浅谈上跨既有铁路悬臂浇筑预应力混凝土连续刚构箱梁桥设计与施工

2015-04-24■陈恒

福建交通科技 2015年2期

■陈恒

(海峡(福建)交通工程设计有限公司，福州 350004)

近年来，随着福建省公路建设的高速发展，路网的不断完善，新建公路跨越既有铁路线路的现象普遍存在，跨线桥逐渐受到关注和重视。跨线桥的设计和施工具有特殊性和复杂性，不仅要满足桥下铁路线路净空的特殊要求，还要保证既有线路的安全和正常运营，其选线、孔跨布置、结构计算、安全防护及附属设施的设计均受到一定限制，设计施工难度较大。

连续刚构桥是将墩身与连续主梁固结而成的一种桥梁。它是在连续梁桥和T 型刚构桥的基础上发展起来的大跨径桥梁最常用的形式之一，具有跨越能力大，伸缩缝少平顺度好，行车舒适，施工无体系转换，无需大型支座，顺桥向抗弯、横桥向抗扭刚度大，顺桥向抗推刚度小，能充分适应温度、混凝土收缩徐变、地震的影响等特点。悬臂现浇施工是连续刚构桥最常用的施工工艺之一，其特点是无需建立落地支架，不影响桥下通航、行车，充分利用预应力混凝土承受负弯矩能力强的特点，但由于悬臂施工周期较长，对施工期间安全防护提出了很高要求。

本文对上跨鹰厦铁路的厦沙高速公路沙溪大桥的设计、计算与施工的特殊性做了详细介绍，其经验可供同类桥梁参考。

1 工程概况

沙溪大桥位于海西高速公路网厦沙高速公路三明段沙县境内，桥型布置为：3×35m 预应力混凝土连续-刚构T 梁+(63.5+115+115+63.5)m 预应力混凝土变截面连续刚构箱梁+35m 预应力混凝土简支T 梁，全长505m。该桥3 号墩至7 号墩以(63.5+115+115+63.5)m连续刚构箱梁上跨既有鹰厦铁路，两线相交范围为：沙溪大桥左桥与鹰厦铁路交叉处桩号ZK184+076.7，交角93.61°；右桥与鹰厦铁路交叉处桩号YK184+088.9，交角91.86°；鹰厦铁路交叉里程K322+000～K322+430。沙溪大桥上跨鹰厦铁路平面关系见图1。

图1 沙溪大桥上跨鹰厦铁路平面关系图

本桥位于R=1000、Ls=200m 的缓和曲线及直线段上，上跨部分平纵面均位于直线段内。

2 主要设计标准

公路等级：高速公路；

设计速度：80km/h；

设计洪水频率：1/100；

桥面宽度：单幅12.25m=0.5m(防撞栏) +11.25m(行车道)+0.5m(防撞栏)；

地震设防：场地地震动加速度峰值为0.05g，桥梁抗震设防类别为B 类，抗震设防烈度为6 度，抗震设防措施等级为7 度；

环境类别：Ⅰ类；

航道等级：内河Ⅴ级；

设计基准期：100 年；

设计荷载：公路—Ⅰ级；

收缩徐变：混凝土的收缩徐变特性按照规范取值，施工环境湿度按80%取用，主梁混凝土加载龄期3～7天(计算结果按3 天计列)。收缩徐变产生的结构二次内力及变形由程序自动计算，收缩徐变总天数取3650天，置于施工最后阶段；

二期恒载：包括6cm C40 防水砼、10cm 沥青砼、及防撞护栏，折合成线荷载按63.375kN/m 计算；

汽车活载：公路—I 级，按3 车道计，并按车道数予以折减，折减系数为0.78，汽车偏载系数取1.15；活载横向调整系数为：3×0.78×1.15=2.691；汽车制动力按同向行驶3 车道考虑，汽车制动力：3×(10.5×357+360)×10%×0.78=961.4kN;

温度模式：结构所有单元(上部箱梁及下部箱墩)均计入均匀温差作用及梯度温差作用。均匀温差：升温温差取25℃，降温温差取-23℃。梯度温差：按《公路桥涵设计通用规范》 (JTGD60-2004)推荐的模式，如图2 所示。

图2 温度梯度模式(单位：mm)

墩台不均匀沉降：按台与墩分别沉降10mm。

3 桥位及孔跨布置

平面上，沙溪大桥左桥与鹰厦铁路交叉处交角93.61°；右桥与鹰厦铁路交叉处交角91.86°；两线交角均接近90°，从而极大地降低了沙溪大桥建设对交叉处鹰厦铁路通视条件造成的不利影响。

纵断面上，在1985 国家高层基准下，左桥6#墩墩顶高程约157.60m，右桥6#墩墩顶高程约157.48m，交叉处鹰厦铁路轨顶高程约111m，如图3 所示，因此交叉处桥梁梁底距铁路轨面高程差均大于45m，均在《标准轨距铁路建筑限界》 (GB146.2-83)规定的铁路基本建筑限界之外，同时满足梁底至轨顶高度应大于8.5m的要求。

沙溪大桥左右桥6#墩均位于交叉处鹰厦铁路路基排水沟及临溪侧路堑坡顶外侧，其中左桥6#墩承台距铁路路堑坡顶水平向最小净距约12.1m，右桥6#墩承台距铁路路堑坡顶水平向最小净距约13.1m(如图4 所示)，均在《标准轨距铁路建筑限界》 (GB146.2-83)规定的铁路基本建筑限界之外，满足《铁路安全管理条例》 (中华人民共和国国务院令第639 号)第三十二条“在铁路线路安全保护区及其邻近区域建造或者设置的建筑物、构筑物、设施等，不得进入国家规定的铁路建筑限界”的要求。

图3 公铁交叉处局部立面图(单位：cm)

图4 公铁交叉处局部平面详图(单位：cm)

因此，沙溪大桥左右桥总体设计方案均能满足国家规定的铁路基本建筑限界的要求，桥梁总体设计方案合理。

4 结构设计

4.1 建筑材料

主桥箱梁(含齿块)采用C55 砼，主桥主墩墩身采用C40 砼，主墩顶5.5m 范围内采用C55 砼，主桥桩基、承台采用C30 砼。

纵向预应力筋采用公称直径为15.20mm 高强度低松弛钢绞线，fpk=1860MPa，张拉控制应力为1357.8MPa，箱梁顶板悬浇束及腹板束采用Φs15.2-19钢绞线，中、边跨顶底板合拢束采用Φs15.2-17 钢绞线，对应锚具分别采用M15-19 型和M15-17 型锚具，对应波纹管分别采用φ内100mm 及φ内90mm 塑料波纹管，波纹管孔道摩阻系数μ=0.17、偏差系数k=0.0015。箱梁竖向预应力钢筋采用JL25 精轧螺纹钢筋。

普通钢筋：钢筋直径≤10mm 者采用HPB300 光圆钢筋，直径＞10mm 者采用HRB400 带肋钢筋。

4.2 上部结构

本桥主桥为(63.5+115+115+63.5)m 预应力混凝土变截面连续刚构箱梁，采用单箱单室箱形截面(如图5所示)，顶板宽度箱梁顶面宽12.25m，箱底宽6.25m。箱梁控制断面梁高为：中支点处7.0m，边跨直线段及主跨跨中处为2.8m，高跨比分别为1：16.4 和1∶41.1，箱梁高度和底板厚度按2 次抛物线变化。箱梁顶板厚度为28cm，底板厚从跨中至根部由28 cm 变化为75cm，腹板从跨中至根部分3 段采用50、60、75cm 三种厚度，墩顶腹板厚度为100cm。

图5 箱梁断面示意图(单位：cm)

上部结构采用挂篮悬臂浇筑施工方法，每个悬浇T构纵向对称划分为15 个节段，梁段划分从根部至边跨直线段为4×3.0m、11×3.5m，悬浇节段最大控制重量1335kN，合拢段长度为2m，合拢方式采用先边跨合拢再中跨合拢。跨中及支点截面钢束布置见图6。

图6 跨中/支点截面钢束布置示意图(单位：cm)

4.3 下部结构

大桥主桥主墩4 号、5 号、6 号均采用箱形墩配桩基础、主桥交界墩采用箱形墩及薄壁墩配桩基础；墩横断面外观尺寸6.25m×4.5m，承台尺寸11.0m×11.0m×4.0m，主墩桩基采用双排桩，桩径2.8m，横向、纵向桩距均为6.2m。

5 结构计算

5.1 模型简介

本桥纵向计算主程序采用桥梁博士V3.5.0 程序，按平面杆系进行结构分析。结合结构构造特点及施工顺序进行结构离散，全桥共划分179 个单元。结构计算模型如图7 所示。

图7 计算模型

边界条件：主墩桩基础根据等刚度原则进行群桩等代，等代桩基底固结，过渡墩位置仅设竖向支撑。

大桥施工顺序划分如下：施工桩基础、承台及墩身；立模浇筑0＃块；接着安装挂篮，立模对称浇筑悬浇段混凝土；悬浇完毕，按边跨、中跨的顺序合拢，形成连续刚构体系；最后铺设桥面铺装、浇筑防撞栏，拆除临时施工设施，完成施工。

根据实际施工顺序，计算共划分为53 个施工阶段和1 个运营阶段，悬浇节段施工周期按8 天。

5.2 计算结果

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTG D62-2004)按全预应力构件对上部结构进行验算。

图8 施工阶段最大应力包络图

图9 最大抗力及抗力对应内力图

图10 最小抗力及抗力对应内力图

图12 短期效应组合主应力包络图

图13 标准组合箱梁上、下缘正应力包络图

图14 标准组合箱梁主应力包络图

由图8～图14 可知，沙溪大桥上部结构各阶段的应力均满足设计规范要求。

挠度验算：边跨跨中最大挠度为15.95mm，中跨跨中最大挠度为37.72mm，均小于计算跨径的1/600，满足规范要求。

预应力钢筋最大拉应力验算：使用阶段受拉区预应力钢铰线的最大拉应力限值为1209MPa；从计算结果可以看出，标准组合预应力钢绞线最大拉应力1207MPa，满足规范要求。

综上：沙溪大桥结构安全满足公路—Ⅰ级汽车荷载的要求。但从我院以往设计的公铁交叉项目来看，仅满足公路—Ⅰ级荷载，安全系数偏低，为确保交叉段落安全结构可采用设计荷载乘以一定扩大系数的做法，该做法在铁路、公路技术标准中均未明确规定，因此对公铁交叉跨线桥的荷载要求需由铁路与公路主管部门协商，进行专题研究。

6 桥梁防护及附属设施设计

《铁路安全管理条例》 (中华人民共和国国务院令第639 号)第四十四条规定：“……跨越铁路线路的道路桥梁，应当按照国家有关规定设置防止车辆以及其他物体进入、坠入铁路线路的安全防护设施和警示标志……”。

6.1 防撞护栏

《关于公铁立交和公铁并行路段护栏建设与维护管理相关问题的通知》 (铁运［2012］139 号) 规定：“……公路跨越铁路立交桥应设置钢筋混凝土墙式护栏和防护网，并根据不同的设计速度，按照《公路交通安全设施设计规范》 (JTGD81)中‘车辆驶出桥外有可能造成二次重大事故或二次特大事故’的有关规定提高一个防撞等级设置护栏。……”

目前，省内高速公路沿线桥梁大部分采用“闽华”混凝土防撞护栏，该类护栏防撞等级为SA 级，无法满足上述文件要求，故沙溪大桥桥面两侧按SS 级标准设计防撞栏。

6.2 防抛网

《南昌铁路局公铁并行防护栏、公跨铁立交桥防抛网管理办法》 (南铁工务发(2010)126 号)规定：“新建客运专线公跨铁立交桥要设置高度为2.5m 及以上的防抛网，既有线公跨铁立交桥防抛网高度不少于2.0m……。防抛网设置范围不得少于桥下线路外轨外侧5m，防抛网要求安设牢固，网孔孔径不大于20mm。”

沙溪大桥上跨部分防抛网应按照上述要求设置。

6.3 排水设施

图15 上跨处桥面泄水管布置图

桥面排水系统：上跨鹰厦铁路段落不布置竖向泄水管，并将桥面汇水排至路堑边沟处，以消除桥面排水对铁路路基的影响。

6.4 警示标志

(1)鹰厦铁路为电气化铁路，根据《南昌铁路局公铁并行防护栏、公跨铁立交桥防抛网管理办法》 (南铁工务发(2010)126 号)规定：“电气化区段的上跨立交桥防抛网要设置‘高压危险’警示标。”；同时，上跨立交必须安装接地装置，以避免杂散电流对铁路运营产生影响。

(2)为减少上跨桥梁交通事故，在引桥区段设置相关交通告示牌，提醒驾驶员前方跨越铁路，谨慎驾驶，严禁变道、超车。

7 施工方法及防护

结合工程地质条件，本桥在施工过程中面临的困难主要有：6 号墩施工临近既有线；采用悬臂现浇施工存在较多的高空坠物隐患；跨越电气化铁路线路，既有线行车不中断，行车干扰、铁路配合任务量大，防电要求高；7 号墩、沙县台位于既有铁路路堑边坡，施工过程防落石措施尤为重要。

为克服上述困难，施工时应采用下列措施：

(1)6 号墩左右桥承台与鹰厦铁路间最小水平净距约为12.1m，桩基承台施工时应避免对铁路路堑边坡附加堆载，做好承台开挖的边坡稳定验算及防护措施；细化施工机械及人员的平面布置，设置隔离，确保施工机械和人员不进入铁路基本建筑限界；采用震动相对较小的桩基成孔方式，并辅以全空套筒护壁施工，以防塌孔或扰动铁路边坡。

(2)采用全封闭挂篮防止物体坠落；挂篮结构及加固系统应充分考虑，并做好挂篮拼装过程、前移过程各系统及构件的检查、防风固定；桥面施工期，桥面两侧设置隔离栅及密目网封闭，以防止护栏模板及防护网等坠落；施工中各类长悬臂机械应配置完善的接地、防雷系统。

(3)桥面投影前后5m 范围鹰厦铁路设置防护棚，如图16 所示，防止物体坠落影响铁路安全；防护棚应通过专门的结构验算，满足一定的高空坠物承载要求，同时满足最大重量施工机具的冲击影响、铁路运营振动影响及防风设计；防护棚立柱应做好防撞措施，横梁结构应铺设一定范围的防电绝缘板以满足绝缘要求，同时防护棚应有完整的接地系统并确保接地良好。