城市軌道交通主跨150 m連續(xù)剛構(gòu)橋的關(guān)鍵技術(shù)

郭 興 張曉柯 韓 超

(1.河南建筑職業(yè)技術(shù)學院土木工程系， 450064， 鄭州； 2.中國中鐵股份有限公司， 100070， 北京∥第一作者， 講師)

大跨徑橋梁特別是大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋已成為我國大跨徑橋梁的主要橋型[1-3]。因橋梁建造受制于城市繁華市區(qū)景觀保護及空間限制要求，隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，大跨徑小曲線半徑的連續(xù)剛構(gòu)橋應(yīng)用越來越廣泛[4-6]。隨著新技術(shù)和新材料的應(yīng)用，連續(xù)剛構(gòu)橋向結(jié)構(gòu)輕巧化、跨徑更大化方向發(fā)展。預(yù)應(yīng)力混凝土Y型連續(xù)剛構(gòu)橋在設(shè)計上可使橋梁的主梁跨度縮短，其支肩部的負彎距較低，結(jié)構(gòu)輕巧纖細，且可選擇變截面箱梁，因而被廣泛應(yīng)用。1990年至今我國建造的代表性Y型支撐橋梁如表1所示。

表1 1990至今我國建造的Y型支撐橋梁Tab.1 Constructed domestic Y-shaped pier bridges since 1990 s

本文以深圳市城市軌道交通6號線合水口站—薯田埔站區(qū)間(以下稱為“合薯區(qū)間”)150 m大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋為研究案例，研究了繁華城區(qū)內(nèi)橋梁設(shè)計建造的關(guān)鍵要素，保證了150 m大跨徑Y(jié)型剛構(gòu)橋的施工質(zhì)量，降低了施工風險，提升了施工效率。

1 工程概況

合薯區(qū)間大跨經(jīng)橋梁位于深圳市域市軌道交通6號線的第16個區(qū)間，該橋為大型Y型剛構(gòu)(以下簡稱“Y構(gòu)”)橋，其最大跨徑為150 m。該線路平面位于曲線半徑為550 m圓曲線上，橋梁以90.331 m+150.000 m+89.791 m的跨徑組合跨越公明排洪渠及振明路。該橋全長為330.122 m，區(qū)間包括12#～15#橋墩，共4墩3跨，上下行線路的間距為5.2 m。該橋是我國城市軌道交通同類橋梁中大跨徑的橋梁之一。

2 連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計案例

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

1) 設(shè)計年限：100年。

2) 橋下凈空：5.5 m。

3) 地震參數(shù)：基本烈度7度。

4) 持力層巖性：中等風化砂質(zhì)泥巖。

5) 行車速度：列車最高運行速度為100 km/h。

6) 線路設(shè)置：正線為雙線，線間距為5.2 m，位于半徑為550 m圓曲線上，標準軌距為1 435 mm。

7) 列車編組：采用6輛編組，列車采用A型車，車輛軸重160 kN。

2.2 設(shè)計方案比選

在合薯區(qū)間橋梁的建造前期，共設(shè)計了3種方案。其中：方案一需要對公明排洪渠實施改造，設(shè)計建造跨度組合為42.0 m+60.3 m+40.7 m+42.0 m的剛構(gòu)橋；方案二為設(shè)計建造門式剛架橋，以避開公明排洪渠的干擾；方案三設(shè)計了90.331 m+150.000 m+89.791 m的大跨徑連續(xù)Y型剛構(gòu)橋。該橋設(shè)計方案的效果及各方案比選如表2所示。如表2所示，通過對3個設(shè)計方案進行比選、分析，在充分考慮該橋的建造位置、景觀協(xié)調(diào)、施工工期及建造難度后，確定采用方案三作為該橋的設(shè)計方案。

表2 合薯區(qū)間橋梁3個設(shè)計方案比選 Tab.2 Comparative selection of three design schemes of Heshu interval bridge

3 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新

3.1 橋梁Y構(gòu)施工的關(guān)鍵技術(shù)

合薯區(qū)間大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的Y構(gòu)整體長度為57 m，由43 m V型肋、3 m實心橫隔段、26 m墩頂梁及4 m 0號段構(gòu)成。其中，0號塊及墩頂梁采用單箱單室斜腹板截面形式。由于Y形墩斜腿的主要構(gòu)成為勁性預(yù)應(yīng)力混凝土，在形成三角形結(jié)構(gòu)前，承載能力很小，且根部混凝土在自重作用下的拉應(yīng)力很大，容易開裂。因此，橋梁Y構(gòu)部分的施工控制是本工程的重點和難點。為保障施工質(zhì)量，該橋Y構(gòu)采用C60混凝土分3次澆筑，其澆筑步驟、受力描述及質(zhì)量控制措施如表3所示。

表3 合薯區(qū)間橋梁Y構(gòu)的施工步驟及質(zhì)量控制措施Tab.3 Construction steps and quality control measures of Y-shaped bridge in Heshu interval

由于Y構(gòu)為斜懸臂結(jié)構(gòu)，在后續(xù)墩頂塊重力和Y構(gòu)自重的作用下，Y構(gòu)根部會產(chǎn)生較大的水平力和彎矩，且該橋的主墩為大張角Y型墩，Y構(gòu)根部彎矩效應(yīng)較常規(guī)的Y型墩更大，會引起較大的拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)開裂的風險很大。為了保障大張角Y型墩不發(fā)生開裂變形，在Y型墩的澆筑過程中，需要嚴格控制支架的變形。

本文通過仿真軟件，模擬支架系統(tǒng)發(fā)生3 mm、5 mm、7 mm變形的應(yīng)力云圖，如圖1所示。圖中的數(shù)值分別表示模擬支架產(chǎn)生變形后以零值為基點產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力。

a) 發(fā)生3 mm彈性變形時的Y構(gòu)受力

由圖1可以直觀反映出Y構(gòu)的最大壓應(yīng)力。在3種位移彈性變形工況下，Y構(gòu)支撐的最大壓應(yīng)力分別為1.0 MPa、1.3 MPa、1.6 MPa。設(shè)計上要求系統(tǒng)支架的最大變形需控制在10 mm以內(nèi)，則其對應(yīng)的最大壓應(yīng)力需控制在2.0 MPa以內(nèi)，從模擬結(jié)果看可以滿足設(shè)計要求。在澆筑過程中，需要嚴格控制澆筑肋梁與頂梁交接段施工荷載作用下支架的變形，以保障大張角Y構(gòu)根部的質(zhì)量。

3.2 BIM(建筑信息模型)技術(shù)的應(yīng)用

合薯區(qū)間連續(xù)剛構(gòu)橋最大跨徑為150 m，線路最小曲線半徑為550 m，設(shè)計要求按照最小曲線半徑施作曲梁。因橋梁構(gòu)造復(fù)雜，施工支撐體系剛度及地基的沉降要求高，Y構(gòu)與橋墩、墩頂梁交界處鋼筋布置復(fù)雜，環(huán)境影響因素多，以及橋梁的精細化管理要求高等因素，在該橋建造過程中將BIM技術(shù)引入到整個橋梁建造和管理過程中。

3.2.1 應(yīng)用BIM檢查各部件的干擾碰撞

由于該橋的空間位置復(fù)雜，在繪制圖紙的過程中極易發(fā)生一些高程、坐標錯誤，這些錯誤難以在二維圖中被發(fā)現(xiàn)。利用BIM的三維直觀優(yōu)勢，可以更好地檢查出圖紙中的錯誤，從而減少施工變更或返工。通過BIM技術(shù)建立了全橋模型，然后對橋梁的關(guān)鍵部件模型進行碰撞檢查，對復(fù)雜區(qū)域節(jié)點處的預(yù)應(yīng)力筋進行三維碰撞檢查。例如，Y構(gòu)與墩頂梁交接鋼筋(包括預(yù)應(yīng)力鋼筋)的設(shè)計異常復(fù)雜，這是本次橋梁設(shè)計和施工的重點和難點，通過BIM對潛在的鋼筋碰撞干擾進行檢查，發(fā)現(xiàn)了墩頂梁高程不一致的錯誤，避免了工程返工。由此，通過BIM對碰撞問題進行檢查，可提前優(yōu)化工程設(shè)計方案，較大地提高了工程的質(zhì)量和效率。

3.2.2 應(yīng)用BIM分析復(fù)雜支架體系布置的合理性

合薯區(qū)間連續(xù)剛構(gòu)橋大張角Y型墩施工的質(zhì)量控制是整個橋梁施工成敗的關(guān)鍵。Y構(gòu)主體施工對臨時支撐體系的剛度及地基的沉降要求高，因此，利用BIM技術(shù)對整個支撐體系進行建模布置，建立了擴大基礎(chǔ)+鋼管柱+貝雷梁+分配梁的支架模型。如圖2所示，應(yīng)用BIM模擬了Y構(gòu)施工時立體交叉、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的支撐體系，包括鋼管樁在公明排洪渠箱涵上的布置、鋼管樁之間橫撐與斜撐的邏輯關(guān)系、橫向系梁與縱向主梁(貝雷梁)的布置、貝雷梁和分配梁間的空間位置、整體支架模型的安裝拼接順序等。

a) 支架系統(tǒng)側(cè)視圖

通過BIM的建模優(yōu)化，最終確定了合薯區(qū)間橋梁Y構(gòu)支架系統(tǒng)總體設(shè)計方案為打入樁+鋼管立柱+分配梁+貝雷梁。其中：① 打入樁采用φ630 mm×12 mm螺旋管；② 鋼管立柱采用φ609 mm×14 mm鋼管，鋼管立柱間設(shè)置水平連接，其材料為φ377 mm×6 mm鋼管；③ 鋼管立柱上布置橫向分配梁，分配梁采用45#型鋼；④ 墩頂梁范圍內(nèi)的立柱頂上的分配梁采用HM588型鋼，翼緣處采用I20型鋼；⑤ 橫向分配梁上采用貝雷梁作為主梁，貝雷梁選用標準尺寸(3.0 m×1.5 m)的貝雷片。貝雷梁之間采用標準支撐架連接，在豎直與水平方向均布置連接支撐架，將貝雷梁連接成整體；⑥ Y構(gòu)支架主梁通過設(shè)置調(diào)坡小楔塊，使之與Y構(gòu)角度保持一致；⑦ 拱頂梁支架立柱不支撐于Y構(gòu)上，而是直接支撐于打入樁基礎(chǔ)上。圖3為合薯區(qū)間橋梁Y構(gòu)支架系統(tǒng)的現(xiàn)場布置圖。

a) 支架系統(tǒng)仰視圖

3.2.3 應(yīng)用BIM精確輸出工程量

基于精細化施工管理的要求，本工程通過BIM精確計算各種材料的工程量，進而實現(xiàn)精準采購，避免余料庫存。以該橋懸臂端現(xiàn)澆的14個混凝土塊為例，通過BIM技術(shù)建模，對這些混凝土塊的設(shè)計工程量、BIM輸出工程量及實際工程量進行對比。經(jīng)計算，BIM工程量輸出為484.25 m3，實際工程量為493.25 m3。與實際工程量相比，BIM計算輸出的混凝土工程量的準確率高達98.17%。

3.2.4 應(yīng)用BIM優(yōu)化施工場地布置

傳統(tǒng)的施工場地布置往往都是現(xiàn)場技術(shù)負責人憑經(jīng)驗予以布置，很難及時發(fā)現(xiàn)場地布置中存在的問題，也缺乏場地布置方案進一步優(yōu)化的可靠依據(jù)。合薯區(qū)間橋梁建造處于城市繁華市區(qū)，場地空間小，交通疏解難度大。如圖4所示，應(yīng)用BIM技術(shù)提前模擬場地的布置方案，通過對橋梁周邊重要建筑物、構(gòu)筑物進行BIM建模，分析模擬橋梁施工對周邊環(huán)境的影響，對比、優(yōu)化不同交通疏解方案的可行性和優(yōu)缺點，生成三維的臨時建筑布置效果圖。在此基礎(chǔ)上，通過對整體臨時建筑三維效果圖進行觀察，對位置不合適的臨時建筑予以及時調(diào)整，避免了施工場地因干擾產(chǎn)生的返工問題，達到了臨時建筑布置美觀、和諧的目的。

a) 基于BIM的施工場地設(shè)計方案

4 結(jié)語

本文通過對城市軌道交通150 m大跨徑Y(jié)型連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計方案進行比選，并對該橋的關(guān)鍵部件施工技術(shù)及BIM技術(shù)在建造過程中的應(yīng)用進行研究，得到結(jié)論如下：

1) 繁華城區(qū)內(nèi)的橋梁建造受施工空間限制、建/構(gòu)筑物干擾及景觀協(xié)調(diào)標準等因素的影響，應(yīng)盡可能減少交通疏解及拆遷改造的工作量，大傾角、大跨徑的Y型連續(xù)構(gòu)橋梁是具有可行性的設(shè)計方案之一。

2) 在150 m大跨徑Y(jié)型連續(xù)剛構(gòu)橋梁施工過程中，大張角Y型墩的施工質(zhì)量控制是整個橋梁建設(shè)成敗的關(guān)鍵，Y構(gòu)施工中混凝土澆筑順序、Y型墩受力及變形控制是需要重點關(guān)注的環(huán)節(jié)。

3) BIM技術(shù)可應(yīng)用于大型復(fù)雜橋梁建造的干擾分析、支架驗算、工程量分析及施工場地布置中。通過應(yīng)用BIM技術(shù)，可開展施工的精細化管理，規(guī)避施工風險，提高施工效率。本工程BIM技術(shù)的應(yīng)用可為后續(xù)類似大型復(fù)雜橋梁建設(shè)提供參考。