墩頂轉體法施工的大跨度曲線鋼桁梁橋總體設計及創新
——以國道109新線高速公路安家莊特大橋主橋設計為例

李艷明，徐升橋，彭嵐平，李 輝

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055; 2.中國中鐵橋梁專業研發中心-橋梁標準設計分中心,北京 100055)

引言

鋼材的強度高、材質均勻、塑性及韌性良好,因此鋼結構橋梁具有跨越能力大、適合工業化制造、便于運輸、安裝速度快、易于修復和更換等諸多優點,隨著鋼材加工制造水平的提高,鋼結構橋梁得到日益廣泛的應用。

鋼桁梁橋由主要承受軸向力的桁架桿件組成,結構自重較輕,具有較大的剛度和跨越能力,廣泛應用于大跨度及超大跨度橋梁中。鋼桁梁橋一般采用支架拼裝、懸拼和頂推施工方案,當受到鐵路運營安全、河道洪評、施工安全、橋址地形、環評等各種施工條件限制時,轉體法施工也是較合理的施工方案。古城灣特大橋上跨京包鐵路主橋[1-2]和上海金山鐵路春申特大橋[3]分別為1-132 m和1-96 m簡支鋼桁梁橋,均采用設滑道進行轉體的施工方法;廊坊光明道上跨京滬高鐵、京滬鐵路立交橋主橋[4-5]為(118+268+118) m上加勁連續鋼桁梁,采用帶輔助滑道簡支體系非對稱轉體施工方案;蕪湖市軌道交通2號線跨越扁擔河及蕪宣高速公路橋[6]為(52+80+52) m連續鋼桁軌道梁,采用非對稱墩底轉體的施工方案。

鋼桁梁橋多為直線布置,在跨度較小、線路曲線半徑較大的情況下,通常采取橋面加寬、以直代曲的做法解決曲線布置問題,布置于小曲線半徑線路上的大跨度曲線鋼桁梁橋較少見。林織鐵路納界河橋主橋[7]采用跨度352 m上承式鋼桁提籃拱橋,結構在橫向和豎向均為曲線鋼桁架,采用節段吊裝法施工;延崇高速磚樓特大橋主橋[8]為曲線上承式拱形變高鋼桁組合連續梁結構,跨徑布置為(65+120+65) m,采用懸臂拼裝法施工;福州道慶洲大橋第5聯位于平曲線上,采用2×84 m以折代曲連續鋼桁結合梁[9],采用懸臂拼裝法施工。目前采用墩頂轉體法施工[10-11]的大跨度曲線鋼桁梁橋相關工程實例較少,因而有必要對此進行深入研究,為鋼桁梁結構增加一種可供選擇的施工方案。

橋梁跨越有行洪或通航要求的河道,橋墩阻水比、雍水高度、通航凈寬等都有較嚴格的限值,采用大直徑厚壁鋼管混凝土橋墩[12-15]可有效減小橋墩截面尺寸,降低對行洪、通航的影響,且鋼管既是受力構件又可兼做橋墩外模、提高了施工效率,是一種值得探索的橋墩發展方向,因而有必要進一步對鋼管混凝土橋墩進行研究。

本文依托國道109新線高速公路安家莊特大橋主橋工程,總結了大跨度曲線鋼桁梁橋墩頂轉體法施工、BIM正向設計及大直徑厚壁鋼管混凝土橋墩等多項技術創新點,可為今后同類工程的設計和建造提供借鑒,具有一定的推廣應用價值。

1 工程概況

1.1 工程簡介

國道109新線高速公路(西六環路—市界段)工程位于北京市門頭溝區,設計起點位于西六環路軍莊立交,終點在市界與張涿高速公路相接,路線全長約65.5 km。全線設計速度為80 km/h,安家莊特大橋所處西六環路至齋堂段為標準六車道斷面,寬度為33 m。

安家莊特大橋主橋為全線的控制性重點工程,橋梁起于豐沙鐵路北側、黃臺隧道出口,分幅依次跨越豐沙鐵路、永定河及現狀G109國道,左右幅分別位于半徑1 600 m和1 500 m的圓曲線上。道路設計高程比現狀地面高約48 m,距豐沙鐵路軌面高約38.7 m。橋址處永定河常水位河面寬度15～18 m,水深約1.0 m。橋址現狀及線路示意如圖1所示。

圖1 橋址現狀及路線示意

1.2 工程建設條件

本工程整體位于受永定河侵蝕堆積作用形成的山間河谷地貌單元內,該段河谷整體呈相對寬闊的“U”形谷,兩側山體陡峭。

橋位位于永定河河床、漫灘部位,地層自上而下依次分布有卵石層、漂石層、強風化安山巖和中風化安山巖,基巖埋深變化較大。

橋位處為永定河山峽段,現況河道為天然河道,100年和300年一遇設計水位分別為215.14 m和216.87 m,對應的洪峰流量分別為5 300,7 050 m3/s。

安家莊特大橋與豐沙鐵路交叉處位于安家莊站范圍內,交角約為30°。既有豐沙鐵路為四線電氣化鐵路,接觸網采用軟橫跨懸吊。

1.3 主要技術標準

(1)設計荷載:公路-Ⅰ級;跨越鐵路部分的橋梁結構按公路-Ⅰ級荷載提高30%計算。

(2)道路等級:高速公路。

(3)設計行車速度:80 km/h。

(4)橋梁標準橫斷面:單幅橋寬16.2 m。

(5)防洪標準:特大橋設計洪水頻率為1/300。

(6)通航標準:無通航要求。

(7)地震:基本地震動峰值加速度為0.20g,抗震設防烈度為Ⅷ度,抗震設防類別為A類。

2 主橋總體設計

國道109新線高速公路工程安家莊特大橋主橋受橋址地形條件、道路平縱線形、豐沙鐵路運營安全、河道洪評、環評及現狀109國道等各方面控制因素的影響,設計方案需要解決多項技術難點。結合橋梁施工方案、結構類型、橋跨布置等共擬定了20余種設計方案,在最大限度減小對豐沙鐵路運營安全、永定河行洪的影響,同時滿足抗震、抗風和景觀要求的前提下,將大跨度曲線鋼桁梁橋與墩頂轉體法施工相結合,創新提出了墩頂轉體法施工的大跨度曲線鋼桁梁橋[16-18]設計方案:左右幅主橋分別為(248.95+248.95) m鋼桁斜拉橋和(171.95+171+75.25) m連續鋼桁梁橋,采用雙幅單側同向墩頂轉體法施工,轉體長度分別為(248+248) m和(171+171) m,河道內的橋墩均采用大直徑鋼管混凝土橋墩[19]。

2.1 橋梁孔跨布置

永定河為一級水源保護區,根據洪評和環評要求,不能在現狀天然河道的主河槽內設置橋墩,也不能永久改移天然河道;而現狀豐沙鐵路為干線,線間距較小,不具備在線間設置橋墩的條件,且橋墩基礎也不能侵入到路基邊坡范圍內。

根據國鐵集團工電部48號文[20]的要求,上跨鐵路橋梁施工應優先采用轉體施工方案,但現狀豐沙鐵路北側由于山體陡峭,大型施工機械進場困難,不具備在鐵路北側實施轉體施工的條件。為滿足上跨鐵路橋梁轉體施工的要求,橋梁孔跨布置方案將左右幅轉體主墩均布置在豐沙鐵路和永定河主河槽南側,采用雙幅單側同向墩頂轉體法施工,左右幅分別逆時針轉體25°和24°。轉體前平面示意布置如圖2所示。

圖2 轉體前平面示意

2.2 橋式方案選擇

本橋位于北京市門頭溝山區內,地震烈度高,山間瞬時風大且風向多變;橋梁位于圓曲線范圍內;現狀109國道沿線路況較差,難以運輸大型超重構件;根據洪評要求,施工期臨時設施也不能長期占用主河槽?；谏鲜鲆蛩?設計對鋼桁梁、鋼箱梁和混凝土梁結構橋式方案進行了比較,比選結果如表1所示。

表1 橋式方案比選

考慮到鋼桁梁結構自重輕、透風性能好,結構受力能夠滿足抗震、抗風及轉體施工要求,且便于運輸和安裝,橋梁施工不長期占用主河槽,對河道汛期行洪影響較小,也不需要對現狀河道進行擴挖改造,故主橋上部結構采用鋼桁梁結構,左右幅分別采用(248.95+248.95) m鋼桁斜拉橋和(171.95+171+75.25) m連續鋼桁梁的設計方案。左右幅橋立面分別如圖3、圖4所示。

圖3 左幅橋立面(單位:m)

圖4 右幅橋立面(單位:m)

2.3 水中墩結構選擇

根據防洪評價報告和北京市相關河道管理規定的要求,河道內橋墩的阻水比應不大于5%。

為減小主橋水中墩的阻水比,通過優化設計,河道內的墩柱均采用截面尺寸較小的鋼管混凝土結構,轉體主墩L3、R4號墩的墩柱直徑分別為φ4.0 m和φ3.0 m。墩柱最大直徑采用φ4.0 m,是在滿足受力要求的前提下,根據現狀道路的運輸條件確定的。如圖5所示。

圖5 鋼管混凝土墩

由于墩柱截面尺寸相對較小,為增加橋墩的橫向剛度,改善橋墩的橫向受力性能,左右幅主橋中墩和大里程邊墩通過蓋梁橫向連在一起,形成π形墩和M形墩;為提高橋梁結構的縱向剛度,改善橋墩的縱向受力性能,設計采用雙固定墩的結構形式,左右幅橋在L3、L4號墩和R4、R5號墩均設置了固定支座及橫向活動支座。

2.4 景觀設計

從結構受力、墩頂轉體和景觀設計的角度考慮,左右幅主梁均采用下變高鋼桁梁結構,左幅橋由于跨度較大,增設了橋塔和斜拉索形成斜拉橋結構。左右兩幅風格相異卻又錯落有致的大橋屹立山間,氣勢恢宏、蒼勁挺拔,曲線梁體與橋塔造型相得益彰,更顯線條剛柔并濟,白色外觀色澤明快,與周圍山光水景完美融合。全橋效果圖如圖6所示。

圖6 效果圖(鳥瞰)

2.5 環保設計

項目位于永定河一級水源保護區,設計方案對環境的保護主要采取如下措施。

(1)采用大跨度橋梁跨越永定河,不在主河槽內設置橋墩,將工程建設對水源保護區的影響降至最低。

(2)為避免污染水源,主橋設置由不銹鋼復合鋼板[21]制成的開放式橋面雨水收集系統,將橋面雨水集中排放至沉淀池及蒸發池。這種開放式橋面雨水收集系統可有效避免常規排水管堵塞、凍漲、破裂、老化等一系列問題,大幅降低漏水概率且易于清理維護。

(3)為減少現場施工和養護維修過程中對水源保護區的影響,鋼結構防腐涂裝采用長效防腐體系[22],同時要求第二道面漆也在工廠內完成涂裝。

3 主橋結構設計

3.1 上部結構

3.1.1 左幅橋

左幅橋平面位于R=1 600 m圓曲線段,立面位于-0.464%的單向下坡路段,主橋采用(248.95+248.95) m雙主桁下變高鋼桁斜拉橋[23-24],塔梁固結?？紤]2%的橋面橫坡,曲線內外側主桁桁高分別為8.0～15.0 m和8.3～15.3 m,主桁順橋向共計42個節間,設計線處標準節間長11.8 m,主桁中心距19.0 m。弦桿平面線形“以折代曲”,下弦桿在節點中心彎折,上弦桿在桿件中點彎折。橋面系[25]采用正交異性鋼橋面板,鋼橋面板板厚14 mm,縱向采用U形加勁肋和板式加勁肋。左幅標準橫斷面如圖7所示。

圖7 左幅標準橫斷面(單位:mm)

在主墩支點處的兩片主桁上布置橋塔,橋塔采用鋼箱結構,塔梁固結,鋼塔豎直,主塔順橋向立面布置為“人”字形,橫斷面布置為半橢圓形,塔高70 m,每側主塔布置9對拉索。斜拉索用鍍鋅平行鋼絲拉索,空間雙索面體系,扇形布置,均在梁端張拉,塔端錨固。橋塔橫橋向立面如圖8所示。

圖8 橋塔橫橋向立面(單位:m)

3.1.2 右幅橋

右幅橋平面位于R=1 500 m圓曲線段,立面位于-0.464%的單向下坡路段,主橋采用(171.95+171+75.25) m雙主桁下變高連續鋼桁梁結構?？紤]2%的橋面橫坡,曲線內外側主桁桁高分別為8.0～15.0 m和8.27～15.27 m,主桁順橋向共計36個節間,設計線處標準節間長11.4,12.4 m和12.3 m,主桁中心距為13.5 m。弦桿平面線形“以折代曲”,下弦桿在節點中心彎折,上弦桿在桿件中點彎折。橋面系[25]采用正交異性鋼橋面板,鋼橋面板板厚14 mm,縱向采用U形加勁肋和板式加勁肋。右幅標準橫斷面如圖9所示。

圖9 右幅標準橫斷面(單位:mm)

3.1.3 曲線鋼桁梁設計技術難點

曲線鋼桁梁較少見,其構造異常復雜,桿件空間定位困難,曲線效應使內外側主桁受力差異明顯,設計難度極大,主要體現在以下方面。

(1)全橋位于圓曲線上,曲線內、外側主桁節間長度不同。

(2)在橋面形成2%的橫向排水坡,曲線內、外側主桁上弦桿高程不同。

(3)為實現橋梁的“以折代曲”,需要對整體節點進行彎折處理,并應避免對豎桿安裝造成影響。

(4)聯結系多為空間構造。

(5)轉體施工臨時桿件與主桁結構連接接口構造復雜。

為準確表達曲線鋼桁梁復雜的構造細節和空間定位,本橋采用BIM正向設計思路,探索出“設計→建?！蓤D”一體化的設計流程,開發出自動化建模功能和智能化出圖系統,高效率、高質量完成了全部設計工作。

3.2 主墩下部結構及基礎

3.2.1 主墩鋼蓋梁

轉體主墩L3、R4號墩通過設置鋼蓋梁形成π形墩,蓋梁總長60.0 m,兩墩柱間距37.849 m。蓋梁采用變高截面,跨中截面高5.5 m,左幅橋墩頂支點截面高8.0 m,右幅橋墩頂支點截面高7.0 m;蓋梁寬度7.0 m,其上設置中墩永久支座、轉體球鉸、牽引反力座、防落梁擋塊等設施。鋼蓋梁采用單箱三室截面,為便于安裝和運輸,鋼梁分段制造,工地焊接。主墩橫橋向立面如圖10所示。

圖10 主墩橫橋向立面(單位:mm)

3.2.2 鋼管混凝土橋墩

為減小橋墩的阻水比,L3、R4號墩均采用鋼管混凝土橋墩,鋼管采用Q500MD鋼材、管內灌注C60補償收縮混凝土,直徑分別為φ4.0 m和φ3.0 m,鋼管壁厚70～90 mm,在鋼管內壁沿徑向設置12道豎向加勁肋。為避免銹蝕,百年設計水位以下墩柱鋼管采用單面不銹鋼復合鋼板,采用4 mm厚316L不銹鋼+90 mm厚Q500MD鋼材。鋼管混凝土橋墩橫斷面如圖11所示。

圖11 鋼管混凝土橋墩橫斷面(單位:mm)

3.2.3 主墩基礎設計

主墩位于永定河河床、漫灘部位,地層主要分布有卵石、漂石,透水性較好,且鄰近豐沙鐵路路基邊坡,需要考慮基坑開挖支護的安全性。原定采用沉井基礎能較好地解決上述技術問題,但詳勘報告顯示左右幅主墩處基巖埋深變化較大,采用沉井基礎施工難度較大[26],最終仍采用群樁基礎方案。根據基巖埋深情況,左幅L3號墩采用20根φ2.0 m鉆孔灌注樁,按摩擦樁設計;右幅R4號墩采用11根φ2.0 m鉆孔灌注樁,按嵌巖樁設計。

根據洪評報告要求,主墩承臺頂應設置在局部沖刷線以下,則L3、R4號墩承臺底埋深分別為11.2 m和9.8 m,為保證鐵路運輸安全和基坑止水的要求,河道內承臺基坑均采用φ1.2 m鋼筋混凝土樁與素混凝土樁間隔布置的咬合樁進行基坑圍護。

3.3 轉體系統

安家莊特大橋采用雙幅單側同向墩頂轉體法施工,左右幅橋轉體角度分別為逆時針25°和24°,由于懸臂較長,懸臂端線速度控制轉體速度,設計轉動角速度為0.008 rad/min,理論轉體作業時間約為55 min。左右幅球鉸的設計豎向承載力分別為1.6×105kN和1.0×105kN,由于橋梁均位于平面曲線上,為使球鉸中心與結構重心重合,將球鉸中心分別向曲線內側偏移了4.65 m和2.70 m。左幅橋轉體系統布置如圖12所示。

圖12 左幅橋轉體系統平面布置(單位:mm)

安家莊特大橋主橋于2023年11月28日成功實現高空轉體精準對位(圖13),成為全球首例墩頂雙幅同步轉體施工的曲線鋼桁梁橋和水平轉體長度最長的橋梁。

圖13 曲線鋼桁梁墩頂轉體

4 結論

安家莊特大橋主橋跨越既有豐沙鐵路、永定河和109國道,建設條件極其復雜,在滿足鐵路營業線施工安全和河道防洪要求的前提下,融合了多項新技術、新結構、新工藝,體現了安全適用、綠色環保、經濟美觀、結構創新的設計理念。

(1)采用曲線鋼桁梁墩頂轉體法施工,突破鋼桁梁不宜采用墩頂轉體施工的技術瓶頸,擴大了連續鋼桁梁橋和墩頂轉體技術的使用范圍,為跨越重要控制節點的大跨度橋梁設計建造提供新的解決方案。

(2)采用大直徑厚壁鋼管混凝土橋墩,能有效降低河道內墩柱截面尺寸以滿足橋墩阻水比的要求,大幅拓寬了鋼管混凝土結構的應用范圍,為跨河橋梁的下部結構提出新的設計思路。

(3)大跨度曲線鋼桁梁構造及受力特性較為復雜,采用BIM正向設計技術,實現了復雜結構信息和設計意圖的精準表達,提高了設計效率,打通“設計→制造→施工”全過程信息傳遞路徑,對推動橋梁智造有重要意義。