北京地铁大兴线钢混结合V形刚构桥的设计构思

2011-05-30王合希

铁道标准设计 2011年8期

王合希，王冰

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

1 概况与关键边界条件

本桥是北京地铁大兴线高架段(新宫站—西红门站区间)的1座重要桥梁，线路在DK4+672.03处跨京开高速公路，与既有京开高速公路交角86°，线路位于R=800 m的平曲线及直线上，线间距4.2 m，线路纵坡为15‰、0‰，竖曲线半径R=5 000 m。其中既有京开高速横断面布置为:20.75 m(绿化带)+7 m(辅道)+5.25 m(分隔带)+16 m(主车道)+2 m(中央分隔带)+16 m(主车道)+5.25 m(分隔带)+7 m(辅道)+20.75 m(绿化带)，线路跨越处在立交路口附近，非标准断面，设计需采用一跨跨过，且本处高架桥下穿高压线，与高压线交叉干扰。主桥总体布置见图1。

图1 主桥总体布置(单位:m)

2 设计理念与方案构思

面对项目所特有的环境关键边界条件，提出了靠理性技术创新，提高结构利用率，并与边界条件设计为“合一”的桥梁设计理念。

2.1 设计原则

(1)在满足安全、实用、耐久性要求的前提下，结构造型应力求简洁，充分利用当今的新技术，选用经济合理、施工可行的方案。

(2)充分考虑桥址处的地质、桥下净空、道路总体规划拓宽条件，合理布置，力求施工期间对高速公路的影响最小。

(3)充分尊重、认真分析周边环境，注重城市景观协调，处理好桥梁与周边环境的和谐。

2.2 方案构思

(1)主跨跨度要求

由于高架轻轨上跨京开高速公路，要求主跨一孔跨越，辅道及主路的最小净宽为76.2 m，因此主跨净跨跨径需达到80 m以上。

(2)桥下、桥上净空要求

高架桥主桥上跨京开高速公路，下穿高压走廊，必须满足桥下主路最小净高5.0 m，辅路最小净高4.5 m的要求。桥下限界及临时墩布置见图2。

图2 桥下限界及临时墩布置(单位:m)

(3)设计方案比选

设计方案本着尊重各种技术、环境、经济条件，结合上述主跨跨度，桥下、桥上净空及施工不能中断桥下行车等要求，提出了钢混结合V形刚构、预应力混凝土连续梁、简支下承式钢桁梁3种方案，各方案主要优缺点见表1。

表1 各方案主要优缺点

混凝土连续梁具有取材方便、造价低等优点，但存在自重大、工期长、抗裂性差等缺点;钢桁梁具有自重轻、工期短、塑性好等优点，但存在造价高，抗火性、耐腐蚀性差等缺点;而钢混组合结构可以充分利用两种材料优点，弥补各自缺点，实现节约钢材、发挥混凝土性能、降低造价、施工方便、易于养护等特点，使结构具有全寿命经济性。再结合桥址处的边界条件如梁高受到限制、桥下主辅路净高要求不同等特点，最终推出了(52+85+52)m钢混结合V形刚构作为主桥的结构体系。

3 结构体系与其关键构造设计

3.1 主桥结构体系

主桥结构体系为(52+85+52)m钢混结合V形刚构，主梁结构由钢箱梁和钢筋混凝土桥面板组成，钢箱梁和混凝土桥面板通过剪力钉结合在一起整体受力。桥墩采用V形钢结构，箱形断面。结构体系的选择主要考虑如下几个方面。

(1)造型方面:以“V”字形桥墩支撑桥体，结构独特新颖，造型轻盈舒展，对公路行车视线影响较小，具有较好的视觉通透感。

(2)抗震方面:V形刚构为墩梁固结体系，桥址地震烈度较高，每个V形墩均可分担地震力的作用，抵抗地震的性能较好。

(3)受力方面:钢混结合梁自重较混凝土梁轻，可有效减少基础规模，降低基础刚度，有利于抗震，钢混结合结构还可充分利用材料优势，较之钢桁梁，可大大减少用钢量，降低造价。

由于V形墩的采用，使结构兼具梁桥和拱桥的特点，可以有效减小梁体计算跨径，降低主梁弯矩，减小上部结构高度，降低工程造价。V形腿夹角的大小对结构的受力特性有重要影响，夹角越大，结构的拱效应越明显，墩底水平力和弯矩越大，而梁体的实际跨度则会越小。本桥因受桥下净空及限界的限制，为尽量减小梁体高度，最终采用夹角为64°。

3.2 主梁断面形式

钢箱梁为栓焊结合形式的单箱单室斜腹板变截面梁，边跨及跨中处梁高1.8 m，中支点处逐渐变至3.2 mm。钢箱梁顶宽5.2 m，顶板厚度变化为20～28～36 mm。腹板厚16 mm，中支点两侧40 m范围内腹板加厚至24 mm，腹板倾角全桥保持不变。底板厚度变化为28～36～44 mm，采用圆曲线过渡。钢箱梁横隔板采用板式断面，全桥每隔3 m设置1道，竖向加劲肋位于腹板内侧，每隔1 m设置。钢箱梁主体结构采用 Q345qD钢材，板厚≥35 mm时采用 Q370qE钢材。

钢筋混凝土桥面板支承在钢箱梁上，顶宽9.0 m，板厚38 cm，C50混凝土，采用分段预制，现场湿接缝连接的形式。预制桥面板标准构件尺寸为9 m×2.5 m，吊重约190 kN，对应于剪力钉的位置设置剪力钉槽。标准湿接缝尺寸为9.0 m×0.5 m。钢箱与混凝土桥面板之间剪力连接件采用φ22 mm柔性栓钉，剪力钉除在部分桥面板湿接缝处在工地焊接外，其余均为工厂焊接。主梁横断面见图3。

图3 主桥主梁横断面(单位:mm)

3.3 关键构造设计

(1)桥面板设计

计算中考虑了有效宽度折减，桥面板有效宽度在中支点附近由全截面9.0 m折减到8.5 m，由于计算假定受拉区混凝土板不参加工作，仅计入有效宽度范围内的纵向受拉钢筋，为了降低桥面板中支点负弯矩区的混凝土拉应力，并限制负弯矩区混凝土裂缝宽度，提高结构的安全及耐久性，桥面板设计采用预应力与高配筋相结合的形式。在中墩负弯矩区纵向预应力筋采用18束7-7φ5高强度低松弛钢绞线，普通钢筋也由标准段的 φ28@12.5 cm单根一束，加强到 φ25@12.5 cm两根一束。湿接缝处顺桥向钢筋采用扣环搭接，顺桥向钢筋伸出预制板部分设计为环形，环形钢筋成型采用双面焊接。

采用V形墩，桥墩的刚度相对较大，因此对于温度、收缩徐变等纵向力非常敏感，为减少混凝土收缩徐变对结构的不利影响，改善墩底受力状态，要求预制板存放时间宜不少于6个月，同时要求剪力钉槽和湿接缝处采用C50微膨胀混凝土。为保证预制板与钢梁顶缘密贴，两者间铺垫1层环氧树脂砂浆，另在钢混接触面外缘根据顶板板厚的不同，粘贴宽50 mm、厚26、18、10 mm的橡胶带，一防砂浆外溢，二防水汽进入锈蚀钢梁。

(2)主梁与V形支承连接设计

V形支承单肢采用整体性能好、抗扭刚度大的单箱单室箱形断面，横桥向采用3.1 m的等宽截面，两个V形腿夹角64°，板厚采用32 mm，钢箱内侧采用厚12 mm的开口加劲肋，高150 mm，间距300 mm。支承内部每隔1.0 m设1道16 mm厚的横隔板。

为了加快施工进度及操作方便，V形腿上部与主梁0号梁段采用高强螺栓栓接。由于主梁为斜腹板形式，墩梁连接部位构造复杂，为了保证结构受力的整体性，将拼接缝设在V形腿等宽部位，避开了墩梁连接渐变段，V形腿上部侧板与斜腹板采用1块钢板整体弯折，工厂焊接成形，既保证了焊接质量，又大大降低了现场施工的难度。V形腿与0号梁段连接位置见图4。

(3)V形支承与基座的连接设计

V形钢支承下部嵌入混凝土基座，嵌入深度2.0 m。V形钢支承与混凝土基座之间采用PBL剪力键进行连接。V形腿箱壁与混凝土接触的部位布置φ22 mm的剪力钉、φ60 mm的过筋孔及箱内穿过的φ20 mm钢筋和基座混凝土共同形成PBL剪力键，实现钢混结合段的可靠连接。主梁的荷载主要通过V腿的PBL剪力键和底座逐步传递于下部结构。钢混结合段构造见图4。

图4 V腿及钢混结合段构造(单位:mm)

4 施工方案及关键施工技术

4.1 总体施工方案

根据桥址处的地形、交通环境，V形刚构主桥的总体施工方案可简要概述为:基础施工→V腿吊装→大节段吊装钢箱→桥面板安装。施工临时墩布置见图2。

4.2 关键施工技术

(1)V形腿安装技术

主桥墩身由混凝土基座和V形钢腿结合而成，V形钢腿在工厂焊接成形后运输至现场，吊装到位后采用临时钢支承将其定位，再绑扎底座钢筋;并浇筑底座混凝土。

(2)钢箱梁吊装技术

全桥钢箱梁根据长度、平曲线类型等不同划分为G1～G9共9个梁段，最长梁段长33 m，最大吊装质量242.4 t。本桥在尽量减少对京开高速公路运营影响的前提下，设置8处临时墩，钢箱梁每个梁段在工厂焊接成型，运送至现场，通过500 t汽车吊将梁段架上临时墩，调整并定位，并在工地进行连接，各节段腹板、底板之间采用高强螺栓连接，顶板之间采用现场焊接。

(3)桥面板吊装工序

本桥桥面板的吊装在钢箱梁完全合龙后进行。预制桥面板采用间断安装法，顺序为先跨中后支点，以此改善结构尤其是墩顶负弯矩区桥面板的受力状态。先吊装正弯矩区段桥面板混凝土，绑扎湿接缝钢筋，再拆除临时墩，浇筑湿接缝及剪力槽混凝土，然后进行负弯矩区段桥面板的施工，张拉并锚固该区段纵向预应力。采用这种施工顺序，操作方便，简单可行，可有效的改善了桥面板混凝土的受力状态，达到调整内力的目的。