京新上地斜拉橋的技術(shù)創(chuàng)新

徐升橋，劉永鋒

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 工程概況

圖1 京新高速公路上地斜拉橋立面(單位:m)

京新高速公路北京市上地分離式立交橋以19°的斜交角度跨越既有京包鐵路、地鐵13號線及在建京張城際鐵路。大橋采用(46+46+230+98+90)m獨(dú)塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土曲線斜拉橋，其立、平面布置如圖1、圖2所示。主塔采用塔、墩固結(jié)體系，主梁(圖3)支承于塔墩上，塔高101 m，主梁中心高3.37 m，索塔高度與中跨比為0.38，主梁主跨的高跨比為1/68，主塔兩側(cè)各設(shè)22對斜拉索;橋梁位于曲線上，從北京往包頭方向，依次為半徑920 m的38.903 m圓曲線、245 m緩和曲線、226.097 m直線，以及縱坡(2.0%)+豎曲線(半徑11 000 m)+縱坡(－1.478%)。

圖2 京新高速公路上地斜拉橋平面

圖3 京新高速公路上地斜拉橋主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位:mm)

2 結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)

斜拉橋作為高次超靜定結(jié)構(gòu)，一般都是采用分階段逐步完成的施工方法，因而必須模擬現(xiàn)場施工過程中的每個(gè)工序，以對斜拉橋的每一個(gè)施工階段進(jìn)行詳盡的分析和驗(yàn)算［1，2］，確定合理的施工狀態(tài)，求得斜拉索各關(guān)鍵施工階段的拉索索力、主梁撓度以及截面內(nèi)力和應(yīng)力等施工控制參數(shù)理論值，使斜拉橋成橋后達(dá)到理想成橋狀態(tài)。由于目前的計(jì)算能力尚無法對全橋進(jìn)行精細(xì)實(shí)體有限元分析，且目前的大型通用有限元程序?qū)τ谑┕るA段模擬以及收縮徐變計(jì)算方面尚不成熟，因此采用桿系橋梁計(jì)算軟件對全橋進(jìn)行施工階段分析后，再將分析得到的內(nèi)力、索力等施加到局部精細(xì)有限元模型上，是一個(gè)相對合理科學(xué)的計(jì)算分析方法。

2.1 主梁精細(xì)化設(shè)計(jì)

主梁采用頂推法施工，頂推長度212 m，頂推距離213 m，頂推總重250 000 kN。為了克服頂推工程中的“十頂九裂”現(xiàn)象，對主梁每前進(jìn)1 m計(jì)算1次，得出主梁的應(yīng)力包絡(luò)圖(圖4)和各臨時(shí)墩的支反力包絡(luò)圖［3］。

圖4 主梁施工過程應(yīng)力包絡(luò)圖

如圖5所示，主梁B段(頂推段)前端設(shè)有鋼導(dǎo)梁，鋼導(dǎo)梁預(yù)埋于混凝土箱梁端部，通過剪力連接件和混凝土箱梁連接成整體，以傳遞頂推過程中的彎矩和剪力。鋼導(dǎo)梁預(yù)埋段長度為4 m，為保證結(jié)合部鋼梁與混凝土箱梁共同工作，鋼梁頂板、底板以及腹板和混凝土接觸面均設(shè)置了剪力連接件。

圖5 主跨頂推施工示意(單位:m)

主梁B段(頂推段)尾端設(shè)有頂推用牽引索錨點(diǎn)構(gòu)造(圖6)，共12根牽引索錨固于端部將B段主梁頂推至指定位置。

圖6 牽引索錨點(diǎn)主梁端部構(gòu)造(單位:mm)

主梁的斜拉索錨固區(qū)(圖7、圖8)承受很大的集中荷載，傳力機(jī)制復(fù)雜，錨固塊周圍局部區(qū)域混凝土處于空間應(yīng)力狀態(tài)，可能存在較大的主拉應(yīng)力導(dǎo)致混凝土開裂，從而影響斜拉橋的安全性和耐久性。

圖7 主梁尾索節(jié)段

圖8 主梁塔根節(jié)段

采用大型通用有限元程序?qū)σ陨详P(guān)鍵構(gòu)造進(jìn)行精細(xì)有限元分析，重點(diǎn)關(guān)注鋼梁與混凝土的界面行為，為綜合評價(jià)結(jié)合部連接件設(shè)計(jì)的安全性與可靠性提供依據(jù);以及主梁的支點(diǎn)處底板、斜拉索錨固點(diǎn)和主梁頂推段前端、尾端等關(guān)鍵構(gòu)造的局部應(yīng)力。從而確保結(jié)構(gòu)安全，實(shí)現(xiàn)了主梁結(jié)構(gòu)在頂推過程中和成橋運(yùn)營狀態(tài)不開裂。

2.2 主塔精細(xì)化設(shè)計(jì)

主塔(圖9)是由上塔柱(斜拉索錨固區(qū))、中塔柱、下塔柱組成，塔柱為偏心受壓受力構(gòu)件，塔柱均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土采用C55。

圖9 主塔塔形及橫梁預(yù)應(yīng)力

主塔承臺以上高101 m，橋面以上高88 m。上塔柱為拉索錨固區(qū)，刻槽矩形變截面，上緣截面為5 m×6.6 m，下緣截面為6.627 m×14.748 m，直線+圓曲線變化，斜拉索在塔上交錯(cuò)錨固，小里程側(cè)的拉索錨固在截面中部，其錨槽尺寸為2.4 m×1 m，大里程側(cè)的拉索錨固在截面兩側(cè)，分別設(shè)置錨槽，其尺寸為1.2 m×1 m;中塔柱分為雙斜柱，矩形變截面，截面橫橋向高4.55 m，寬由6.627～8.0 m線性變化。下塔柱橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，布置了鋼束以抵抗中塔柱傳來的拉力。

主塔是全橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，由于主塔塔形復(fù)雜，塔柱與橫梁交界處受力狀態(tài)復(fù)雜，采用桿系模型分析很難準(zhǔn)確地反映主塔的實(shí)際受力狀態(tài)，因此采用大型通用有限元程序?qū)χ魉魇┕るA段進(jìn)行精細(xì)有限元分析，為綜合評價(jià)主塔裂縫控制方案提供參考。

正常運(yùn)營階段橋梁有縱向約束，在汽車及風(fēng)荷載等作用下不會發(fā)生縱向位移，但在大震作用下該縱向約束會失效，從而延長結(jié)構(gòu)的第一階周期，減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，提高橋梁的抗震能力。因此設(shè)計(jì)了一個(gè)在正常運(yùn)營階段有效、大震作用下失效的縱向約束裝置(即塔梁間彈性連接裝置)。該彈性連接裝置的構(gòu)造為:在塔和梁上設(shè)置2對錨固塊，通過拉索將塔和梁的錨固塊縱向連接起來，從而達(dá)到縱向約束的效果，大震作用下拉索破斷，從而使縱向約束失效。該構(gòu)造設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是，在拉索破斷前確保錨固塊本身不破壞，由于錨固塊局部應(yīng)力復(fù)雜，需要對錨固塊在拉索破斷力作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行精細(xì)的分析［4］。

通過對施工、運(yùn)營階段下塔柱及塔墩箱體、斜拉索與主塔的錨固段、梁塔彈性連接的錨固塊等重點(diǎn)構(gòu)造進(jìn)行局部應(yīng)力分析，優(yōu)化局部構(gòu)造及配筋，改善了局部應(yīng)力狀態(tài)。

3 混凝土曲線箱梁頂推(拖拉)施工新方法

3.1 現(xiàn)狀及局限性

預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁頂推(拖拉)法施工是在沿橋縱軸方向的后方預(yù)制梁體，靠前方的千斤頂提供拉力，拉動拉桿或拉索(另一端錨固在梁體上)，借助各墩頂滑塊、滑道，限位措施等，將梁體逐漸向前頂推(拖拉)就位。

目前，曲線箱梁的頂推施工多應(yīng)用于平面上拖拉段主梁軸線為統(tǒng)一半徑的圓曲線的梁體上，對于平面上拖拉段線型復(fù)雜的梁體，如位于緩和曲線或者圓曲線、緩和曲線、直線等多線型軸線上梁體，因頂推過程梁體運(yùn)行軌跡的復(fù)雜不確定性，頂推法應(yīng)用很少。

在一般的拖拉過程中，各個(gè)墩頂均設(shè)置限位及糾偏裝置，以限制和糾正拖拉過程中梁體的橫向位移，保證梁體按照設(shè)定的圓軌跡線前進(jìn)。

頂推過程中，在各個(gè)墩頂均設(shè)置限位及糾偏裝置，使梁體在拖拉過程中同時(shí)受多個(gè)限位力作用，橫向受力狀況不明確，同時(shí)可能由于各個(gè)墩頂限位裝置剛度的差異而引起不可預(yù)知的橫向位移，增加拖拉過程中的風(fēng)險(xiǎn)性。

3.2 解決思路與頂推(拖拉)施工新方法

(1)通過設(shè)計(jì)將位于緩和曲線和多線型軸線上的箱梁體底面與限位側(cè)面的中心線擬合成圓曲線(圖10～圖11、表1)，即為頂推(拖拉)前進(jìn)的軌跡線。

以頂推段梁體的起點(diǎn)和終點(diǎn)作為控制點(diǎn)，用通過這兩點(diǎn)的圓曲線擬合線路軸線，選取合適的圓曲線半徑，使得線路軸線在圓曲線兩側(cè)的偏移量均很小，實(shí)際中線路半徑比較大，所以兩側(cè)偏移量均不大，對整個(gè)梁體的成橋后受力影響很小。

設(shè)計(jì)梁體截面時(shí)，底面和限位面按圓曲線為對稱軸線，而頂板則仍按線路軸線為對稱軸。擬合后的圓曲線向后延伸即為拖拉過程的軌跡線，兩者的差值通過調(diào)節(jié)箱室的寬度尺寸實(shí)現(xiàn)，這樣，就保證了頂推施工過程中運(yùn)動軌跡為圓曲線，又滿足了線路各種線型的需要。

(2)提出了頂推(拖拉)過程中兩點(diǎn)限位方式(圖11～圖12、表1)，使得梁體在頂推(拖拉)過程中受力明確，控制更簡單，頂推(拖拉)過程更加安全。

采用兩點(diǎn)限位的方式，即頂推過程每個(gè)狀態(tài)，僅在最靠近頂推梁段首尾端的支承墩上設(shè)置限位及糾偏裝置。由于兩點(diǎn)限位平面上為靜定結(jié)構(gòu)，作用點(diǎn)和方向確定，根據(jù)簡單的力平衡原理計(jì)算確定頂推過程各狀態(tài)在拖拉力作用下曲線梁橫向的作用力的大小。同一限位點(diǎn)上，受壓一側(cè)安置限位裝置使箱梁的前進(jìn)緊貼著限位裝置進(jìn)行，另一側(cè)安置糾偏裝置以防止頂推過程中由于頂推力的不均衡性而引起梁體的橫向位移;頂推過程中如果梁體偏離限位裝置，則采用糾偏裝置使梁體返回頂推(拖拉)軌跡線正常運(yùn)行。

通過上述混凝土曲線箱梁橋連續(xù)頂推(拖拉)設(shè)計(jì)施工方法，使得頂推(拖拉)施工可以適用于緩和曲線和多線型橋梁，并且使頂推(拖拉)過程橫向受力明確，限位糾偏的控制簡單易行，施工過程更加安全可靠，同時(shí)由于減少了限位糾偏裝置節(jié)省了工程投資。

圖10 拖拉段梁體平面

圖11 拖拉段梁體截面

圖12 拖拉過程中兩點(diǎn)限位糾偏裝置布置

表1 圖10～12符號的含義

4 斜拉索安裝亮化燈具的風(fēng)致穩(wěn)定性

本橋?yàn)楸本┦兄嘘P(guān)村科技園區(qū)的標(biāo)志性建筑物，根據(jù)景觀設(shè)計(jì)的需要進(jìn)行了夜景照明設(shè)計(jì)。由于景觀燈具的布置會改變斜拉索的外形，從而改變斜拉索的斯卡拉頓數(shù)(Sc)，由此會對斜拉索風(fēng)致振動產(chǎn)生一定的影響，景觀燈具對斜拉索風(fēng)致振動影響是本項(xiàng)目的一個(gè)關(guān)鍵問題;同時(shí)考慮到本橋需在斜拉索主梁錨固處附近設(shè)置阻尼器裝置，對增加景觀燈具后抑制斜拉索大幅風(fēng)致振動所需的阻尼比參數(shù)如何確定也是本橋設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵的問題。

為了盡量減少照明燈具對拉索抗風(fēng)性能的不利影響，將LED燈具嵌入斜拉索的護(hù)套內(nèi)(直徑為D)，解決了大跨度斜拉橋亮化燈具易于產(chǎn)生風(fēng)振(振幅Amax)的技術(shù)難題。如圖13所示。

圖13 斜拉索燈具布置示意(單位:mm)

通過對京新上地斜拉橋斜拉索安裝景觀燈具后的風(fēng)致振動效應(yīng)［5，6］進(jìn)行理論與試驗(yàn)研究，得到如下主要結(jié)論。

(1)橋位基本風(fēng)速V10=28.6 m/s，地表粗糙度系數(shù)為α=0.3，成橋狀態(tài)斜拉索設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速Vd=27.0 m/s。

(2)主橋全部斜拉索的前5階自振頻率，其中C10'N號斜拉索一階自振頻率為1.012 8 Hz，C22W號斜拉索一階振動頻率為0.608 4 Hz。

(3)斜拉索渦激振動二維時(shí)域分析結(jié)果表明:C10'N與C22W斜拉索的渦激振動響應(yīng)接近，不同阻尼比條件下渦激振動鎖定區(qū)間基本保持不變，渦激共振鎖定區(qū)間約為Vred=V/fD=4.7～5.3(D—拉索直徑、V—實(shí)際風(fēng)速、f—拉索的自振頻率);當(dāng)阻尼比ξ=0.5%時(shí)，最大無量綱振幅小于1%。

(4)斜拉索風(fēng)致振動風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)阻尼比ξ=0.1%時(shí)，C10'N斜拉索前五階自振頻率對應(yīng)的渦激振動鎖定風(fēng)速區(qū)間1.1～6.3 m/s的常風(fēng)速范圍內(nèi)，無量綱最大振幅為Amax/D=0.022;C22W斜拉索前5階自振頻率對應(yīng)的渦激振動鎖定風(fēng)速區(qū)間0.5～4.9 m/s的常風(fēng)速范圍內(nèi)，無量綱最大振幅為Amax/D=0.009。

(5)綜合斜拉索渦激振動二維分析結(jié)果和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)斜拉索阻尼比較低時(shí)(ξ=0.1%)，斜拉索會在常風(fēng)速下發(fā)生渦激共振現(xiàn)象，對應(yīng)的最大振幅約為0.022D;隨著阻尼比的增加，該振幅逐漸減小，當(dāng)阻尼比達(dá)到ξ=0.5%時(shí)，未觀測到明顯的渦激共振現(xiàn)象。建議在安裝斜拉索的減振阻尼器時(shí)確保斜拉索與阻尼器的系統(tǒng)阻尼比要達(dá)到0.5%的要求，以確保斜拉索安裝景觀燈具后的風(fēng)致振動安全性。

5 檢查維修系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 主塔檢查維修系統(tǒng)

斜拉索兩端錨頭分別錨固在索塔及主梁上，索塔作為主要承重構(gòu)件，承受斜拉索傳遞來主梁重力及各種荷載作用。實(shí)心塔由于斜拉索錨頭外露，檢修需要在塔外高空作業(yè)，并且受塔外斜拉索的影響，檢修困難。為此設(shè)計(jì)了斜拉橋主塔檢修系統(tǒng)(圖14、圖15)，包括以下主要構(gòu)件。

圖14 實(shí)心橋塔檢修系統(tǒng)塔頂平面布置

圖15 實(shí)心橋塔檢修系統(tǒng)塔頂立面布置

(1)攀爬系統(tǒng):設(shè)置在橋塔側(cè)面，解決檢修人員達(dá)到塔頂?shù)膯栴}，攀爬系統(tǒng)由質(zhì)輕、耐腐蝕、強(qiáng)度高的鋁合金爬梯組成，同時(shí)配有高處作業(yè)防墜落系統(tǒng)，保證攀爬人員的安全。攀爬系統(tǒng)可以配置助爬器系統(tǒng)，可以幫助維護(hù)人員到達(dá)塔尖。

(2)高空作業(yè)平臺吊點(diǎn)機(jī)構(gòu)，布置在塔頂。插桿回轉(zhuǎn)式吊點(diǎn)，可水平方向180°回轉(zhuǎn)，不用時(shí)將吊鉤轉(zhuǎn)動至塔頂內(nèi)固定，使用時(shí)將吊鉤轉(zhuǎn)動至塔外使用。

(3)高空防墜落機(jī)構(gòu)，設(shè)置在塔頂，保證檢修人員在工作時(shí)的安全。

(4)高空作業(yè)平臺，采用高強(qiáng)度鋁合金焊接而成。不用時(shí)放置在室內(nèi)，檢修時(shí)推至橋面，通過吊繩吊在塔頂?shù)母呖兆鳂I(yè)平臺吊點(diǎn)機(jī)構(gòu)上，升降控制系統(tǒng)安置在高空作業(yè)平臺上，由檢修人員直接控制作業(yè)平臺上下。

檢修工作時(shí)，將高空作業(yè)平臺從室內(nèi)推至橋塔下的橋面處，人員攜帶吊繩與防墜落安全繩，從爬梯爬上主塔，將吊繩一端固定于回轉(zhuǎn)式吊鉤上，將防墜落安全繩一端固定于塔頂?shù)姆缐嬄錂C(jī)構(gòu)上，轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)式吊點(diǎn)插桿，使插桿上吊鉤懸于塔頂邊緣外，放下吊繩與防墜落安全繩，橋下人員將吊繩安裝在橋面處高空作業(yè)平臺上，檢修人員進(jìn)入作業(yè)平臺，將防墜落安全繩系在身上，啟動升降控制系統(tǒng)，將平臺升至橋塔的檢修部位，對橋塔進(jìn)行檢修。

檢修結(jié)束后，降下高空作業(yè)平臺，將吊繩解下，塔頂人員收起吊繩，將回轉(zhuǎn)式吊點(diǎn)插桿轉(zhuǎn)動后固定。順爬梯爬下，將高空作業(yè)平臺推至室內(nèi)，檢修結(jié)束。

5.2 拉索檢查維修系統(tǒng)

為滿足斜拉索及其照明燈具需要日常檢查維修的需要，設(shè)計(jì)了一種單索面斜拉橋斜拉索檢修系統(tǒng)(圖16)，包括以下主要構(gòu)件。

圖16 單索面斜拉橋斜拉索檢修系統(tǒng)立面布置

(1)爬升器，利用斜拉橋最上面的1對斜拉索作為爬升軌道，爬升器上安置帶卡槽滾輪，卡槽滾輪與斜拉索PE護(hù)套同樣材質(zhì)，保證了對斜拉索PE護(hù)套不會產(chǎn)生損害，卡槽滾輪卡在最上面一對斜拉索上，自身攜帶動力裝置，通過吊繩使爬升器可以沿最上面一對斜拉索上下爬行。爬升器具備水平自動可調(diào)節(jié)距離功能，從而實(shí)現(xiàn)爬升器的爬行適合在間距變化的斜拉索上爬行。

(2)爬升器吊繩機(jī)構(gòu)，安置最上方斜拉索上方，一端固定于塔上，另一端固定于梁上。吊繩方向與斜拉索方向接近平行，爬升器爬行時(shí)，拉著吊繩前進(jìn)。

(3)作業(yè)平臺，通過吊繩安裝在爬升器上，自身具有動力裝置，可以豎直方向上下移動，爬升器和作業(yè)平臺的升降控制系統(tǒng)均安置在作業(yè)平臺內(nèi)，由檢修人員直接控制作業(yè)平臺上下及爬升器沿斜拉索的爬行。

(4)高空防墜落機(jī)構(gòu)，設(shè)置在塔上，通過防墜落安全繩與檢修人員連接在一起，保證檢修人員在工作時(shí)的安全。

爬升器可以沿斜拉索爬行，爬升器上掛的作業(yè)平臺可以在上下垂直移動，二者結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)了作業(yè)平臺可以到達(dá)全部斜拉索的各個(gè)位置，從而實(shí)現(xiàn)對全部斜拉索及上附屬燈具的檢修功能。

6 結(jié)語

京新高速公路上地橋是主跨230 m的獨(dú)塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土曲線斜拉橋，主梁采用頂推法施工，頂推長度212 m，頂推距離213 m，頂推總重250 000 kN，綜合技術(shù)指標(biāo)國內(nèi)領(lǐng)先;首創(chuàng)LED護(hù)套式斜拉索照明設(shè)計(jì)，解決了大跨度斜拉橋亮化燈具易于產(chǎn)生風(fēng)振的技術(shù)難題;設(shè)計(jì)的操作簡便、安全可靠的新型檢查維修系統(tǒng)滿足了運(yùn)營管理的需要。相關(guān)新技術(shù)、新工藝已分別取得(申報(bào))了國家專利和部級工法，2011年12月31日大橋建成通車，已成為北京市中關(guān)村科技園區(qū)的標(biāo)志性建筑物。

［1］徐升橋，劉永鋒.北京市六環(huán)路斜拉橋設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(11):52-55.

［2］鐘建輝，劉永鋒，焦亞萌.京包高速公路上地斜拉橋總體結(jié)構(gòu)靜力分析［J］.鐵道勘察，2011(3):99-101.

［3］焦亞萌，劉永鋒，鐘建輝.京新高速上地斜拉橋頂推施工設(shè)計(jì)［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(7):69-74.

［4］聶建國，陶慕軒，徐升橋，劉永鋒.斜拉橋塔梁彈性連接拉索錨固塊局部受力性能分析［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010(S):36-40.

［5］陳政清.斜拉索風(fēng)雨振現(xiàn)場觀測與振動控制［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005(4):5-10.

［6］陳政清，曹宏，禹見達(dá)，王修勇.磁流變阻尼器在洪山大橋拉索減振中的應(yīng)用［J］.中南公路工程，2005(4):27-30.