張家口市沙城文昌南路上跨京包鐵路立交橋主橋設(shè)計(jì)

杜　威

(武漢華宸土木工程技術(shù)咨詢有限公司　武漢　430071)

張家口市沙城文昌南路上跨京包鐵路立交橋主橋設(shè)計(jì)

杜威

(武漢華宸土木工程技術(shù)咨詢有限公司武漢430071)

摘要以跨越鐵路站場(chǎng)橋梁設(shè)計(jì)實(shí)例為背景，介紹該橋設(shè)計(jì)特點(diǎn)。其中斜拉索錨固設(shè)計(jì)為該橋的設(shè)計(jì)重點(diǎn)及核心，主塔采用交叉錨固方式，主梁采用頂板加厚齒塊錨固方式。采用ANSYS空間計(jì)算程序?qū)χ髁盒崩麇^塊及拉索橫梁進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果反映了主梁斜拉索錨固構(gòu)件的受力特點(diǎn)及應(yīng)力分布情況，同時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行原因分析及研究，保證了斜拉索錨固系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞部分斜拉橋斜拉索錨固鐵路站場(chǎng)

本項(xiàng)目為上跨京包鐵路(沙城西鐵路站場(chǎng))立交橋工程，為文昌南路建設(shè)的控制性工程。主橋跨越既有鐵路線由南向北依次為：貨場(chǎng)1號(hào)線、4號(hào)線，站修線、駝峰線，西牽出線，京包鐵路下行線，四道站線，豐沙鐵路下行線，京包鐵路上行線共計(jì)9股既有線及規(guī)劃京張城際鐵路雙線。

1橋梁方案比選

鐵路站場(chǎng)既有線股道較多(6股)，最南側(cè)股道(西遷出線)與最北側(cè)股道(京包鐵路上行線)線路距離為32.73 m。各股道線間距較小(最大為6.96 m)，股道間無(wú)法設(shè)置永久橋墩及臨時(shí)墩。預(yù)制架設(shè)及頂推方案均無(wú)法實(shí)施，上跨橋梁考慮采用轉(zhuǎn)體施工方法跨越鐵路站場(chǎng)。

經(jīng)鐵路部門(mén)及規(guī)劃部門(mén)專(zhuān)家論證，最終批準(zhǔn)采用30 m+79 m+75 m+38 m四跨連續(xù)部分斜拉橋跨越沙城西鐵路站場(chǎng)，其中轉(zhuǎn)體長(zhǎng)度為2×69 m。

2主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1) 道路等級(jí)。城市主干道II級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 設(shè)計(jì)荷載。城-A級(jí)，人群荷載取3.0 kN/m2。

(3) 設(shè)計(jì)行車(chē)速度。50 km/h。

(4) 地震。地震動(dòng)峰值加速度值為0.20g。

3總體設(shè)計(jì)

橋梁平面位于直線和R=5 000 m的左偏圓曲線上，縱面位于直線及R=3 000 m的凸形豎曲線上。主橋布置為30 m+79 m+75 m+38 m，采用墩、塔、梁固結(jié)的獨(dú)塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁部分斜拉橋，索塔高度與中跨跨度的比例為0.38,主梁與主跨的高跨比為1/28.3[1]。箱梁轉(zhuǎn)體長(zhǎng)度2×69 m，轉(zhuǎn)體角度為65°，轉(zhuǎn)體重量約為14 500 t，見(jiàn)圖1。

主橋橫斷面布置為：(0.5 m防撞護(hù)欄+2 m人行道+3.0 m非機(jī)動(dòng)車(chē)道+7.5 m車(chē)行道+0.5 m防撞護(hù)欄)×2+2 m中央索塔區(qū)=29 m。見(jiàn)圖1。

圖1　主橋立面總體布置圖(單位：cm)

4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1　主梁設(shè)計(jì)

主梁采用單箱三室斜腹板截面，其頂板寬29.0 m，底板寬19.0 m，懸臂長(zhǎng)3.5 m，梁中心處高2.79 m，外腹板斜率為197∶150。箱內(nèi)頂板厚36 cm、底板厚30 cm，懸臂板根部厚60 cm、端部厚20 cm。主橋箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，縱向、橫向預(yù)應(yīng)力鋼束均采用公稱(chēng)直徑ΦS15.2 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線；豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用公稱(chēng)直徑JL32 mm的精軋螺紋鋼筋。

4.2　橋塔設(shè)計(jì)

主塔結(jié)構(gòu)豎向分為3個(gè)部分，上部為斜拉索交叉錨固部分，截面尺寸為4.0 m×4.0 m，高度為20 m；中部為變化段，其橫橋向尺寸從上至下由4.0 m漸變?yōu)?.5 m，順橋向尺寸從上至下由4.0 m漸變?yōu)?.6 m，高度為2.0 m；下部為主塔根部，橫橋向尺寸為2.5 m，順橋向尺寸從上至下由4.6 m漸變?yōu)?.0 m，主塔自箱梁頂面至塔頂總高度為30 m。

4.3　斜拉索設(shè)計(jì)

全橋共設(shè)置7對(duì)斜拉索，每組斜拉索由2根PES7低應(yīng)力新型索體的雙層PE熱擠聚乙烯拉索構(gòu)成。斜拉索鋼絲采用fpk=1 670 MPa高強(qiáng)低松弛鍍鋅鋼絲，其中S1～S2(S1′～S2′)拉索截面組成為241φ7，S3～S7(S3′～S7′)拉索截面組成為253φ7。斜拉索錨具均采用張拉端冷鑄錨錨具。

4.4　下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主墩采用H型截面橋墩，墩高8.3 m，順橋向?qū)?.0 m，橫橋向?qū)?2.0 m，兩側(cè)壁厚1.5 m，中間壁厚3.0 m，3個(gè)墩壁的下端均設(shè)置1.5×1.0 m倒角，橫向壁與縱向壁之間設(shè)置0.5 m×0.5 m倒角。為方便橋梁的轉(zhuǎn)體施工，將主墩底部3.0 m部分設(shè)置為邊長(zhǎng)12 m的正方形上轉(zhuǎn)盤(pán)，轉(zhuǎn)體完成后與承臺(tái)固結(jié)。

4.5　轉(zhuǎn)體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)為該橋?qū)嵤┺D(zhuǎn)體施工的關(guān)鍵部位，由上轉(zhuǎn)盤(pán)、下轉(zhuǎn)盤(pán)以及牽引系統(tǒng)組成。下轉(zhuǎn)盤(pán)主要構(gòu)件組成包括下球鉸及其骨架、下滑道及其骨架、中心定位軸、千斤頂反力座；上轉(zhuǎn)盤(pán)主要構(gòu)件組成包括上球鉸及其骨架、撐腳；牽引系統(tǒng)主要構(gòu)件組成包括牽引反力座、牽引索。

5斜拉索錨固設(shè)計(jì)

5.1　主塔斜拉索錨固

主塔斜拉索錨固采用交叉錨固形式。主塔交叉錨固可以有效抵消兩側(cè)斜拉索對(duì)主塔的水平拉力，使主塔僅承受斜拉索產(chǎn)生的豎向壓力。有效降低了主塔高度,主塔穩(wěn)定性較好，見(jiàn)圖2。

圖2　主塔順橋向剖面圖(單位：cm)

5.2　主梁斜拉索錨固

斜拉索主梁錨固采用箱梁頂板加厚齒塊錨固形式[1]。這種錨固方式，有效地減小了主梁結(jié)構(gòu)高度，同時(shí)保證箱梁內(nèi)斜拉索有足夠的張拉空間，見(jiàn)圖3～圖4。

圖3　斜拉索梁上錨固齒塊縱向剖面圖(單位：cm)

圖4　斜拉索梁上錨固齒塊縱向剖面圖(單位：cm)

在每道斜拉索的箱梁錨固處設(shè)置拉索橫梁，配置橫向及斜向預(yù)應(yīng)力使頂板斜拉索錨固齒塊與拉索橫梁形成受力整體，確保錨固點(diǎn)處箱梁剛度，使斜拉索拉力合理擴(kuò)散至箱梁全斷面，見(jiàn)圖5。梁上斜拉索實(shí)景照片見(jiàn)圖6。

圖5　拉索橫梁預(yù)應(yīng)力布置圖(單位：cm)

圖6　拉索錨塊實(shí)景照片

5.3　主梁斜拉索齒塊局部計(jì)算

箱梁斜拉索齒塊受力復(fù)雜，采用空間有限元進(jìn)行受力分析。全橋采用1/2模型，其中共采用空間實(shí)體單元258 624個(gè)，實(shí)體單元上的節(jié)點(diǎn)74 162個(gè)；桿單元33 623個(gè)，桿單元上的節(jié)點(diǎn)34 212個(gè)。邊界條件為：在箱梁梁端支座位置設(shè)置豎向、橫橋向位移和縱橋向轉(zhuǎn)動(dòng)約束；在箱梁塔梁結(jié)合處的底板設(shè)置3個(gè)方向位移和轉(zhuǎn)動(dòng)約束，在塔梁結(jié)合處的對(duì)稱(chēng)位置設(shè)置對(duì)稱(chēng)約束。建立的有限元模型見(jiàn)圖7。

圖7　梁上拉索錨塊有限元模型

(1) 斜拉索錨固點(diǎn)處應(yīng)力分析。隔墻內(nèi)錨固點(diǎn)處由于局部荷載效應(yīng)作用發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，錨固板后面的混凝土拉應(yīng)力在2.0 MPa以下，其余的橫梁部分為壓應(yīng)力。頂板增厚塊上有1 MPa左右的拉應(yīng)力，可采用普通鋼筋加強(qiáng)，見(jiàn)圖8。

圖8　箱梁應(yīng)力圖

(2) 拉索橫梁應(yīng)力分析。從橫梁的應(yīng)力分布可以看到，跨中的S4號(hào)索的橫梁上拉應(yīng)力較大且拉應(yīng)力區(qū)也較大，最大拉應(yīng)力值達(dá)2.1 MPa，見(jiàn)圖9～圖11。

圖9　拉索S4錨點(diǎn)處箱梁應(yīng)力圖

圖10　拉索S4錨點(diǎn)處箱梁順橋向正應(yīng)力圖

圖11　拉索S4錨點(diǎn)處箱梁橫橋向正應(yīng)力圖

(3) 增厚塊周?chē)敯鍛?yīng)力分析。增厚塊之間的凹槽內(nèi)拉應(yīng)力較大(1.5 MPa以上)，幾乎均為拉應(yīng)力，因此設(shè)計(jì)時(shí)，凹槽內(nèi)普通橫向鋼筋的布置應(yīng)予以加強(qiáng)。

(4) 原因分析。本模型的計(jì)算是在沒(méi)有計(jì)自重的前提下，同時(shí)沒(méi)有考慮頂板普通索的作用，只是針對(duì)設(shè)計(jì)額外配置的橫梁內(nèi)的預(yù)應(yīng)力束來(lái)作驗(yàn)證的。所以頂板和隔墻上的拉應(yīng)力比較大。因此如果考慮普通的橫向預(yù)應(yīng)力鋼束和隔墻預(yù)應(yīng)力鋼束共同作用的情況下，橫梁和頂板均能滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上可得，該橋的隔墻預(yù)應(yīng)力鋼束的布置能滿足設(shè)計(jì)要求。但對(duì)局部應(yīng)力集中的區(qū)域應(yīng)采用普通鋼筋加強(qiáng)。

6結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算

6.1　結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

上部結(jié)構(gòu)縱向總體計(jì)算采用平面桿系模型，靜力分析計(jì)算考慮了恒載、活載、徐變、溫度、汽車(chē)制動(dòng)力、預(yù)應(yīng)力、強(qiáng)迫位移及施工荷載等[2]，結(jié)構(gòu)離散圖見(jiàn)圖12。

圖12　結(jié)構(gòu)離散圖

6.2　運(yùn)營(yíng)索力

最大、最小運(yùn)營(yíng)索力分別為12 810 kN，10 560 kN，最大拉索應(yīng)力幅76 MPa，滿足要求。

6.3　主梁應(yīng)力

短期效應(yīng)下，主梁上緣最大壓應(yīng)力為12.7 MPa，下緣最大壓應(yīng)力為13 MPa；長(zhǎng)期效應(yīng)下，主梁上緣最大壓應(yīng)力為8.3 MPa，下緣最大壓應(yīng)力為12.3 MPa，長(zhǎng)、短期效應(yīng)下主梁上、下緣均不出現(xiàn)拉應(yīng)力。

7結(jié)論

(1) 該橋具有結(jié)構(gòu)新穎、輕巧美觀、受力合理、整體性好、振動(dòng)小、行車(chē)既適等特點(diǎn)。

(2) 部分斜拉橋跨越鐵路站場(chǎng)，收到了較好的受力和視覺(jué)效果。

(3) 斜拉索頂板錨固，解決了張拉空間的問(wèn)題。

(4) 該橋的順利建成，表明計(jì)算正確，各細(xì)部尺寸擬定合理，設(shè)計(jì)具有可取和獨(dú)到之處。

(5) 跨越鐵路站場(chǎng)橋梁設(shè)計(jì)受到的限制條件較多，該橋的成功實(shí)現(xiàn)可為同類(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)和施工提供范例。

參考文獻(xiàn)

[1]王伯惠.斜拉橋結(jié)構(gòu)發(fā)展和中國(guó)經(jīng)驗(yàn)[M].北京：人民交通出版社,2003.

[2]范立礎(chǔ).橋梁工程[M]. 北京：人民交通出版社,2001.

收稿日期：2015-01-27

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.010