京新高速公路上地斜拉桥顶推施工设计

焦亚萌，刘永锋，钟建辉

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 工程概况

京新高速上地斜拉桥是京新高速公路(五环路－六环路)工程的一部分，为(46+46+230+98+90)m 5跨连续独塔单索面预应力混凝土曲线斜拉桥。桥梁全长510 m，主梁宽35.5 m，主塔高99 m。全桥位于圆曲线(半径920 m)+缓和曲线(A=474.76 m)+直线及纵坡(2.0%)+竖曲线(半径11 000 m)+纵坡(－1.478%)上。主跨跨越北京地铁13号线、既有京包铁路及规划京张城际铁路，与既有线路小角度斜交，交角约为19°。其中主跨B段212 m现浇箱梁，采用塔后预制，顶推就位。顶推段总重2.5×105kN，顶推距离213 m，拖拉轨迹为圆曲线。其大跨度、大吨位、长顶程、复杂曲线上单点顶推的设计与施工工艺位居国内前列。全桥布置与拖拉段示意见图1。

2 结构设计

2.1 主梁结构处理

根据线路情况:平面上，顶推段主梁长212 m，前163.9 m位于A=474.76 m、L=245 m的缓和曲线上，后48.1 m位于直线上。纵断面上，前68.81 m位于2‰的上坡段，后143.19 m位于－1.478‰的下坡段，竖曲线半径11 000 m。横向由4%的单向横坡变化至2%的双向横坡。空间曲线特征复杂。主梁截面为单箱五室斜边腹板截面。

图1 全桥布置与顶推段示意(单位:m)

为保证顶推施工的精度，降低施工难度，对主梁结构采取以下处理措施。

(1)平面上，将B段主梁的线路线形(缓和曲线+直线)拟合出1条R=3 500 m圆曲线，线路线形与拟合圆曲线比较，向圆曲线内侧最大偏移Δ=0.343 m，向圆曲线外侧最大偏移Δ=－0.304 m。以拟合圆曲线作为箱梁底板中线，即顶推前进的轨迹线。以线路线形作为顶板中线，这样，既保证了线路线形的平顺，又有效地降低了顶推前进限位的难度。

(2)纵断上，将B段主梁首尾的最低点相连，得到1条坡度－3.76‰直线，该直线作为箱梁底面线，也就是顶推前进的竖向轨迹线。这样，主梁首尾两端梁高为3.52 m，与前后A、C梁段平顺相接，中间则为变高段，最高处加高0.511 m。这样就使主梁顶推轨迹竖向在3.76‰的上坡直线上。

(3)将主梁边斜腹板下0.3 m设置成直段，以利于顶推前进中的限位和纠偏。顶推段主梁截面见图2。

图2 顶推段主梁截面(单位:mm)

通过以上对主梁的结构处理，使得多线性的主梁顶推平面轨迹为圆曲线，立面轨迹为直线，横向限位力方向垂直于运动轨迹，为主梁的准确顶推就位提供了良好技术条件。

2.2 预应力钢束的布置

顶推过程中，主梁各截面交替出现正负弯矩，所以除腹板束外的预应力筋绝大多数只布置在顶底板上，仅以轴向力的方式来抵抗顶推施工中的交变弯矩。本桥主梁预应力筋中，一部分是承受运营荷载的永久束，其余是只承受顶推施工荷载的临时束，其中顶板大部分临时束配置在顶板外，为体外临时束，体外临时束锚下张拉控制应力取1 210 MPa，锚固在梁端顶板顶的锚固块上，中间每8 m对应主梁横隔板位置设置一截面0.4 m×0.4 m的条状转向块。顶推前张拉的永久束均注浆，张拉的临时束则不注浆，以便将来拆除。

顶推施工前，顶板顶配置40束19－7φ5 mm的体外临时束，顶板内配置16束19－7φ5 mm的临时束，利用2束19－7φ5 mm的永久束。腹板利用最下方的共12束27－7φ5 mm的永久束(上方的10束27－7φ5 mm的永久束顶推就位后再张拉)。底板利用10束19－7φ5 mm的永久束，配置8束19－7φ5 mm的临时束。顶推段前端预应力钢束布置见图3。

图3 顶推段前端预应力钢束布置

2.3 临时墩

2.3.1 临时墩的布置

本桥由于跨越线路较多，临时墩的布置主要受地面既有线路的控制，可调余地很小。临时墩布置见图4。主塔前设置 L1～L6a共11个临时墩，塔后设置L6b～L21共32个临时墩。其中L4临时墩布置在箱梁的中腹板位置下方，导梁不经过L4临时墩。顶推过程中，最大悬臂长度为63 m，最大正弯矩跨度为49 m。

本桥顶推中，曲线内外侧临时墩均对称布置，初步设计中，曾考虑将临时墩交错布置，结果主梁主拉应力达到6 MPa多，由扭转引起的应力对主应力贡献很大，故不宜采取交错布置的方式。

图4 顶推过程临时墩的平立面布置(单位:m)

2.3.2 临时墩基础及墩身形式

由于各临时墩所处位置不同，基础形式也各异。L6a和L6b利用主塔的承台做基础，L12和L19则分别利用5号墩和6号墩的承台做基础。由于临近城铁和铁路，为减小承台开挖对线路的影响及便于将来拆除，各临时墩承台主体均外露在地面线以上。L2内与L3外位于城铁和京包铁路之间，采用人工挖孔桩，受地下水位控制，桩长20 m。其余各临时墩基础均采用钻孔灌注桩，桩长42～53 m。其中，L2内、L3、L4、L5外临时墩由于临近城铁及铁路，承台方向基本与线路方向平行，墩身与承台之间有20°左右夹角。各临时墩桩基形式见表1。

表1 各临时墩桩基形式

临时墩墩身除L3内以外，其余均采用壁厚为22 mm的钢管柱形式的墩身，墩底1 m为直段，通过法兰盘与承台相连。墩底1.5 m范围内填充自密实混凝土，以上填充沙子。各临时墩墩身形式见表2。3－φ1.3 m墩身样式见图5。

表2 临时墩墩身形式

L3内临时墩支撑点位于城铁护网内，为不影响城铁，采用钢箱悬臂锚碇结构。支承力臂3.8 m，锚碇力臂15 m。钢箱结构截面4 m×3 m，壁厚50 mm，尾部采用8束9－7φ5 mm的预应力筋与7 m×7 m×7 m的混凝土锚碇连接。

图5 临时墩结构(单位:m)

2.4 导梁

本工程导梁伸出段长44 m，为最大悬臂跨度的0.7倍。分为预埋段、尾段、中段和前段。预埋段长5.22 m，其中4 m预埋在混凝土梁内。尾段、中段、前段分别长14.27、14、14.51 m，以方便运输和吊装。导梁为2肢变高度箱室结构，中间通过平联结构连接。导梁底面与主梁一样，按R=3 500 m的圆曲线设置。

根据计算的最大挠度，为便于导梁在顶推过程中爬上临时墩，在导梁前端设置30 cm高的象鼻倒角。

2.5 滑动系统

临时墩顶的滑动系统，从上到下由新型MGE材料滑块(30 mm厚)、镜面不锈钢板(4 mm厚)、滑道钢板(40 mm厚)、调坡钢楔块(26 mm厚)构成。顶推稳定时前进速度约为8～10 m/h。

实测MGE现场的启动摩擦系数为0.05～0.06，稳定滑动时的动摩擦系数为0.03～0.04。与传统的聚四氟乙烯滑板相比，其具有摩擦系数小，抗压强度高，且动静摩擦系数相近，不易出现窜动、爬行的现象。

滑道进出口处开坡口，根据顶推现场经验，坡口不宜过小，厚度方向应比滑块厚2～3 cm为宜，以利于滑块的喂送与滑出。

2.6 动力系统

动力系统采用12台2 000 kN的串联穿心千斤顶，以主塔下塔柱作为反力座，主梁上钢绞线锚固于尾端下底板上。通过千斤顶的连续工作，使整个顶推过程连续进行。

顶推过程中，可以调节12个千斤顶的顶推力来辅助纠偏。

3 顶推过程计算

采用Midas civil对顶推过程进行模拟计算。计算考虑1.05倍的冲击系数。临时支承按只受压弹性连接考虑，每前进2 m一个阶段。模型见图6。

图6 顶推模型

3.1 导梁

(1)最大挠度

向上0.033 m(前进140 m，导梁前端过L2临时墩25 m);

向下－0.256 m(前进160 m，导梁前端过L5临时墩63 m，最大悬臂状态)。

(2)导梁与主梁连接处内力值(表3)

表3 导梁与主梁连接处内力

(3)导梁最大、最小应力(表4)

表4 导梁最大、最小应力 MPa

3.2 临时墩反力

顶推各阶段塔前各临时墩顶反力见图7，塔后各临时墩顶反力见图8。各临时墩顶最大反力作为临时墩及基础的设计依据。

图7 顶推过程中塔前各临时墩墩顶反力

3.3 主梁正应力

顶推过程梁体最大、最小正应力及位置见表5。

表5 主梁最大最小应力和位置 MPa

顶推过程主梁的上、下缘最大、最小正应力分别见图9、图10，满足规范要求。

3.4 主梁主应力

顶推过程主梁的最大主应力分别见图11，满足规范要求。

图8 顶推过程中塔后各临时墩墩顶反力

图9 顶推过程主梁上缘应力包络图

图10 顶推过程主梁下缘应力包络图

图11 顶推过程主梁最大主应力

4 施工要点及经验

2011年5月7日，经过10多天的连续顶推(由于跨越城铁，只能在晚上城铁停运后，进行顶推作业)，重达2.5×105kN的B段212 m主梁顶推213 m后准确就位，前端偏差7 mm，尾端偏差4 mm。整个顶推施工过程中，根据现场各项监测数据，主梁、各临时墩的应力、变形均与计算结果吻合较好。

(1)主梁底面的平整，尤其是滑动路径面的平整，对顶推施工的顺利尤为重要，应采取一系列工程措施来保证梁底的平整度。如浇筑主梁前预压支架，现浇主梁位置的临时墩梁底钢模加长等，以保证临时墩位置处的主梁底平顺过渡。

(2)第一次顶推启动时，由于牵引索为柔性，长达221 m，主梁向前蹿动约70 cm。设计应保证一定的前蹿安全空间。

(3)由于主梁底面的不平顺，顶推过程中，可能出现喂送不进去滑块的情况，所以临时墩设计时应考虑具备顶梁的条件。

(4)顶推过程中，最重要是保证主梁与临时墩顶之间持续有滑块，当没有滑块时，应采取措施，如顶梁等，补充滑块，否则，主梁和临时墩都有很大的风险。

(5)顶推过程中，由于重力很大及横向不断的纠偏调整，滑块的变形损耗较大，施工前应考虑一定的损耗，准备充足。

5 结语

京新高速上地斜拉桥的顺利顶推就位，其大跨度、大吨位、长顶程、复杂曲线上单点顶推的设计与施工工艺，为今后的顶推顶推施工设计提供了宝贵的经验。

(1)通过对主梁截面的适当处理，可以使拖拉顶推法更广泛的适用于缓和曲线等多种复杂线性相结合的梁段，使其均可按照圆曲线轨迹进行拖拉。

(2)顶推中应尽量利用主梁永久束，减少临时束的使用。

(3)临时墩的布置形式不宜采用交错布置的方式，必要时可以采用悬臂墩形式来实现对称布置。

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