)梁+1－24 m T梁+1－96 m道砟橋面下承式鋼桁梁+(28－32 m+2－24 m+2－32 m+2－24 m)T梁，橋長(zhǎng)1 778.42 m。

3 主橋設(shè)計(jì)［1］

3.1 主橋結(jié)構(gòu)

3.1.1 主桁

主桁設(shè)計(jì)為無(wú)豎桿整體節(jié)點(diǎn)平行弦三角桁式，節(jié)間長(zhǎng)度12 m，桁高12.8 m，主桁間距6.6 m，詳見(jiàn)圖3。

主桁上、下弦桿及部分斜桿采用焊接箱形截面。上弦桿內(nèi)寬540 mm，內(nèi)高650 mm，板厚20～32 mm。下弦桿內(nèi)寬540 mm，內(nèi)高900 mm，板厚28～32 mm。箱形斜桿(端斜桿及 A1E2、A1'E2'、E2A3、E2'A3')內(nèi)寬540 mm，內(nèi)高不等，板厚24～32 mm，其他斜桿采用H形截面，腹板外高538 mm，翼板寬700 mm，板厚20～24 mm。

3.1.2 橋面系構(gòu)造

根據(jù)本線速度目標(biāo)值及本橋所處環(huán)境(同潤(rùn)家園小區(qū)邊，噪聲敏感點(diǎn))，本梁采用鋼正交異性板整體道砟橋面。

鋼正交異形板橋面由橋面板、橫梁、橫肋及縱肋組成。

橋面板縱向與下弦頂板伸出肢焊接，橫向分段焊接。橋面墊層用輕質(zhì)墊層體系，即鋼橋面板上鋪設(shè)3 mm MMA(甲基丙烯酸甲酯)高性能防水體系［2］，其上再粘著50 mm厚高粘著輕質(zhì)墊層CAP(Concrete with Adhesive Pads，混凝土粘著墊板)［3］，道砟直接鋪設(shè)在CAP上。擋砟墻采用鋼擋砟墻，人行道置于主桁外側(cè)，凈寬1.0 m。本梁左側(cè)設(shè)置聲屏障，聲屏障設(shè)在人行道外側(cè)。

橫梁采用密布橫梁體系，間距3 m，即在主桁節(jié)點(diǎn)處設(shè)置橫梁，橫梁間設(shè)3道橫肋。橫梁及橫肋均采用倒T形截面，高900 mm，腹板厚20 mm，底板寬600 mm，厚28 mm，上翼板與主桁伸出肢焊接，腹板及底板與主桁伸出肢栓接。

本梁在軌道下方設(shè)置2道T肋，擋砟墻范圍之內(nèi)設(shè)置6道U肋，兩側(cè)擋砟墻下各1道板肋。T肋腹板高360 mm，厚12 mm，底板寬240 mm，厚16 mm;U 肋高度260 mm，厚8 mm，間距600 mm;板肋高度200 mm，厚16 mm?？v肋全橋連續(xù)，遇橫梁、橫肋腹板則開(kāi)孔通過(guò)。

3.1.3 縱向聯(lián)結(jié)系

本梁設(shè)上平面縱向連接系，交叉式結(jié)構(gòu)。縱向平聯(lián)采用工字形截面，翼板寬400 mm，厚24 mm，腹板外高440 mm，厚16 mm。

圖3 鋼桁梁輪廓(單位:mm)

3.1.4 橋門(mén)架及橫聯(lián)

本梁在端斜桿處設(shè)置橋門(mén)架，在A7、A7'節(jié)點(diǎn)處設(shè)置橫聯(lián)。橋門(mén)架及橫聯(lián)均采用板式結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成是在上平聯(lián)橫撐下疊焊橋門(mén)架或橫聯(lián)構(gòu)件。該構(gòu)件采用工字形截面，上翼板寬500 mm，厚20 mm，下翼板寬400 mm，厚20 mm，腹板厚16 mm。橋門(mén)架與橫聯(lián)端部最大高度5785 mm，中部最小高度2 040 mm。

3.2 主橋結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.2.1 計(jì)算模型

采用MIDAS建立全橋空間梁格模型。各桿件采用梁?jiǎn)卧M，所有節(jié)點(diǎn)均為剛接。在進(jìn)行弦桿內(nèi)力計(jì)算時(shí)，采用虛擬車道進(jìn)行加載;在進(jìn)行橋面系縱橫肋計(jì)算時(shí)采用虛擬板單元進(jìn)行加載。計(jì)算結(jié)構(gòu)的橫向剛度及自振特性時(shí)考慮橋門(mén)架板式楣梁及板式中橫聯(lián)的影響。

3.2.2 主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

跨中靜活載撓度37.8 mm，撓跨比1/2 540;豎向靜活載作用下梁端轉(zhuǎn)角2.3‰rad。

按照恒載+1/2靜活載產(chǎn)生的撓度設(shè)置預(yù)拱度。主桁預(yù)拱度通過(guò)改變上弦拼接縫尺寸的方法實(shí)現(xiàn)。斜桿依舊交匯于上弦節(jié)點(diǎn)中心處，每個(gè)節(jié)間上弦伸長(zhǎng)15 mm，伸長(zhǎng)后上弦相鄰的節(jié)點(diǎn)中心線間距離為12 015 mm。

主桁材質(zhì)采用370qD，連接系及橋面系材質(zhì)采用Q345qD［4］。主結(jié)構(gòu)用鋼量791.4 t，約8.2 t/m，最大桿件質(zhì)量21 t。

4 主橋施工

滬昆線滬杭段是全國(guó)鐵路運(yùn)輸最為繁忙的干線之一，金山鐵路以小角度跨越，如果采用傳統(tǒng)的頂推或拖拉法架設(shè)，需在滬昆兩線間設(shè)置臨時(shí)支點(diǎn)［5］，難以實(shí)施;鋼桁梁在既有線邊順鐵路方向拼裝完成后，如果以一個(gè)墩為旋轉(zhuǎn)軸，在另一個(gè)墩和臨時(shí)支墩上搭設(shè)1個(gè)滑道，只需將鋼桁梁平面轉(zhuǎn)體16°，梁端滑動(dòng)距離只有26.7 m，只需不到6h即可將梁體架設(shè)就位。

在小角度跨越條件下，簡(jiǎn)支鋼桁梁轉(zhuǎn)體架設(shè)技術(shù)具有如下突出優(yōu)點(diǎn):轉(zhuǎn)體角度小、滑動(dòng)距離小，和傳統(tǒng)的頂推(拖拉)法相比，大大減少了頂推距離，從而可以大幅度縮短施工周期，把對(duì)既有線的影響降到最低。

4.1 施工步驟

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，鋼桁梁拼裝需在滬昆線右側(cè)進(jìn)行，這樣旋轉(zhuǎn)軸設(shè)在19號(hào)墩，18號(hào)墩及臨時(shí)支墩上搭設(shè)滑道。施工步驟如下。

第一步:施工18號(hào)、19號(hào)墩，可同步施工1～8號(hào)臨時(shí)支墩。1～8號(hào)臨時(shí)支墩在線路右側(cè)，順線路方向搭設(shè)。

第二步:在19號(hào)墩上安裝旋轉(zhuǎn)軸，在18號(hào)墩和8號(hào)臨時(shí)支墩上架設(shè)滑道梁。

第三步:在19號(hào)墩、1～8號(hào)臨時(shí)支墩上拼裝鋼桁梁。

第四步:鋼桁梁拼裝完成后，拆除1～7號(hào)臨時(shí)支墩，使鋼桁梁形變簡(jiǎn)支狀態(tài)，達(dá)到轉(zhuǎn)體條件。

第五步:頂推或拖拉鋼桁梁，使鋼桁梁轉(zhuǎn)體至設(shè)計(jì)位置。

第六步:拆除旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)及滑道，落梁并調(diào)整至設(shè)計(jì)位置，安裝支座，完成鋼桁梁架設(shè)。見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 拼裝及轉(zhuǎn)體中的鋼桁梁

圖5 轉(zhuǎn)體就位后的鋼桁梁

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

常用的旋轉(zhuǎn)裝置是單支點(diǎn)轉(zhuǎn)軸支座，轉(zhuǎn)軸支座設(shè)置在端橫梁中間，它在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中既承重又限位。這種旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單，但端橫梁需要加強(qiáng)，支座噸位較大，且穩(wěn)定性稍差。本工點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)構(gòu)思巧妙，采用三支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)［6］:在支座處設(shè)置2個(gè)可以滑動(dòng)的支撐腳承受梁體自重，在端橫梁中間設(shè)置不承重但能限位的旋轉(zhuǎn)銷軸，見(jiàn)圖6。

圖6 三支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)裝置

旋轉(zhuǎn)銷軸用2種規(guī)格的無(wú)縫鋼管陰陽(yáng)扣套接，陰口在下，與橋墩固結(jié)，陽(yáng)頭在上，與梁部固結(jié)，鋼管內(nèi)可灌注混凝土以提高其強(qiáng)度。

為減小支撐腳的摩阻力，墩頂支撐腳軌跡處鋪設(shè)不銹鋼板，支撐腳下安裝聚四氟乙烯滑板［7］。

4.2.2 滑道梁

鋼桁梁轉(zhuǎn)體端的運(yùn)行軌跡是一個(gè)圓弧，但由于滑道梁是簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，且半徑較小，滑道梁宜設(shè)計(jì)成直梁。本工點(diǎn)的滑道梁設(shè)計(jì)成箱形直梁，材質(zhì)采用Q345qD，計(jì)算跨度26.7 m，梁高1.55 m，梁寬2.4 m，頂板厚36 mm，底板厚26 mm，腹板厚16 mm。為增強(qiáng)頂板的穩(wěn)定性，頂板設(shè)縱向角鋼加勁肋。為增加滑道梁的抗扭剛度，梁體隔一定距離設(shè)置橫隔板。

為了使鋼桁梁轉(zhuǎn)體端在轉(zhuǎn)體過(guò)程中始終處于水平狀態(tài)，滑道梁設(shè)計(jì)應(yīng)預(yù)留上拱度，上拱度按照滑道梁自重+鋼桁梁支反力產(chǎn)生的撓度設(shè)置。本工點(diǎn)滑道梁跨中最大上拱度40 mm。如果滑道梁在鋼桁梁轉(zhuǎn)體過(guò)程中處于下?lián)蠣顟B(tài)，將極大地增加鋼桁梁滑動(dòng)阻力。

為了減小滑動(dòng)時(shí)的摩擦力，滑道上方可鋪設(shè)不銹鋼滑道板，鋼桁梁轉(zhuǎn)體端支座位置應(yīng)安裝聚四氟乙烯滑板或工程塑料合金滑板MGE板。本工點(diǎn)在滑道上設(shè)置不銹鋼板，鋼桁梁支座鋼板下安裝MGE板作為滑船，鋼桁梁通過(guò)滑船在不銹鋼板上滑移。

4.2.3 頂推裝置

鋼桁梁轉(zhuǎn)體的動(dòng)力有2種選擇:頂推或拖拉。頂推一般采用千斤頂，頂推力有保障，操作簡(jiǎn)單，但由于千斤頂?shù)男谐潭?，不可能一次將鋼桁梁頂推就位，需要多次移?dòng)千斤頂，鋼桁梁轉(zhuǎn)體需要間歇進(jìn)行。拖拉一般采用卷?yè)P(yáng)機(jī)，原則上可以不間斷一次拖拉就位，但牽引力相對(duì)較小且操作繁雜、難以控制［7］。本工點(diǎn)由于需要封鎖施工，每個(gè)封鎖點(diǎn)只有2 h，需要3個(gè)封鎖點(diǎn)才能完成轉(zhuǎn)體，因此選擇操作簡(jiǎn)單、易于控制的頂推法。

本工點(diǎn)鋼桁梁總質(zhì)量800 t，MGE板與不銹鋼板間的靜摩擦系數(shù)μ1=0.1，滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ2=0.06，則啟動(dòng)頂推力為:Fmax=μ1N=400 kN，啟動(dòng)后頂推力為:Fmin=μ2N=240 kN。據(jù)此，選擇 2臺(tái)行程 1 m的1 000 kN千斤頂。

4.3 頂推過(guò)程

本工點(diǎn)鋼梁轉(zhuǎn)體屬營(yíng)業(yè)線施工范疇，必須在封鎖點(diǎn)進(jìn)行施工。根據(jù)千斤頂一個(gè)行程時(shí)間(千斤頂設(shè)計(jì)行程1 m，施工時(shí)控制在90 cm，每個(gè)行程包括回油及頂推時(shí)間共10 min)以及上下行線行車的要求，本次轉(zhuǎn)體施工申請(qǐng)了3個(gè)封鎖點(diǎn)，每個(gè)封鎖點(diǎn)2 h，共6 h時(shí)間。根據(jù)封鎖點(diǎn)的時(shí)間要求，轉(zhuǎn)體施工按3個(gè)封鎖點(diǎn)分3 個(gè)階段實(shí)施［6］。

第一階段:在第一個(gè)封鎖點(diǎn)完成，計(jì)劃頂推8 m。此階段鋼桁梁前支點(diǎn)到達(dá)上下行線中間位置，滿足不超越下行線的要求。

第二階段:在第二個(gè)封鎖點(diǎn)完成，計(jì)劃頂推12 m。鋼桁梁前支點(diǎn)到達(dá)18號(hào)墩。

第三階段:在第三個(gè)封鎖點(diǎn)完成，計(jì)劃頂推6.7 m。鋼桁梁到達(dá)設(shè)計(jì)位置。

轉(zhuǎn)體過(guò)程中應(yīng)對(duì)鋼桁梁及轉(zhuǎn)軸支撐腳的運(yùn)行軌跡、滑道梁的撓度及受力狀態(tài)、頂推力變化等進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常情況應(yīng)立刻停止頂推。

5 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的明橋面鋼桁梁不僅噪聲大，而且由于軌道防爬的考慮，一般只能用在直線及不大于3‰的坡度上，在使用上受到較大局限［8］。密布橫梁體系鋼正交異性板整體橋面是近幾年鐵路上興起的一種新結(jié)構(gòu)［9］，它不僅克服了明橋面的上述局限性，拓展了鋼梁的使用范圍，還有效地解決了橋面系參與主桁共同作用給橋面結(jié)構(gòu)帶來(lái)的不利影響，降低縱橫梁的高度、減小橋面用鋼量［10-11］，目前已廣泛應(yīng)用于大跨鐵路橋梁。本橋鋼正交異性板上不設(shè)混凝土保護(hù)層，在防水層與道砟間只鋪設(shè)50 mm厚CAP高粘著輕質(zhì)防護(hù)墊層，進(jìn)一步減輕了結(jié)構(gòu)自重。

小角度跨越鐵路一般采用門(mén)式墩和空間剛構(gòu)方案。門(mén)式墩受到結(jié)構(gòu)高度限制，空間剛構(gòu)施工對(duì)既有線運(yùn)營(yíng)影響很大。采用下承式鋼桁梁結(jié)合簡(jiǎn)支梁平面轉(zhuǎn)體架設(shè)技術(shù)，既解決了結(jié)構(gòu)高度限制問(wèn)題，也大大減小了施工對(duì)既有線運(yùn)營(yíng)的影響，不失為小角度跨越繁忙鐵路干線一種優(yōu)越的橋式。該種橋式和施工方法已在本工點(diǎn)和集包第二雙線鐵路古城灣特大橋中成功應(yīng)用［12］。在高速鐵路快速發(fā)展的今天，以小角度跨越既有鐵路干線的幾率越來(lái)越大，這種橋式方案必將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

［1］中鐵第四勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.上海金山鐵路春申特大橋施工圖文件［Z］.武漢:中鐵第四勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2010.

［2］中鐵第四勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，等.廣珠城際軌道交通工程橋面防水層暫行技術(shù)條件［Z］.武漢:中鐵第四勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，等.2008.

［3］中鐵第四勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.廈深鐵路榕江特大橋施工圖文件［Z］.武漢:中鐵第四勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2009.

［4］中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.TB10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［5］姚法海.京秦客運(yùn)專線125 m鋼桁梁頂推施工設(shè)計(jì)［J］.交通科技，2011(4):28 －31.

［6］中鐵二十局集團(tuán)有限公司.跨繁忙干線鋼桁梁平面轉(zhuǎn)體施工技術(shù)［R］.西安:中鐵二十局集團(tuán)有限公司，2011.

［7］陳科.鋼橋拖拉施工工藝及受力分析研究［D］.南京:東南大學(xué)，2009.

［8］鐵道第三勘察計(jì)院.TB10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

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［12］贠庭貴.集包鐵路古城灣特大橋總體設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)科技博覽，2009(15):299-300.