上海金山铁路春申特大桥主桥设计与施工

张池权

(中铁第四勘测设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 概述

上海金山铁路全长58 km，为双线电气化Ⅰ级铁路，设计时速160 km，有砟轨道。建成后将成为上海市中心城区连接金山区的一条市域快速铁路。

1.1 桥址概况及主要控制因素

春申特大桥位于上海市松江区既有沪春线右侧，因从春申车站边经过而得名，主要跨越北竹港及沪昆铁路，主要控制因素为沪昆铁路。

本桥在HK39+040处与既有沪昆铁路交叉，沪昆铁路为双线电气化铁路。本桥与沪昆双线的交叉里程分别为 HYDK1+387.694、HYDK1+409.621，交角分别为 16°7'39″、14°2'24″。交叉处沪昆铁路轨面高程5.970 m，金山铁路轨面高程16.187 m，两线轨面高差10.217 m，容许跨越结构物轨面至梁底高度2.057 m。

1.2 主要技术条件

本桥为单线桥，桥上最小曲线半径R=5 000 m，桥上最大纵坡12‰，全桥铺设无缝线路。

1.3 气象

上海地处中纬度沿海，在全球气候带分布中属北亚热带南缘，是南北冷暖气团交汇地带，受冷暖空气交替影响和海洋湿润空气调节，气候湿润，四季分明，降水充沛。年平均气温16.1℃，极端最高气温40.2℃，极端最低气温－12.1℃。平均每年受台风影响1.5次，极端最大风速34.7 m/s。

1.4 地震动参数

桥址所在地区地震动峰值加速度为0.10g。拟建场地地基土类型主要为软弱场地土，场地类别为Ⅳ类，特征周期为0.65 s。

2 主桥桥式方案比选

本桥跨越沪昆线的突出特点是:小角度、低高度。悬灌施工连续梁方案由于结构高度大大超过要求首先被排除。为此，本桥跨沪昆线主跨研究了另外3个方案:门式墩方案，1-15 m空间刚构(顺线路长81.2 m)方案和1-96 m下承式钢桁梁方案。

2.1 门式墩方案

32 m简支梁加门式墩方案，即便是采用隐形帽梁，其结构高度仍不满足跨越要求，此方案不可行。

2.2 空间刚构方案

空间刚构方案平、立面见图1。此方案造价较低，但要在既有线边施工近50根钻孔桩，且需在既有线上方满布膺架施工梁部混凝土，施工周期较长，对既有线运营影响巨大。

图1 空间刚构方案跨沪昆铁路平、立面(单位:cm)

2.3 钢桁梁方案

下承式钢桁梁方案平、立面见图2。此方案虽造价相对较高，但主跨基础只有12根钻孔桩，梁部采用转体施工，转体滑动距离只有26.7 m，转体时间只需要不到6 h，施工周期大大缩短，对既有线的影响大大减小。

图2 钢桁梁方案跨沪昆铁路平、立面(单位:cm)

2.4 推荐意见

施工对既有线的影响程度决定本桥的桥式方案的取舍。综上所述，在小角度、低高度条件下，跨越繁忙铁路干线采用下承式钢桁梁方案，采用转体施工工艺，可以最大限度地降低施工对既有线的干扰，不失为一种比较优越的跨越方案。

因此，本桥主跨推荐采用1－96 m下承式钢桁梁方案。全桥孔跨布置为:(13－32 m+1－24 m)T梁+(32+48+32)m连续梁+1－24 m T梁+1－96 m道砟桥面下承式钢桁梁+(28－32 m+2－24 m+2－32 m+2－24 m)T梁，桥长1 778.42 m。

3 主桥设计［1］

3.1 主桥结构

3.1.1 主桁

主桁设计为无竖杆整体节点平行弦三角桁式，节间长度12 m，桁高12.8 m，主桁间距6.6 m，详见图3。

主桁上、下弦杆及部分斜杆采用焊接箱形截面。上弦杆内宽540 mm，内高650 mm，板厚20～32 mm。下弦杆内宽540 mm，内高900 mm，板厚28～32 mm。箱形斜杆(端斜杆及 A1E2、A1'E2'、E2A3、E2'A3')内宽540 mm，内高不等，板厚24～32 mm，其他斜杆采用H形截面，腹板外高538 mm，翼板宽700 mm，板厚20～24 mm。

3.1.2 桥面系构造

根据本线速度目标值及本桥所处环境(同润家园小区边，噪声敏感点)，本梁采用钢正交异性板整体道砟桥面。

钢正交异形板桥面由桥面板、横梁、横肋及纵肋组成。

桥面板纵向与下弦顶板伸出肢焊接，横向分段焊接。桥面垫层用轻质垫层体系，即钢桥面板上铺设3 mm MMA(甲基丙烯酸甲酯)高性能防水体系［2］，其上再粘着50 mm厚高粘着轻质垫层CAP(Concrete with Adhesive Pads，混凝土粘着垫板)［3］，道砟直接铺设在CAP上。挡砟墙采用钢挡砟墙，人行道置于主桁外侧，净宽1.0 m。本梁左侧设置声屏障，声屏障设在人行道外侧。

横梁采用密布横梁体系，间距3 m，即在主桁节点处设置横梁，横梁间设3道横肋。横梁及横肋均采用倒T形截面，高900 mm，腹板厚20 mm，底板宽600 mm，厚28 mm，上翼板与主桁伸出肢焊接，腹板及底板与主桁伸出肢栓接。

本梁在轨道下方设置2道T肋，挡砟墙范围之内设置6道U肋，两侧挡砟墙下各1道板肋。T肋腹板高360 mm，厚12 mm，底板宽240 mm，厚16 mm;U 肋高度260 mm，厚8 mm，间距600 mm;板肋高度200 mm，厚16 mm。纵肋全桥连续，遇横梁、横肋腹板则开孔通过。

3.1.3 纵向联结系

本梁设上平面纵向连接系，交叉式结构。纵向平联采用工字形截面，翼板宽400 mm，厚24 mm，腹板外高440 mm，厚16 mm。

图3 钢桁梁轮廓(单位:mm)

3.1.4 桥门架及横联

本梁在端斜杆处设置桥门架，在A7、A7'节点处设置横联。桥门架及横联均采用板式结构，其构成是在上平联横撑下叠焊桥门架或横联构件。该构件采用工字形截面，上翼板宽500 mm，厚20 mm，下翼板宽400 mm，厚20 mm，腹板厚16 mm。桥门架与横联端部最大高度5785 mm，中部最小高度2 040 mm。

3.2 主桥结构计算

3.2.1 计算模型

采用MIDAS建立全桥空间梁格模型。各杆件采用梁单元模拟，所有节点均为刚接。在进行弦杆内力计算时，采用虚拟车道进行加载;在进行桥面系纵横肋计算时采用虚拟板单元进行加载。计算结构的横向刚度及自振特性时考虑桥门架板式楣梁及板式中横联的影响。

3.2.2 主要设计指标

跨中静活载挠度37.8 mm，挠跨比1/2 540;竖向静活载作用下梁端转角2.3‰rad。

按照恒载+1/2静活载产生的挠度设置预拱度。主桁预拱度通过改变上弦拼接缝尺寸的方法实现。斜杆依旧交汇于上弦节点中心处，每个节间上弦伸长15 mm，伸长后上弦相邻的节点中心线间距离为12 015 mm。

主桁材质采用370qD，连接系及桥面系材质采用Q345qD［4］。主结构用钢量791.4 t，约8.2 t/m，最大杆件质量21 t。

4 主桥施工

沪昆线沪杭段是全国铁路运输最为繁忙的干线之一，金山铁路以小角度跨越，如果采用传统的顶推或拖拉法架设，需在沪昆两线间设置临时支点［5］，难以实施;钢桁梁在既有线边顺铁路方向拼装完成后，如果以一个墩为旋转轴，在另一个墩和临时支墩上搭设1个滑道，只需将钢桁梁平面转体16°，梁端滑动距离只有26.7 m，只需不到6h即可将梁体架设就位。

在小角度跨越条件下，简支钢桁梁转体架设技术具有如下突出优点:转体角度小、滑动距离小，和传统的顶推(拖拉)法相比，大大减少了顶推距离，从而可以大幅度缩短施工周期，把对既有线的影响降到最低。

4.1 施工步骤

根据现场施工条件，钢桁梁拼装需在沪昆线右侧进行，这样旋转轴设在19号墩，18号墩及临时支墩上搭设滑道。施工步骤如下。

第一步:施工18号、19号墩，可同步施工1～8号临时支墩。1～8号临时支墩在线路右侧，顺线路方向搭设。

第二步:在19号墩上安装旋转轴，在18号墩和8号临时支墩上架设滑道梁。

第三步:在19号墩、1～8号临时支墩上拼装钢桁梁。

第四步:钢桁梁拼装完成后，拆除1～7号临时支墩，使钢桁梁形变简支状态，达到转体条件。

第五步:顶推或拖拉钢桁梁，使钢桁梁转体至设计位置。

第六步:拆除旋转系统及滑道，落梁并调整至设计位置，安装支座，完成钢桁梁架设。见图4、图5。

图4 拼装及转体中的钢桁梁

图5 转体就位后的钢桁梁

4.2 关键技术

4.2.1 旋转系统

常用的旋转装置是单支点转轴支座，转轴支座设置在端横梁中间，它在旋转的过程中既承重又限位。这种旋转系统构造简单，但端横梁需要加强，支座吨位较大，且稳定性稍差。本工点的旋转系统构思巧妙，采用三支点旋转系统［6］:在支座处设置2个可以滑动的支撑脚承受梁体自重，在端横梁中间设置不承重但能限位的旋转销轴，见图6。

图6 三支点旋转装置

旋转销轴用2种规格的无缝钢管阴阳扣套接，阴口在下，与桥墩固结，阳头在上，与梁部固结，钢管内可灌注混凝土以提高其强度。

为减小支撑脚的摩阻力，墩顶支撑脚轨迹处铺设不锈钢板，支撑脚下安装聚四氟乙烯滑板［7］。

4.2.2 滑道梁

钢桁梁转体端的运行轨迹是一个圆弧，但由于滑道梁是简支结构，且半径较小，滑道梁宜设计成直梁。本工点的滑道梁设计成箱形直梁，材质采用Q345qD，计算跨度26.7 m，梁高1.55 m，梁宽2.4 m，顶板厚36 mm，底板厚26 mm，腹板厚16 mm。为增强顶板的稳定性，顶板设纵向角钢加劲肋。为增加滑道梁的抗扭刚度，梁体隔一定距离设置横隔板。

为了使钢桁梁转体端在转体过程中始终处于水平状态，滑道梁设计应预留上拱度，上拱度按照滑道梁自重+钢桁梁支反力产生的挠度设置。本工点滑道梁跨中最大上拱度40 mm。如果滑道梁在钢桁梁转体过程中处于下挠状态，将极大地增加钢桁梁滑动阻力。

为了减小滑动时的摩擦力，滑道上方可铺设不锈钢滑道板，钢桁梁转体端支座位置应安装聚四氟乙烯滑板或工程塑料合金滑板MGE板。本工点在滑道上设置不锈钢板，钢桁梁支座钢板下安装MGE板作为滑船，钢桁梁通过滑船在不锈钢板上滑移。

4.2.3 顶推装置

钢桁梁转体的动力有2种选择:顶推或拖拉。顶推一般采用千斤顶，顶推力有保障，操作简单，但由于千斤顶的行程短，不可能一次将钢桁梁顶推就位，需要多次移动千斤顶，钢桁梁转体需要间歇进行。拖拉一般采用卷扬机，原则上可以不间断一次拖拉就位，但牵引力相对较小且操作繁杂、难以控制［7］。本工点由于需要封锁施工，每个封锁点只有2 h，需要3个封锁点才能完成转体，因此选择操作简单、易于控制的顶推法。

本工点钢桁梁总质量800 t，MGE板与不锈钢板间的静摩擦系数μ1=0.1，滑动摩擦系数μ2=0.06，则启动顶推力为:Fmax=μ1N=400 kN，启动后顶推力为:Fmin=μ2N=240 kN。据此，选择 2台行程 1 m的1 000 kN千斤顶。

4.3 顶推过程

本工点钢梁转体属营业线施工范畴，必须在封锁点进行施工。根据千斤顶一个行程时间(千斤顶设计行程1 m，施工时控制在90 cm，每个行程包括回油及顶推时间共10 min)以及上下行线行车的要求，本次转体施工申请了3个封锁点，每个封锁点2 h，共6 h时间。根据封锁点的时间要求，转体施工按3个封锁点分3 个阶段实施［6］。

第一阶段:在第一个封锁点完成，计划顶推8 m。此阶段钢桁梁前支点到达上下行线中间位置，满足不超越下行线的要求。

第二阶段:在第二个封锁点完成，计划顶推12 m。钢桁梁前支点到达18号墩。

第三阶段:在第三个封锁点完成，计划顶推6.7 m。钢桁梁到达设计位置。

转体过程中应对钢桁梁及转轴支撑脚的运行轨迹、滑道梁的挠度及受力状态、顶推力变化等进行观测，发现异常情况应立刻停止顶推。

5 结语

传统的明桥面钢桁梁不仅噪声大，而且由于轨道防爬的考虑，一般只能用在直线及不大于3‰的坡度上，在使用上受到较大局限［8］。密布横梁体系钢正交异性板整体桥面是近几年铁路上兴起的一种新结构［9］，它不仅克服了明桥面的上述局限性，拓展了钢梁的使用范围，还有效地解决了桥面系参与主桁共同作用给桥面结构带来的不利影响，降低纵横梁的高度、减小桥面用钢量［10-11］，目前已广泛应用于大跨铁路桥梁。本桥钢正交异性板上不设混凝土保护层，在防水层与道砟间只铺设50 mm厚CAP高粘着轻质防护垫层，进一步减轻了结构自重。

小角度跨越铁路一般采用门式墩和空间刚构方案。门式墩受到结构高度限制，空间刚构施工对既有线运营影响很大。采用下承式钢桁梁结合简支梁平面转体架设技术，既解决了结构高度限制问题，也大大减小了施工对既有线运营的影响，不失为小角度跨越繁忙铁路干线一种优越的桥式。该种桥式和施工方法已在本工点和集包第二双线铁路古城湾特大桥中成功应用［12］。在高速铁路快速发展的今天，以小角度跨越既有铁路干线的几率越来越大，这种桥式方案必将得到越来越广泛的应用。

［1］中铁第四勘测设计院集团有限公司.上海金山铁路春申特大桥施工图文件［Z］.武汉:中铁第四勘测设计院集团有限公司，2010.

［2］中铁第四勘测设计院集团有限公司，等.广珠城际轨道交通工程桥面防水层暂行技术条件［Z］.武汉:中铁第四勘测设计院集团有限公司，等.2008.

［3］中铁第四勘测设计院集团有限公司.厦深铁路榕江特大桥施工图文件［Z］.武汉:中铁第四勘测设计院集团有限公司，2009.

［4］中铁大桥勘测设计院集团有限公司.TB10002.2—2005 铁路桥梁钢结构设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［5］姚法海.京秦客运专线125 m钢桁梁顶推施工设计［J］.交通科技，2011(4):28 －31.

［6］中铁二十局集团有限公司.跨繁忙干线钢桁梁平面转体施工技术［R］.西安:中铁二十局集团有限公司，2011.

［7］陈科.钢桥拖拉施工工艺及受力分析研究［D］.南京:东南大学，2009.

［8］铁道第三勘察计院.TB10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［9］铁道部工程设计鉴定中心，等.1995—2010中国铁路大桥资料选编［Z］.北京:铁道部工程设计鉴定中心，等.2011

［10］梅大鹏.南京大胜关长江大桥道砟整体桥面结构方案比选［D］.长沙:中南大学，2008.

［11］刘桂红，易伦雄.采用正交异形钢桥面板的铁路钢桁梁设计［J］.桥梁建设，2007(S2):8-10.

［12］贠庭贵.集包铁路古城湾特大桥总体设计［J］.中国科技博览，2009(15):299-300.