北京中低速磁浮交通示范線(S1線)大懸臂鋼拱橋頂推施工研究

張亞麗 張 雷 李 鐳

(1.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，300308，天津；2.中國(guó)中鐵六局集團(tuán)有限公司，100036，北京∥第一作者，高級(jí)工程師)

1 北京S1線工程概況

北京市中低速磁浮交通示范線(S1線)西起門頭溝石廠站，東至石景山區(qū)蘋果園站，正線為雙線，全長(zhǎng)10.21 km，主要支承結(jié)構(gòu)為橋梁。S1線于2011年開工建設(shè)，2017通車運(yùn)營(yíng)，目前還剩余1站2區(qū)間在建。S1線為我國(guó)最早開始設(shè)計(jì)并開工建設(shè)的中低速磁浮運(yùn)營(yíng)線路，也是世界上繼日本丘陵線、韓國(guó)仁川機(jī)場(chǎng)線、長(zhǎng)沙磁浮快線后，第4條運(yùn)營(yíng)的中低速磁浮線路。

中低速磁浮線路具有節(jié)能、環(huán)保、安全性高、噪聲小、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力高等特性。中低速磁浮交通系統(tǒng)要求其承載結(jié)構(gòu)剛度大、變形小，這決定了其承載結(jié)構(gòu)的優(yōu)先選擇是高架橋梁。中低速磁浮交通系統(tǒng)由懸浮系統(tǒng)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)速定位系統(tǒng)組成，在軌道梁上設(shè)軌排、F軌、接觸軌等，保證車輛平穩(wěn)可靠懸浮、有效驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)。F軌軌頂?shù)搅喉?.4 m，伸縮節(jié)伸縮量為10～20 mm，最大組合伸縮量為40 mm。為保證軌排的標(biāo)準(zhǔn)化，要求橋梁跨度一般為6 m的整數(shù)倍，且最大溫度跨度受限。

S1線位于北京城區(qū)，地形復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)大跨橋梁較多，因此創(chuàng)新采用“梁上梁”結(jié)構(gòu)，即軌道梁上設(shè)置承軌梁；受模數(shù)布跨和伸縮節(jié)調(diào)節(jié)量的影響，標(biāo)準(zhǔn)跨度采用24 m和30 m，溫度鋼結(jié)構(gòu)跨度最大采用84 m，混凝土結(jié)構(gòu)跨度最大采用124 m。在既有的國(guó)內(nèi)外中低速磁浮橋梁中，S1線的這些跨度均為最大的跨度。

S1線跨越地鐵6號(hào)線、阜石路高架，北臨大臺(tái)鐵路，南臨大型綜合商場(chǎng)，受復(fù)雜地形條件所限,只能采用大跨度鋼梁，頂推施工。橋梁設(shè)計(jì)方案為：采用6孔簡(jiǎn)支鋼拱橋和鋼梁，孔跨布置為84 m+33 m+66 m+33 m+84 m+33 m(見圖1)；橋梁施工方案為：采用異地拼裝、兩兩焊接、步履式頂推施工方法?？绺肥犯呒艿?4 m鋼拱橋頂推行程最長(zhǎng)達(dá)365 m；頂推行程平面線路為圓曲線、緩和曲線平面線路，曲線半徑為1 500 m；立面線路坡度先為37‰后為-41‰，是先升后降大縱坡；跨阜石路高架的懸臂最大，前端達(dá)63 m，后端為48 m。由此可知，S1線的設(shè)計(jì)施工難度較大。

圖1 S1線橋跨布置示意圖

2 中低速磁浮84 m鋼拱橋設(shè)計(jì)方案

84 m鋼拱橋(見圖2)系梁屬鋼格構(gòu)體系，橋面寬14.37 m，主拱中心距為12.93 m，拱肋矢高為11.15 m，矢跨比為1∶6.83。主縱梁、端橫梁采用鋼箱截面，梁高3.368 m，寬1 032 mm；4道小縱梁、中橫梁采用工字形截面，小縱梁高1 000 mm，中橫梁高1 800 mm；拱肋由直線、二次拋物線、反向3次曲線組成，采用等截面鋼箱拱，截面寬1 464 mm，高1 256 mm，不設(shè)橫撐；吊桿為剛性吊桿，采用工字鋼截面，高1 400 mm，寬400 mm，腹板上每隔2.1 m設(shè)一個(gè)1 200 mm×600 mm鏤空孔；主縱梁下部設(shè)X型平縱聯(lián)，采用工字形截面，高600 mm，寬400 mm；鋼筋混凝土橋面板寬8 030 mm，上澆筑Π型鋼筋混凝土承軌梁，承軌梁高1.4 m。

圖2 84 m鋼拱橋構(gòu)造示意圖

84 m鋼拱橋主要受力構(gòu)件采用Q345qE鋼板，除拱肋、主縱梁箱型截面縱向采用焊接外，其余采用高強(qiáng)螺栓連接。經(jīng)驗(yàn)算，該鋼拱橋的受力、變形、穩(wěn)定性、動(dòng)力性能均滿足中低速磁浮列車運(yùn)營(yíng)要求。

3 大懸臂頂推施工方案設(shè)計(jì)

84 m鋼拱橋頂推前進(jìn)時(shí)，前端跨阜石路高架最大懸臂為63 m，后端跨阜石路輔路最大懸臂為48 m。為便于頂推施工，將84 m鋼拱橋和33 m鋼格構(gòu)梁(33 m鋼格構(gòu)梁形式同84 m鋼拱橋系梁)臨時(shí)焊接在一起，但仍不能滿足頂推施工要求，因此需考慮頂推輔助措施。提出了設(shè)前導(dǎo)梁、前導(dǎo)梁+索塔、前后導(dǎo)梁+索塔3種措施，并著重對(duì)第3種措施進(jìn)行了計(jì)算。

3.1 采用“84 m鋼拱橋+33 m鋼格構(gòu)梁+47 m前導(dǎo)梁”頂推

首先按最大懸臂63 m抗傾覆系數(shù)2.0考慮，設(shè)計(jì)前導(dǎo)梁長(zhǎng)47 m。頂推至跨阜石路高架懸臂最大63 m時(shí)的最大正彎矩工況和最大懸臂狀態(tài)計(jì)算結(jié)果分別如3～4所示。

圖3 84 m鋼拱橋頂推施工時(shí)的最大正彎矩工況

圖4 84 m鋼拱橋頂推施工時(shí)的最大懸臂狀態(tài)(最大負(fù)彎矩)

此時(shí)橋梁的最大壓應(yīng)力為205 MPa，最大拉應(yīng)力為184 MPa，應(yīng)力接近限值210 MPa；前導(dǎo)梁懸臂最大下?lián)蠟? 046.3 mm，影響下跨快速路行車，且上到橋墩較困難；后端84 m鋼拱橋撓度為62.5 mm，有可能對(duì)拱橋及剛性吊桿產(chǎn)生不可恢復(fù)影響。

3.2 采用“84 m鋼拱橋+33 m鋼格構(gòu)梁+47 m前導(dǎo)梁+臨時(shí)索塔”頂推

為改善大懸臂不利狀況，擬增設(shè)臨時(shí)索塔(見圖5)，在距離84 m和33 m跨梁縫5 m的33 m鋼梁上，設(shè)置索塔，索塔高24 m，由鋼管桁架組成。

圖5 增設(shè)臨時(shí)索塔示意圖

導(dǎo)梁未上臨時(shí)墩、懸臂最大63 m時(shí)，前端最大下?lián)蠟?01.9 mm。該頂推階段布置圖如圖6所示。此時(shí)導(dǎo)梁前端最大撓度如圖7所示。

圖6 導(dǎo)梁前端最大下?lián)享斖齐A段布置圖

圖7 導(dǎo)梁前端最大撓度圖

84 m鋼拱橋離開L12臨時(shí)墩、懸臂最大35 m時(shí)，主梁后端最大下?lián)蠟?8.59 mm。該頂推階段布置圖如圖8所示。此時(shí)主梁后端最大撓度如圖9所示。

圖8 主梁后端最大下?lián)享斖齐A段布置圖

圖9 主梁后端最大撓度圖

頂推方案“84 m鋼拱橋+33 m鋼格構(gòu)梁+47 m前導(dǎo)梁”增設(shè)臨時(shí)索塔前后的主要計(jì)算結(jié)果如1所示。

由表1可見，設(shè)置索塔方案，可以有效改善鋼梁受力和變形。但此處橋高25 m，索塔高24 m，頂推結(jié)構(gòu)高近50 m，索塔穩(wěn)定性差，對(duì)索塔根部主梁影響大，施工難度大，需進(jìn)一步優(yōu)化。

表1 頂推方案“84 m鋼拱橋+33 m鋼格構(gòu)梁+47 m前導(dǎo)梁”增設(shè)臨時(shí)索塔前后計(jì)算結(jié)果

3.3 采用“20 m后導(dǎo)梁+84 m鋼拱橋+33 m鋼格構(gòu)梁+32 m前導(dǎo)梁+索塔”頂推

通過設(shè)置前后導(dǎo)梁降低索塔高度。優(yōu)化后的方案擬采用“20 m后導(dǎo)梁+84 m鋼拱橋+33 m鋼格構(gòu)梁+32 m前導(dǎo)梁”為一組頂推單元，臨時(shí)索塔降至15 m高。臨時(shí)索塔與拉索布置圖如圖10所示。

圖10 臨時(shí)索塔與拉索布置圖

3.3.1 構(gòu)造及計(jì)算模型

臨時(shí)索塔設(shè)于84 m拱橋小縱梁與小橫梁連接節(jié)點(diǎn)處，桁架塔柱采用4根φ800 mm(壁厚16 mm)圓鋼管,順橋向按間距5 m、橫橋向按間距7 m布設(shè)。拉索采用φ5 mm×91根成品拉索。索塔端采用冷鑄墩頭錨。前端吊耳設(shè)于導(dǎo)梁上，順向間距6 m,橫向間距12.93 m。尾端吊耳設(shè)于84 m簡(jiǎn)支鋼箱拱梁小縱梁與小橫梁連接節(jié)點(diǎn)處，縱向間距10 m，橫向間距7 m。索塔及拉索布置圖見圖10。

計(jì)算模型如圖11所示。結(jié)構(gòu)頂推采用Midas Civil計(jì)算，模擬87個(gè)頂推過程。前導(dǎo)梁側(cè)臨時(shí)拉索由外側(cè)向臨時(shí)索塔一側(cè)的臨時(shí)拉索索力分別為600 kN、450 kN和400 kN；84 m簡(jiǎn)支拱一側(cè)臨時(shí)拉索，由外側(cè)向索塔側(cè)的拉索索力分別為780 kN、630 kN和580 kN。

圖11 “20 m后導(dǎo)梁+84 m鋼拱橋+33 m鋼格構(gòu)梁+32 m前導(dǎo)梁+索塔”頂推計(jì)算模型

3.3.2 計(jì)算結(jié)果

1) 主縱梁所受應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(見圖12)：最不利施工階段為最大懸臂63 m時(shí)，此時(shí)，主縱梁懸臂根部上緣最大拉應(yīng)力為116.6 MPa、下緣最大壓應(yīng)力為146.9 MPa、剪應(yīng)力為32.63 MPa。

圖12 最不利施工階段主縱梁所受應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

2) 橫梁應(yīng)力所受計(jì)算結(jié)果(見圖13)：端橫梁及小橫梁最不利受力階段為結(jié)構(gòu)前端處于最大懸臂狀態(tài)時(shí)，此時(shí)，臨時(shí)索塔塔柱連接處橫梁及與拉索連接處橫梁應(yīng)力較大，橫梁的最大拉應(yīng)力為148.0 MPa、最大壓應(yīng)力149.9 MPa、剪應(yīng)力為27.4 MPa。

圖13 最不利施工階段橫梁所受應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3) 小縱梁所受應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(見圖14)：小縱梁受力最不利施工階段為結(jié)構(gòu)前端處于最大懸臂狀態(tài)時(shí)，此時(shí)，小縱梁最大拉應(yīng)力105.9 MPa、最大壓應(yīng)力89.5 MPa、最大剪應(yīng)力10.39 MPa。

4) 前導(dǎo)梁所受應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(見圖15)：前導(dǎo)梁及橫聯(lián)受力最不利施工階段為前導(dǎo)梁處于最大懸臂狀態(tài)時(shí)，前導(dǎo)梁最大拉應(yīng)力153.0 MPa、最大壓應(yīng)力158.2 MPa、剪應(yīng)力6.26 MPa。

圖15 最不利施工階段前導(dǎo)梁所受應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

5) 后導(dǎo)梁所受應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(見圖16)：后導(dǎo)梁及導(dǎo)梁橫聯(lián)最不利受力階段為臨時(shí)索塔、拉索及前導(dǎo)梁已經(jīng)拆除，33 m簡(jiǎn)支梁前端過26#墩14.5 m時(shí)，此時(shí)后導(dǎo)梁后端距離24#墩5.5 m，后導(dǎo)梁最大拉應(yīng)力75.84 MPa、最大壓應(yīng)力75.80 MPa、剪應(yīng)力17.93 MPa。

圖16 后導(dǎo)梁最不利受力階段所受應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

6) 撓度計(jì)算結(jié)果(見圖17)：前導(dǎo)梁前端懸臂為63 m時(shí)，最大下?lián)蠟?5.0 cm；后導(dǎo)梁后端懸臂為33 m時(shí)，最大下?lián)蠟?.41 cm，此時(shí)索塔已拆除。

圖17 前導(dǎo)梁和后導(dǎo)梁撓度計(jì)算結(jié)果

7) 拱肋所受應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(見圖18～19)：拱肋最大拉應(yīng)力階段為33 m梁距離26#墩7.5 m時(shí)，最大值為50.2 MPa；拱肋最大壓應(yīng)力階段為前導(dǎo)梁全部拆除、33 m梁前端過26#墩 20.5 m時(shí)，最大值為39.7 MPa；拱肋剪應(yīng)力7.86 MPa。

圖18 拱肋所受拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖19 拱肋所受壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

8) 吊桿受力情況計(jì)算結(jié)果(見圖20)：吊桿最大壓力為817.7 kN，發(fā)生在后導(dǎo)梁懸臂48 m時(shí)。由于吊桿壓力較大，因此頂推施工過程中須采取措施確保吊桿安全。

9) 臨時(shí)索塔所受應(yīng)力計(jì)算結(jié)果：臨時(shí)索塔最大受力階段為前導(dǎo)梁最大懸臂63 m時(shí)，此時(shí)，臨時(shí)索塔所受最大拉應(yīng)力為93.9 MPa、最大壓應(yīng)力為63.8 MPa、剪應(yīng)力為26.7 MPa。

10) 臨時(shí)拉索所受應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(見圖21)：臨時(shí)拉索最大受力階段為前導(dǎo)梁最大懸臂63 m時(shí)，位于導(dǎo)梁側(cè)C1拉索的索力最大，為941.1 kN，相應(yīng)的拉索應(yīng)力最大。

圖21 臨時(shí)拉索所受應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

11) 穩(wěn)定性驗(yàn)算：84 m鋼拱橋頂推階段穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同最大懸臂狀態(tài)下84 m鋼拱橋頂推階段穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果

由上述計(jì)算結(jié)果可知，采用優(yōu)化后的“20 m后導(dǎo)梁+84 m鋼拱橋+33 m鋼格構(gòu)梁+32 m前導(dǎo)梁+15 m高索塔”的頂推施工方案，可極大地減小主梁大懸臂工況下的變形和應(yīng)力，且導(dǎo)梁、索塔等臨時(shí)措施構(gòu)造在各個(gè)頂推階段均能滿足受力、變形要求，能夠有效保證了工程安全。

4 鋼拱橋大懸臂頂推施工保障措施

頂推施工過程中，鋼拱橋受力體系不斷變化，為了保證鋼拱橋結(jié)構(gòu)安全，必須采取一些必要的構(gòu)造或輔助保障措施。

1) 臨時(shí)索塔與鋼橋連接構(gòu)造措施：塔柱設(shè)在鋼拱橋縱橫梁相交處，為滿足索塔構(gòu)造、受力要求，該節(jié)點(diǎn)位置需加大、加強(qiáng)，與索塔用法蘭盤栓接；拉索采用吊耳與主梁栓接，頂推完成后拆除臨時(shí)索塔和吊耳。臨時(shí)塔柱與主梁連接方式如圖22所示。臨時(shí)拉索與主梁連接方式如圖23所示。

圖22 臨時(shí)塔柱與主梁連接圖

圖23 臨時(shí)拉索與主梁連接圖

2) 剛性吊桿加固措施：吊桿采用鏤空工字型鋼，為受拉構(gòu)件，在頂推過程中，因體系不斷轉(zhuǎn)換，吊桿也在受拉或受壓中不斷變化。為保證吊桿不承受過大壓力，防止其產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形，在吊桿周圍設(shè)置縱橫撐。剛性吊桿加固措施如圖24所示。

圖24 剛性吊桿加固措施圖

3) 嚴(yán)格控制索力施加、拆除時(shí)間：索塔設(shè)置在鋼拱橋縱橫梁上，為柔性基礎(chǔ)，為減小索塔受力、變形對(duì)永久結(jié)構(gòu)的不利影響，需嚴(yán)格控制索力施加、拆除節(jié)點(diǎn)。經(jīng)設(shè)計(jì)研究，導(dǎo)梁跨阜石路高架懸臂10.5 m時(shí)施加索力，頂推過63 m最大懸臂2 m后拆除索塔，效果最好。

4) 曲線頂推糾偏措施：直線大跨度鋼梁在曲線半徑為1 500 m的曲線上頂推行進(jìn)，步履式千斤頂與鋼梁的相對(duì)位置不斷偏離，需及時(shí)糾偏。通過在步履頂上設(shè)置鞍座(可轉(zhuǎn)動(dòng)3%的角度)，或者減小單次頂推距離從而減小糾偏距離來實(shí)現(xiàn)糾偏。

5) 縱坡調(diào)整措施：頂推行程位于37‰上坡和41‰下坡上，縱坡較大，因此，頂推過程中導(dǎo)梁前端上翹高度較高，落梁困難。為此，采取在頂推梁體后端加減調(diào)高墊塊、不間斷調(diào)整梁體豎向角度的措施；為避免墊塊調(diào)整高度較大、失穩(wěn)，采取抬高頂推梁體、減小縱坡、到位后落梁的措施。

6) 施工監(jiān)控措施：在關(guān)鍵點(diǎn)位布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用無線振弦測(cè)試系統(tǒng)對(duì)鋼梁頂推各階段的位移、撓度及應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)反饋到電腦上，可動(dòng)態(tài)監(jiān)控梁體頂進(jìn)狀態(tài)。

5 結(jié)語

S1線跨越阜石路高架等構(gòu)筑物，地形復(fù)雜，布跨和施工困難。結(jié)合中低速磁浮軌排模數(shù)布跨和伸縮節(jié)最大40 mm的要求，采用84 m鋼拱橋、步履式頂推施工。該橋鋼結(jié)構(gòu)為世界中低速磁浮線路中跨度最大的鋼結(jié)構(gòu)。確定了和33 m鋼梁臨時(shí)焊接，加設(shè)前后導(dǎo)梁、臨時(shí)索塔的最優(yōu)頂推方案,并制定了施工保障措施，有效解決了中低速磁浮鋼拱橋大懸臂頂推受力復(fù)雜、變形大的問題。