上跨铁路下承式钢系杆拱桥设计与施工

2021-02-25王法武

铁道标准设计 2021年2期

王法武

(中铁上海设计院集团有限公司,上海 200070)

引言

随着城市交通的不断发展，城市道路高架桥从铁路车站范围上跨的现象日渐增多。为减小对铁路运输安全的影响，一般采用转体法施工或顶推法施工[1-7]。当桥面设计高程受限时，需采用低高度大跨度桥梁结构形式。下承式钢系杆拱桥具有建筑高度低、结构性能优异、跨越能力强、施工速度快等优点，具有较好的适用性[8-10]。上海市北横通道新建二期工程Ⅱ标上跨上海火车站机务段咽喉区和轨道交通3、4号线，经过方案比选，最终采用76 m下承式钢系杆拱桥。该桥结构具有以下主要特点和难点：结构采用单片拱肋，桥面车道布置左右不对称、荷载偏心大，吊杆采用销铰式锚板构造，老桥人行道切割，新老桥之间采用弹性混凝土连接[11-12]，上跨繁忙铁路车站范围单跨拱梁整体顶推施工技术等。本文重点介绍该桥的结构设计、顶推施工方案[13-19]，并对运营阶段整体受力、局部受力及顶推施工阶段受力进行计算分析[20-22]，可为类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 既有桥概况

跨铁路既有桥梁为(30+47+30) m预应力混凝土连续梁。横向由四幅桥组成，其中主线2幅，上下匝道桥各1幅。与本工程相关的既有匝道桥宽15 m，与新建桥相邻侧的悬臂板长5.55 m，其中3 m为人行道。由于3 m人行道无法满足通行机动车荷载要求，需切割人行道。

1.2 新建桥概况

在既有匝道桥的东侧新建辅道和匝道，辅道和匝道一起跨越上海火车站机务段咽喉区11条股道和轨道交通3、4号线。铁路和轨道交通间无设墩的条件，需一跨跨越，桥梁跨度需76 m。

新建桥面高程受既有桥面高程限制，高程不能抬高，而桥下又受铁路和轨道交通及交通路净高的限制。如采用常规连续钢箱梁，梁高需3 m，净空无法满足跨铁路和轨道交通要求。经过方案比选，最终采用76 m下承式钢系杆拱方案，主梁梁高2.2 m。

本工程由于周边环境和场地限制，无法采用转体施工方案，因此采用顶推法施工。

2 主要设计标准

(1)汽车荷载：汽车荷载按照1.3倍的城-A级荷载设计。

(2)跨铁路桥下净空：满足电气化铁路建筑限界>6.55 m要求。

(3)桥梁设计安全等级：一级，结构重要性系数γ0=1.1。

(4)桥梁设计基准期：100年。

(5)抗震设防标准：桥梁抗震设防烈度为7度，水平向设计基本地震动加速度峰值为0.10g，桥梁抗震设防类别为乙类。

(6)防撞护栏防撞等级：SS级。

3 结构设计

3.1 总体设计

本工程跨铁路和轨道交通3、4号线采用1-76 m下承式钢结构系杆拱桥，计算跨径为73.8 m，道路中心线与铁路中心线夹角75°，桥梁位于2.17%的下坡。

辅道和匝道跨越铁路和轨道交通采用整幅桥形式。匝道宽8.5 m，两车道；辅道受机务段油库安全距离的影响，桥宽压缩至6.25 m，满足单车道加紧急停车带的要求。桥面布置采用8.5 m(匝道两车道)+2 m(拱肋)+6.25 m(辅道一车道和紧急停车带)=16.75 m。在匝道和辅道间设置单片拱肋，宽2 m。主梁和拱肋均采用钢箱结构。

主桥总体布置如图1所示，箱梁横断面如图2所示。

图1 主桥总体布置(单位：mm)

图2 主梁横断面(单位：mm)

3.2 主梁设计

市政桥梁中钢系杆拱桥的主梁常采用主纵梁、端横梁、中横梁、小纵梁等组成钢梁格体系。本桥由于桥面车道布置左右不对称及拱肋采用单片拱肋，为提高结构整体抗扭刚度和抗倾覆能力，钢主梁采用单箱三室截面。钢主梁为系杆拱桥的刚性系杆，作为主受力结构，承受拱肋的水平推力，同时作为桥面系的加劲梁。

钢箱梁高2.2 m，宽16.75 m，顶板厚14 mm，底板厚20 mm，拱脚处顶板加厚至20 mm，底板加厚至28 mm。顶板和底板加劲肋采用U形肋，腹板采用板式肋。设4道腹板，两边腹板采用斜腹板，中间腹板采用直腹板，每道腹板厚20 mm，拱脚加厚至30 mm。横隔板间距3.0 m。主体钢结构采用Q345qD。

3.3 拱肋

新建桥梁位于既有高架桥和机务段油库之间，由于桥宽受限，拱肋采用单片拱肋形式，布置在钢箱梁中间。拱轴线采用二次抛物线，矢高14.76 m，矢跨比1/5。

拱肋采用钢箱截面，高2.0 m，宽2.0 m，顶板厚25 mm，底板厚25 mm，腹板厚25 mm。在拱脚处拱肋顶板厚30 mm，底板厚30 mm，腹板厚30 mm。内壁设12条纵向加劲肋。每隔1 m设置1道横隔板。

3.4 吊杆

全桥共设11根吊杆，吊杆间距6 m。吊杆采用GJ15-19钢绞线整束挤压式吊杆体系，采用HDPE护套索体，上下端均为穿销铰式锚板构造，张拉端位于主梁顶面，方便吊杆锚头的检查、养护与更换。

3.5 新老桥之间的连接

跨铁路老桥为(30+47+30) m预应力混凝土连续梁。由于新老桥的跨径布置、结构形式均不同，新桥与老桥上、下部结构完全独立，桥面板之间留5 cm结构缝。钢桥桥面铺装采用9 cm厚C50钢纤维混凝土铺装层+3 mm厚聚合物改性沥青防水层+4 cm厚SMA沥青混凝土。考虑行车舒适性和便于养护维修，新桥与老桥桥面铺装通过弹性混凝土连接为整体。弹性混凝土具有良好的防裂性、韧性和耐磨性，利用自身的高韧性来适应新老桥之间的变形。弹性混凝土拼缝处尺寸为60 cm×13 cm，拼缝具体方案是：在5 cm结构缝上铺设6 mm厚、宽20 cm的镀锌钢板，镀锌钢板在老桥一侧采用横向钢筋限位，在钢桥一侧采用焊钉限位，每块钢板长2 m，采用点焊使相邻两块钢板连接，避免存在空隙；铺装层界面处涂刷环氧粘结剂；灌注弹性混凝土。

3.6 跨铁路钢梁检修

本桥上跨电气化铁路和轨道交通，由于桥下净空受限，无法在梁底安装检查小车进行检查。日常检查可在主墩附近用望远镜对钢梁进行检查。拱肋、吊杆的检查在桥面上，对铁路和轨道交通影响较小。钢梁涂装采用长效涂装体系，设计防腐年限15～20年。钢梁涂装更换在铁路和轨道交通天窗期间进行。

4 运营阶段结构整体受力分析

运营阶段结构整体计算采用Midas Civil 2017软件，拱肋、钢箱梁采用梁单元，吊杆采用桁架单元。根据Midas软件的计算约定，正应力以正值表示拉应力，负值表示压应力。

4.1 支座反力

各单项荷载及标准组合作用下竖向支反力计算结果如表1所示。

表1 竖向支反力汇总

标准组合下最大支反力为7 849 kN，支座选用JZQZ8000型摩擦摆减振支座，承载力满足要求。支座平面布置见图3。

图3 支座平面布置(单位：mm)

4.2 横向整体倾覆

由于桥梁左右不对称，荷载偏心较大，钢结构自重较轻，而近年超载现象时有发生，有必要对结构作横向整体倾覆稳定验算。

横向整体倾覆稳定验算时，左侧布置两列车道荷载，考虑风荷载作用，自重和二期恒载产生的稳定弯矩为67 734 kN·m(顺时针)，汽车荷载和风荷载产生的倾覆弯矩为6 548 kN·m(逆时针)。

横向整体抗倾覆稳定系数为67 734/6 548=10.34>2.5，满足规范要求。

4.3 结构刚度

成桥状态主梁最大竖向位移为2.91 mm(向上)，-2.89 mm(向下)。

汽车荷载作用下主梁最大负挠度为-18.09 mm，最大正挠度为0.90 mm，正、负挠度绝对值之和为18.99 mm，挠跨比18.99/73 800=1/3 886<1/500，结构刚度满足要求。

4.4 钢主梁应力

(1)第一体系应力

第一体系采用基于平截面假定的空间梁单元整体模型。

基本组合下主梁上翼缘最大拉应力为50 MPa，最大压应力为52 MPa，下翼缘最大拉应力为62 MPa，均小于270 MPa，满足要求。

(2)桥面板第二体系应力

建立以桥面系为承力载体的第二体系受力模型。纵肋支承在主梁腹板、横隔板上。考虑自重、铺装、汽车活载(考虑1.3的系数)等作用。

纵向U肋简化为T肋，横梁上下翼缘取24倍的板厚为有效宽度。根据圣维南原理，建立3个横梁间距的桥面系模型。计算结果取中间段。

基本作用组合下，恒载组合系数为1.2，活载组合系数为1.8，考虑1.1的重要性系数。

基本组合作用下，第二体系桥面板最大拉应力为96 MPa，最大压应力为125 MPa。

第一、第二体系叠加后桥面板最大拉应力为146 MPa，最大压应力为180 MPa，均小于270 MPa，满足要求。

4.5 拱肋应力

基本组合下拱肋最大压力-20 503 kN，最大负弯矩-23 494 kN·m，均位于拱脚处。基本组合拱肋应力如图4所示。

图4 基本组合拱肋应力(单位：MPa)

根据《公路钢结构桥梁设计规范》第5.1.7条计算，拱肋截面局部稳定折减系数为0.976。

拱肋最大压应力为184 MPa，最大拉应力87 MPa，均小于270×0.976=264 MPa，满足规范要求。

4.6 吊杆应力

钢梁顶推就位后张拉吊杆，根据成桥状态主梁挠度基本为0的原则张拉吊杆，吊杆初张力为714～1 151 kN。标准组合下吊杆索力为1 544～1 648 kN。

本桥吊杆采用GJ15-19型号，公称破断力为4 947 kN，吊杆安全系数为：4 947/1 648≈3.0。

4.7 整体稳定

按照引起主拱肋轴向压力最大工况进行稳定计算，考虑的作用包括恒载、活荷载(使拱肋产生最大轴力的加载布置)、风荷载。屈曲分析得到的模型临界荷载系数如表2所示。

主桥在恒载、活载和风荷载作用下，整体失稳模态以主拱的侧向失稳为主，最小稳定系数为25.26，大于规范要求的稳定系数4，满足设计要求。

表2 临界荷载系数

4.8 钢结构疲劳验算

根据JTG D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》第5.5.2条，采用疲劳荷载模型I等效的车道荷载对钢主梁、吊杆进行疲劳验算。

(1)钢主梁

主梁上翼缘最大应力幅为13 MPa，下翼缘最大应力幅为16 MPa。端横梁上翼缘最大应力幅为31 MPa，下翼缘最大应力幅为31 MPa。

箱梁腹板与顶底板处焊缝在顶底板拼接处为带过焊孔的间断焊缝，根据《公路钢结构桥梁设计规范》附录C表C.0.2，疲劳细节类别为70 MPa。经计算疲劳强度为51.6 MPa，允许应力幅为38.2 MPa。

根据应力幅分析可知，主梁及端横梁疲劳应力幅均小于38.2 MPa，满足要求。

(2)吊杆

吊杆在疲劳荷载计算模型Ⅰ下，吊杆应力幅ΔσP=78 MPa。根据《公路钢结构桥梁设计规范》第13.2.2节，平行钢丝束的ΔσD=137 MPa，ΔσP=78 MPa<ΔσD=137 MPa，满足规范要求。

5 运营阶段局部受力分析

钢箱拱及钢箱梁在正常使用阶段结构局部受力计算主要内容如下。

(1)钢箱拱及钢箱梁加劲肋计算(顶板、腹板、底板加劲肋，支座加劲肋等)。

(2)挑臂强度、变形的验算。

(3)拱脚局部受力分析。

(4)吊杆锚固区局部受力分析。

本文仅对拱脚局部受力分析和吊杆锚固区局部受力分析作介绍。

5.1 拱脚局部应力

采用Midas软件建立杆系板壳空间有限元混合模型。拱脚局部模型采用板单元，其他钢结构部分采用梁单元，吊杆采用桁架单元。拱脚板壳模型与杆系模型在接触位置建立刚域连接。拱脚局部板壳中未考虑板肋的加劲肋作用。拱脚局部Mises应力云图如图5所示。

图5 拱脚Mises应力云图(单位：MPa)

基本组合下，拱脚Mises应力最大为288 MPa，主要集中在拱肋导圆弧地方。拱脚大部分板件的Mises应力在210 MPa以下，小于270 MPa，满足规范要求。

5.2 吊杆锚固区分析

运用Midas有限元软件分别建立桥面板和拱肋处吊杆耳板有限元模型，考虑最不利情况吊杆受力，按承载能力极限状态基本组合最大吊杆力N=2 300 kN加载，计算结果见图6、图7。

图6 桥面处吊杆锚固区最大拉应力云图(单位：MPa)

图7 拱肋处吊杆锚固区最大拉应力云图(单位：MPa)

由图6和图7可知：吊杆锚固区域桥面处最大拉应力为140.4 MPa，拱肋处最大拉应力为202.7 MPa。两处应力值均小于270 MPa，满足规范要求。

6 顶推施工方案和计算分析

6.1 顶推施工方案

桥梁常用顶推方式有单点拖拉式和多点步履式。与拖拉式相比，步履式具有对临时墩产生水平力较小和安全可靠的优点，因此本桥采用步履式顶推施工。

由于需要在铁路和轨道交通上方实施既有桥3 m人行道板切割，为减小既有桥切割对铁路和轨道交通的安全影响，首先把不带翼缘板的钢拱桥顶推到桥位，然后在钢梁腹板栓接操作平台的横梁，焊接操作平台，切割既有桥人行道，最后安装钢梁翼缘板。

钢拱桥顶推需在施工场地内搭设2个拼装支架和7个顶推支墩，布置见图8。在顶推支墩1～5和FB07、FB08墩旁支墩上对应主梁腹板位置布置顶推设备，每个支墩上布置4个顶推设备。为减少顶推跨度，经过与铁路部门沟通，临时停运铁路一股道，在铁路和轨道交通之间搭设5号顶推支墩。最大顶推跨度51.5 m，顶推重力约12 000 kN。

图8 顶推支架和临时墩布置(单位：mm)

在顶推施工中，通过设置导梁可以减少施工过程中的结构内力和变形。本桥钢导梁由钢板加工成“工”形，两“工”形截面中心间距2 m，通过横向桁架连接。导梁全长35 m，分2节，第1节长17 m，第2节长18 m。导梁高度由2.2 m渐变至2.0 m。导梁与钢拱桥、导梁节段之间采用高强螺栓连接。整套钢导梁质量约65 t。

为保证在顶推过程中拱肋和主梁共同受力，在拱肋和主梁拼装完成后，在拱肋与主梁之间设置临时撑杆，临时撑杆采用Φ=1 000 mm，t=25 mm的钢管。

钢梁顶推主要步骤如下。

(1)顶推支架、临时墩、拼装支架等施工。

(2)拼装钢梁、钢拱、导梁、临时撑杆。

(3)前端悬挑50 m试验。

(4)试顶推3 m。

(5)第1次顶推26.4 m。

(6)第2次连续顶推17.9 m，导梁到达临时墩。

(7)第3次连续顶推23.4 m，导梁到达FB08墩。

(8)第4次连续顶推10.2 m，钢梁前端到达临时墩。

(9)第5次连续顶推6 m，拆除第一节导梁。

(10)第6次连续顶推16.9 m，钢梁前端到达FB08墩，完成顶推。

(11)拆除辅助设备，完成落架。

(12)拆除支架和拱肋临时撑杆，张拉吊杆。

(13)铺装、栏杆等二期施工。

6.2 顶推施工计算分析

(1)支反力

顶推过程各顶推支墩和临时墩最大反力及对应工况见表3。铁路和轨道交通之间的5号顶推支墩最大反力4 948 kN。

表3 施工全过程最大支反力及其对应工况汇总

(2)位移

顶推过程导梁前端最大挠度为213 mm，施工过程中挠度超过100 mm的基本出现在导梁处于悬臂状态的时候。

(3)应力

施工过程主梁、拱肋、导梁最大应力在100 MPa以下；拱梁之间临时撑管最大拉应力52 MPa，最大压应力138 MPa。施工过程中结构应力满足要求。

(4)腹板局部加强

顶推过程中顶推设备将支承力施加到钢拱桥腹板上，相应的钢梁腹板需设置顶推所需的局部加劲肋。本桥在主梁中腹板设置2种竖向加劲肋-12×180×2 160@750 mm和-16×250×600@250 mm，边腹板设置两种竖向加劲肋-12×180×1 980@750 mm和-16×600×610@250 mm。