鄭州市京廣快速路上跨馬寨車站大橋設(shè)計(jì)與施工

劉秋芳

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院，鄭州 450001)

1 概況

1.1 工程簡況

鄭州市京廣快速路上跨鐵路馬寨車站，跨鐵路橋位于R=485 m的平曲線合流段，與鐵路斜交45°。標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為雙向5車道，跨線橋主跨前后80～100 m處設(shè)有1對上橋匝道，橋面寬由27.75 m漸變至23.5 m。橋下5股鐵路線是京廣、隴海貨線與鄭州北站鐵路編組場的聯(lián)接線，線間距4～19 m，軌頂高于自然地面1.5 m，均為電氣化鐵路，運(yùn)輸十分繁忙。經(jīng)方案比選論證，采用(63.5+110+63.5)m三孔連續(xù)梁方案，主跨110 m跨越鐵路5股道，橋下鐵路凈空高度大于8.2 m。橋梁布置見圖1。

圖1 橋梁布置(單位:cm)

跨鐵路橋梁懸澆施工工期長，不能滿足建設(shè)工期要求;轉(zhuǎn)體施工造成大面積拆建。設(shè)計(jì)采用搭設(shè)鐵路防護(hù)棚現(xiàn)澆支架施工方法滿足鐵路運(yùn)輸和建設(shè)工期要求。

1.2 地質(zhì)水文基礎(chǔ)資料

橋位處地貌單元屬黃河一級階地，整個(gè)場地南高北低，局部因修建鐵路經(jīng)人工改造。地層結(jié)構(gòu):地表上層1～2 m為雜填土，下層為粉土、粉質(zhì)黏土，地下水埋深13 m左右，地下水對混凝土材料具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具弱腐蝕性。場地較為穩(wěn)定，無不良地質(zhì)。

1.3 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)道路等級:城市快速路;

(2)設(shè)計(jì)速度:60 km/h;

(3)設(shè)計(jì)荷載:公路-Ⅰ級;

(4)環(huán)境類別:Ⅰ類;

(5)材料自重:混凝土自重26 kN/m3，鋼筋、鋼束等鋼材自重78 kN/m3;

(6)橋梁梯度溫度場，參考規(guī)范要求，內(nèi)插取值9 cm厚瀝青鋪裝。

(7)全橋整體升溫25℃，整體降溫25℃;

(8)不均勻沉降按2 cm計(jì)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 難點(diǎn)分析

城市高架橋平面線形受周圍建筑物拆遷限制，墩位布置受區(qū)域交叉道路、鐵路、河流影響，控制因素較多。影響馬寨大橋墩位布置的節(jié)點(diǎn)主要有建設(shè)路立交、金水河、馬寨車站和金水路，跨馬寨車站大橋的設(shè)計(jì)施工難點(diǎn)主要是小半徑平曲線超高設(shè)置、橋面變寬、橋下鐵路行車干擾和建設(shè)工期要求等，以上問題增加了設(shè)計(jì)及施工的復(fù)雜性。

2.2 孔跨布置

馬寨車站大橋墩位布置需綜合考慮鐵路股道位置及金水河、金水路節(jié)點(diǎn)控制和地面交通組織，既要滿足節(jié)點(diǎn)跨徑需要又要考慮經(jīng)濟(jì)性、合理性。設(shè)計(jì)采用3孔預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁，橋墩與梁正交布置。為避免基礎(chǔ)施工機(jī)具侵入鐵路限界，主跨最小跨徑需110 m，邊跨采用63.5 m。橋墩結(jié)構(gòu)抗震控制設(shè)計(jì)，采用板式矩形墩，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注群樁。橋墩橫向布置雙排支座，由于橋面變寬，中墩支座間距10.0 m，前、后橋墩以內(nèi)側(cè)支座為基線隨橋面變寬調(diào)整。

2.3 箱梁構(gòu)造

變截面混凝土連續(xù)梁梁底線形采用二次拋物線，主跨跨中和邊跨梁端梁高3 m，墩頂梁高6.4 m。箱梁采用單箱4室圓曲線斜腹式大懸臂結(jié)構(gòu)斷面，懸臂長2.55 m。主梁頂板厚0.28 m，底板厚0.32～0.7 m，底板底緣和底板頂緣線形均按二次拋物線變化。腹板厚0.50～0.80 m，邊腹板斜率1∶0.4，斜腹板圓曲線半徑R=4 m，中腹板垂直頂?shù)装濉６藱M梁高3 m，寬2 m，中橫梁高6.4 m，寬3 m。邊孔跨中設(shè)1道橫隔板，中孔設(shè)3道橫隔板。頂、底板與腹板、橫梁、隔板均設(shè)倒角。箱梁立面、橫斷面分別見圖2、圖3。

圖2 箱梁立面(單位:m)

圖3 箱梁橫斷面(單位:cm)

箱梁位于平曲線合流段，橋面2.5%超高通過箱梁整體旋轉(zhuǎn)的方法實(shí)現(xiàn)，腹板等高度降低了施工難度，避免了寬橋利用腹板調(diào)整橫坡帶來的箍筋類型多、曲線外側(cè)腹板自重增加、鋼束布置復(fù)雜的問題。采用梁底支座位置楔形塊調(diào)平和橫向限位措施增加橋梁的橫向穩(wěn)定性;橋面變寬利用調(diào)整箱室寬度實(shí)現(xiàn)。

2.4 預(yù)應(yīng)力布置

箱梁設(shè)置縱向和豎向預(yù)應(yīng)力?？v向腹板通長布置35束φs15-15鋼絞線，跨中底板短束布置78束φs15-15鋼絞線、支座頂板短束布置50束φs15-19鋼絞線，均采用兩端張拉，設(shè)計(jì)張拉控制應(yīng)力為0.75fpk;豎向預(yù)應(yīng)力筋采用JL32精軋螺紋鋼筋，布置在箱梁腹板中心，縱向間距0.5 m，梁頂一端張拉;端橫梁布置10束、中橫梁布置26束橫向預(yù)應(yīng)力鋼絞線φs15-15，兩端張拉。

為縮短建設(shè)工期，避免腹板梁端張拉影響相鄰聯(lián)橋梁施工，腹板束錨在頂板張拉，頂、底板短束箱內(nèi)張拉。齒板靠近腹板布置并加強(qiáng)腹板鋼筋有利于齒板局部應(yīng)力擴(kuò)散，腹板鋼束靠近曲線外側(cè)布置有利于提高混凝土抵抗鋼束徑向剪力的厚度。

2.5 結(jié)構(gòu)分析

依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62—2004)，箱梁采用C50混凝土，按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件計(jì)算。結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1，塑料波紋管管道摩阻系數(shù):μ=0.17，k=0.001 5。橋?qū)?7.55 m，按雙向7車道加載，橋?qū)?3.3 m按雙向6車道加載，橋面設(shè)中間分隔帶，偏載系數(shù)取0.15。

(1)計(jì)算模型

設(shè)計(jì)采用《橋梁博士》結(jié)構(gòu)分析軟件，用平面桿系法對箱梁縱梁、橫梁、橋面板在各施工階段、使用階段和承載能力極限狀態(tài)下的內(nèi)力、應(yīng)力、位移和強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析，縱向?qū)⒄?lián)箱梁結(jié)構(gòu)劃分為154個(gè)單元，共計(jì)155個(gè)節(jié)點(diǎn);橋面板計(jì)算劃分142個(gè)單元，143個(gè)節(jié)點(diǎn)?？v向采用車道荷載加載，橫梁及橋面板采用車輛荷載加載。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖4。

圖4 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

(2)縱梁計(jì)算結(jié)果

施工階段箱梁混凝土不出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62—2004)第7.2.8條規(guī)定。使用階段結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果見表2、表3。

表2 正常使用階段計(jì)算結(jié)果

表3 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果

(3)橫梁計(jì)算結(jié)果

端橫梁及中橫梁均按照全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件計(jì)算。正常使用極限狀態(tài)下構(gòu)件正應(yīng)力最小0.21 MPa，最大正應(yīng)力9.68 MPa，截面主應(yīng)力及結(jié)構(gòu)抗力均滿足規(guī)范要求。

(4)橋面板計(jì)算結(jié)果

橋面板按鋼筋混凝土構(gòu)件計(jì)算，在正常使用極限狀態(tài)下的裂縫寬度按作用短期效應(yīng)組合并考慮長期效應(yīng)影響。頂板裂縫最大值為0.134 mm，腹板裂縫最大值為0.106 mm，底板裂縫最大值為0.057 mm，均小于規(guī)范容許值0.20 mm，橋面板在正常使用極限狀態(tài)下頂板、底板、腹板裂縫寬度均滿足規(guī)范要求。

3 施工方法

連續(xù)梁施工采用滿堂支架分段現(xiàn)澆施工方法，分3個(gè)施工階段，先施工中墩兩側(cè)各54 m變高度梁，張拉相應(yīng)鋼束，再施工梁端9.5 m等高度梁，最后施工跨中2 m合龍段，張拉全部剩余鋼束。

現(xiàn)澆施工需在鐵路上方搭設(shè)防護(hù)棚，其作用:一是防止物體墜落影響鐵路安全，二是支撐梁體混凝土及施工荷載。根據(jù)橋下鐵路股道分布，共設(shè)3處防護(hù)棚。防護(hù)棚采用C25鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)，φ529 mm鋼管立柱，間距3 m。立柱底部用法蘭盤與樁頂預(yù)埋螺栓連接。立柱頂設(shè)Ⅰ63a型鋼縱梁，跨鐵路橫梁采用加強(qiáng)型貝雷梁，間距0.45 m。貝雷梁上滿鋪絕緣板、防水土工布、鋼板，在面板上按計(jì)算高程搭滿堂支架。為便于防護(hù)棚貝雷梁的拆除，搭設(shè)范圍寬于橋面設(shè)計(jì)寬度4 m，成橋后在橋面上利用起重機(jī)將分解后的防護(hù)棚構(gòu)件吊出鐵路范圍外。防護(hù)棚支架施工照片見圖5、圖6。

圖5 現(xiàn)澆支架防護(hù)棚

圖6 現(xiàn)澆支架拆除

施工期間為保證鐵路運(yùn)輸安全，防護(hù)棚搭設(shè)和拆除時(shí)鐵路需要點(diǎn)封閉，現(xiàn)澆施工箱梁期間列車限速45 km/h。

4 結(jié)語

本橋于2012年4月28日建成通車，根據(jù)對建設(shè)過程的分析，主要體會如下。

(1)采用110 m橋孔跨越多股電氣化鐵路，橋墩及基礎(chǔ)施工不妨礙鐵路正常運(yùn)輸。

(2)寬橋曲線超高采用整體旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，降低設(shè)計(jì)和施工復(fù)雜性，且可減輕自重。

(3)變寬橋面采用現(xiàn)澆箱梁，能較好適應(yīng)平面線形變化。

(4)鐵路上方搭設(shè)防護(hù)棚現(xiàn)澆施工，能在縮短施工工期的前提下降低對鐵路運(yùn)輸?shù)母蓴_。

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