京新上地斜拉桥的技术创新

徐升桥，刘永锋

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 工程概况

图1 京新高速公路上地斜拉桥立面(单位:m)

京新高速公路北京市上地分离式立交桥以19°的斜交角度跨越既有京包铁路、地铁13号线及在建京张城际铁路。大桥采用(46+46+230+98+90)m独塔单索面预应力混凝土曲线斜拉桥，其立、平面布置如图1、图2所示。主塔采用塔、墩固结体系，主梁(图3)支承于塔墩上，塔高101 m，主梁中心高3.37 m，索塔高度与中跨比为0.38，主梁主跨的高跨比为1/68，主塔两侧各设22对斜拉索;桥梁位于曲线上，从北京往包头方向，依次为半径920 m的38.903 m圆曲线、245 m缓和曲线、226.097 m直线，以及纵坡(2.0%)+竖曲线(半径11 000 m)+纵坡(－1.478%)。

图2 京新高速公路上地斜拉桥平面

图3 京新高速公路上地斜拉桥主梁标准横断面(单位:mm)

2 结构精细化设计

斜拉桥作为高次超静定结构，一般都是采用分阶段逐步完成的施工方法，因而必须模拟现场施工过程中的每个工序，以对斜拉桥的每一个施工阶段进行详尽的分析和验算［1，2］，确定合理的施工状态，求得斜拉索各关键施工阶段的拉索索力、主梁挠度以及截面内力和应力等施工控制参数理论值，使斜拉桥成桥后达到理想成桥状态。由于目前的计算能力尚无法对全桥进行精细实体有限元分析，且目前的大型通用有限元程序对于施工阶段模拟以及收缩徐变计算方面尚不成熟，因此采用杆系桥梁计算软件对全桥进行施工阶段分析后，再将分析得到的内力、索力等施加到局部精细有限元模型上，是一个相对合理科学的计算分析方法。

2.1 主梁精细化设计

主梁采用顶推法施工，顶推长度212 m，顶推距离213 m，顶推总重250 000 kN。为了克服顶推工程中的“十顶九裂”现象，对主梁每前进1 m计算1次，得出主梁的应力包络图(图4)和各临时墩的支反力包络图［3］。

图4 主梁施工过程应力包络图

如图5所示，主梁B段(顶推段)前端设有钢导梁，钢导梁预埋于混凝土箱梁端部，通过剪力连接件和混凝土箱梁连接成整体，以传递顶推过程中的弯矩和剪力。钢导梁预埋段长度为4 m，为保证结合部钢梁与混凝土箱梁共同工作，钢梁顶板、底板以及腹板和混凝土接触面均设置了剪力连接件。

图5 主跨顶推施工示意(单位:m)

主梁B段(顶推段)尾端设有顶推用牵引索锚点构造(图6)，共12根牵引索锚固于端部将B段主梁顶推至指定位置。

图6 牵引索锚点主梁端部构造(单位:mm)

主梁的斜拉索锚固区(图7、图8)承受很大的集中荷载，传力机制复杂，锚固块周围局部区域混凝土处于空间应力状态，可能存在较大的主拉应力导致混凝土开裂，从而影响斜拉桥的安全性和耐久性。

图7 主梁尾索节段

图8 主梁塔根节段

采用大型通用有限元程序对以上关键构造进行精细有限元分析，重点关注钢梁与混凝土的界面行为，为综合评价结合部连接件设计的安全性与可靠性提供依据;以及主梁的支点处底板、斜拉索锚固点和主梁顶推段前端、尾端等关键构造的局部应力。从而确保结构安全，实现了主梁结构在顶推过程中和成桥运营状态不开裂。

2.2 主塔精细化设计

主塔(图9)是由上塔柱(斜拉索锚固区)、中塔柱、下塔柱组成，塔柱为偏心受压受力构件，塔柱均为钢筋混凝土结构，混凝土采用C55。

图9 主塔塔形及横梁预应力

主塔承台以上高101 m，桥面以上高88 m。上塔柱为拉索锚固区，刻槽矩形变截面，上缘截面为5 m×6.6 m，下缘截面为6.627 m×14.748 m，直线+圆曲线变化，斜拉索在塔上交错锚固，小里程侧的拉索锚固在截面中部，其锚槽尺寸为2.4 m×1 m，大里程侧的拉索锚固在截面两侧，分别设置锚槽，其尺寸为1.2 m×1 m;中塔柱分为双斜柱，矩形变截面，截面横桥向高4.55 m，宽由6.627～8.0 m线性变化。下塔柱横梁采用预应力混凝土结构，布置了钢束以抵抗中塔柱传来的拉力。

主塔是全桥设计的关键，由于主塔塔形复杂，塔柱与横梁交界处受力状态复杂，采用杆系模型分析很难准确地反映主塔的实际受力状态，因此采用大型通用有限元程序对主塔各施工阶段进行精细有限元分析，为综合评价主塔裂缝控制方案提供参考。

正常运营阶段桥梁有纵向约束，在汽车及风荷载等作用下不会发生纵向位移，但在大震作用下该纵向约束会失效，从而延长结构的第一阶周期，减小结构的地震反应，提高桥梁的抗震能力。因此设计了一个在正常运营阶段有效、大震作用下失效的纵向约束装置(即塔梁间弹性连接装置)。该弹性连接装置的构造为:在塔和梁上设置2对锚固块，通过拉索将塔和梁的锚固块纵向连接起来，从而达到纵向约束的效果，大震作用下拉索破断，从而使纵向约束失效。该构造设计的要点是，在拉索破断前确保锚固块本身不破坏，由于锚固块局部应力复杂，需要对锚固块在拉索破断力作用下的结构响应进行精细的分析［4］。

通过对施工、运营阶段下塔柱及塔墩箱体、斜拉索与主塔的锚固段、梁塔弹性连接的锚固块等重点构造进行局部应力分析，优化局部构造及配筋，改善了局部应力状态。

3 混凝土曲线箱梁顶推(拖拉)施工新方法

3.1 现状及局限性

预应力混凝土箱梁顶推(拖拉)法施工是在沿桥纵轴方向的后方预制梁体，靠前方的千斤顶提供拉力，拉动拉杆或拉索(另一端锚固在梁体上)，借助各墩顶滑块、滑道，限位措施等，将梁体逐渐向前顶推(拖拉)就位。

目前，曲线箱梁的顶推施工多应用于平面上拖拉段主梁轴线为统一半径的圆曲线的梁体上，对于平面上拖拉段线型复杂的梁体，如位于缓和曲线或者圆曲线、缓和曲线、直线等多线型轴线上梁体，因顶推过程梁体运行轨迹的复杂不确定性，顶推法应用很少。

在一般的拖拉过程中，各个墩顶均设置限位及纠偏装置，以限制和纠正拖拉过程中梁体的横向位移，保证梁体按照设定的圆轨迹线前进。

顶推过程中，在各个墩顶均设置限位及纠偏装置，使梁体在拖拉过程中同时受多个限位力作用，横向受力状况不明确，同时可能由于各个墩顶限位装置刚度的差异而引起不可预知的横向位移，增加拖拉过程中的风险性。

3.2 解决思路与顶推(拖拉)施工新方法

(1)通过设计将位于缓和曲线和多线型轴线上的箱梁体底面与限位侧面的中心线拟合成圆曲线(图10～图11、表1)，即为顶推(拖拉)前进的轨迹线。

以顶推段梁体的起点和终点作为控制点，用通过这两点的圆曲线拟合线路轴线，选取合适的圆曲线半径，使得线路轴线在圆曲线两侧的偏移量均很小，实际中线路半径比较大，所以两侧偏移量均不大，对整个梁体的成桥后受力影响很小。

设计梁体截面时，底面和限位面按圆曲线为对称轴线，而顶板则仍按线路轴线为对称轴。拟合后的圆曲线向后延伸即为拖拉过程的轨迹线，两者的差值通过调节箱室的宽度尺寸实现，这样，就保证了顶推施工过程中运动轨迹为圆曲线，又满足了线路各种线型的需要。

(2)提出了顶推(拖拉)过程中两点限位方式(图11～图12、表1)，使得梁体在顶推(拖拉)过程中受力明确，控制更简单，顶推(拖拉)过程更加安全。

采用两点限位的方式，即顶推过程每个状态，仅在最靠近顶推梁段首尾端的支承墩上设置限位及纠偏装置。由于两点限位平面上为静定结构，作用点和方向确定，根据简单的力平衡原理计算确定顶推过程各状态在拖拉力作用下曲线梁横向的作用力的大小。同一限位点上，受压一侧安置限位装置使箱梁的前进紧贴着限位装置进行，另一侧安置纠偏装置以防止顶推过程中由于顶推力的不均衡性而引起梁体的横向位移;顶推过程中如果梁体偏离限位装置，则采用纠偏装置使梁体返回顶推(拖拉)轨迹线正常运行。

通过上述混凝土曲线箱梁桥连续顶推(拖拉)设计施工方法，使得顶推(拖拉)施工可以适用于缓和曲线和多线型桥梁，并且使顶推(拖拉)过程横向受力明确，限位纠偏的控制简单易行，施工过程更加安全可靠，同时由于减少了限位纠偏装置节省了工程投资。

图10 拖拉段梁体平面

图11 拖拉段梁体截面

图12 拖拉过程中两点限位纠偏装置布置

表1 图10～12符号的含义

4 斜拉索安装亮化灯具的风致稳定性

本桥为北京市中关村科技园区的标志性建筑物，根据景观设计的需要进行了夜景照明设计。由于景观灯具的布置会改变斜拉索的外形，从而改变斜拉索的斯卡拉顿数(Sc)，由此会对斜拉索风致振动产生一定的影响，景观灯具对斜拉索风致振动影响是本项目的一个关键问题;同时考虑到本桥需在斜拉索主梁锚固处附近设置阻尼器装置，对增加景观灯具后抑制斜拉索大幅风致振动所需的阻尼比参数如何确定也是本桥设计最为关键的问题。

为了尽量减少照明灯具对拉索抗风性能的不利影响，将LED灯具嵌入斜拉索的护套内(直径为D)，解决了大跨度斜拉桥亮化灯具易于产生风振(振幅Amax)的技术难题。如图13所示。

图13 斜拉索灯具布置示意(单位:mm)

通过对京新上地斜拉桥斜拉索安装景观灯具后的风致振动效应［5，6］进行理论与试验研究，得到如下主要结论。

(1)桥位基本风速V10=28.6 m/s，地表粗糙度系数为α=0.3，成桥状态斜拉索设计基准风速Vd=27.0 m/s。

(2)主桥全部斜拉索的前5阶自振频率，其中C10'N号斜拉索一阶自振频率为1.012 8 Hz，C22W号斜拉索一阶振动频率为0.608 4 Hz。

(3)斜拉索涡激振动二维时域分析结果表明:C10'N与C22W斜拉索的涡激振动响应接近，不同阻尼比条件下涡激振动锁定区间基本保持不变，涡激共振锁定区间约为Vred=V/fD=4.7～5.3(D—拉索直径、V—实际风速、f—拉索的自振频率);当阻尼比ξ=0.5%时，最大无量纲振幅小于1%。

(4)斜拉索风致振动风洞试验结果表明:当阻尼比ξ=0.1%时，C10'N斜拉索前五阶自振频率对应的涡激振动锁定风速区间1.1～6.3 m/s的常风速范围内，无量纲最大振幅为Amax/D=0.022;C22W斜拉索前5阶自振频率对应的涡激振动锁定风速区间0.5～4.9 m/s的常风速范围内，无量纲最大振幅为Amax/D=0.009。

(5)综合斜拉索涡激振动二维分析结果和风洞试验结果，当斜拉索阻尼比较低时(ξ=0.1%)，斜拉索会在常风速下发生涡激共振现象，对应的最大振幅约为0.022D;随着阻尼比的增加，该振幅逐渐减小，当阻尼比达到ξ=0.5%时，未观测到明显的涡激共振现象。建议在安装斜拉索的减振阻尼器时确保斜拉索与阻尼器的系统阻尼比要达到0.5%的要求，以确保斜拉索安装景观灯具后的风致振动安全性。

5 检查维修系统设计

5.1 主塔检查维修系统

斜拉索两端锚头分别锚固在索塔及主梁上，索塔作为主要承重构件，承受斜拉索传递来主梁重力及各种荷载作用。实心塔由于斜拉索锚头外露，检修需要在塔外高空作业，并且受塔外斜拉索的影响，检修困难。为此设计了斜拉桥主塔检修系统(图14、图15)，包括以下主要构件。

图14 实心桥塔检修系统塔顶平面布置

图15 实心桥塔检修系统塔顶立面布置

(1)攀爬系统:设置在桥塔侧面，解决检修人员达到塔顶的问题，攀爬系统由质轻、耐腐蚀、强度高的铝合金爬梯组成，同时配有高处作业防坠落系统，保证攀爬人员的安全。攀爬系统可以配置助爬器系统，可以帮助维护人员到达塔尖。

(2)高空作业平台吊点机构，布置在塔顶。插杆回转式吊点，可水平方向180°回转，不用时将吊钩转动至塔顶内固定，使用时将吊钩转动至塔外使用。

(3)高空防坠落机构，设置在塔顶，保证检修人员在工作时的安全。

(4)高空作业平台，采用高强度铝合金焊接而成。不用时放置在室内，检修时推至桥面，通过吊绳吊在塔顶的高空作业平台吊点机构上，升降控制系统安置在高空作业平台上，由检修人员直接控制作业平台上下。

检修工作时，将高空作业平台从室内推至桥塔下的桥面处，人员携带吊绳与防坠落安全绳，从爬梯爬上主塔，将吊绳一端固定于回转式吊钩上，将防坠落安全绳一端固定于塔顶的防坠落机构上，转动回转式吊点插杆，使插杆上吊钩悬于塔顶边缘外，放下吊绳与防坠落安全绳，桥下人员将吊绳安装在桥面处高空作业平台上，检修人员进入作业平台，将防坠落安全绳系在身上，启动升降控制系统，将平台升至桥塔的检修部位，对桥塔进行检修。

检修结束后，降下高空作业平台，将吊绳解下，塔顶人员收起吊绳，将回转式吊点插杆转动后固定。顺爬梯爬下，将高空作业平台推至室内，检修结束。

5.2 拉索检查维修系统

为满足斜拉索及其照明灯具需要日常检查维修的需要，设计了一种单索面斜拉桥斜拉索检修系统(图16)，包括以下主要构件。

图16 单索面斜拉桥斜拉索检修系统立面布置

(1)爬升器，利用斜拉桥最上面的1对斜拉索作为爬升轨道，爬升器上安置带卡槽滚轮，卡槽滚轮与斜拉索PE护套同样材质，保证了对斜拉索PE护套不会产生损害，卡槽滚轮卡在最上面一对斜拉索上，自身携带动力装置，通过吊绳使爬升器可以沿最上面一对斜拉索上下爬行。爬升器具备水平自动可调节距离功能，从而实现爬升器的爬行适合在间距变化的斜拉索上爬行。

(2)爬升器吊绳机构，安置最上方斜拉索上方，一端固定于塔上，另一端固定于梁上。吊绳方向与斜拉索方向接近平行，爬升器爬行时，拉着吊绳前进。

(3)作业平台，通过吊绳安装在爬升器上，自身具有动力装置，可以竖直方向上下移动，爬升器和作业平台的升降控制系统均安置在作业平台内，由检修人员直接控制作业平台上下及爬升器沿斜拉索的爬行。

(4)高空防坠落机构，设置在塔上，通过防坠落安全绳与检修人员连接在一起，保证检修人员在工作时的安全。

爬升器可以沿斜拉索爬行，爬升器上挂的作业平台可以在上下垂直移动，二者结合，从而实现了作业平台可以到达全部斜拉索的各个位置，从而实现对全部斜拉索及上附属灯具的检修功能。

6 结语

京新高速公路上地桥是主跨230 m的独塔单索面预应力混凝土曲线斜拉桥，主梁采用顶推法施工，顶推长度212 m，顶推距离213 m，顶推总重250 000 kN，综合技术指标国内领先;首创LED护套式斜拉索照明设计，解决了大跨度斜拉桥亮化灯具易于产生风振的技术难题;设计的操作简便、安全可靠的新型检查维修系统满足了运营管理的需要。相关新技术、新工艺已分别取得(申报)了国家专利和部级工法，2011年12月31日大桥建成通车，已成为北京市中关村科技园区的标志性建筑物。

［1］徐升桥，刘永锋.北京市六环路斜拉桥设计关键技术［J］.铁道标准设计，2009(11):52-55.

［2］钟建辉，刘永锋，焦亚萌.京包高速公路上地斜拉桥总体结构静力分析［J］.铁道勘察，2011(3):99-101.

［3］焦亚萌，刘永锋，钟建辉.京新高速上地斜拉桥顶推施工设计［J］.铁道标准设计，2012(7):69-74.

［4］聂建国，陶慕轩，徐升桥，刘永锋.斜拉桥塔梁弹性连接拉索锚固块局部受力性能分析［J］.铁道科学与工程学报，2010(S):36-40.

［5］陈政清.斜拉索风雨振现场观测与振动控制［J］.建筑科学与工程学报，2005(4):5-10.

［6］陈政清，曹宏，禹见达，王修勇.磁流变阻尼器在洪山大桥拉索减振中的应用［J］.中南公路工程，2005(4):27-30.