跨線橋

概述

高等級公路跨線橋設計是高等級公路設計中的重要組成部分,一個技術先進、經濟節約、功能齊全、佈局合理、橋型優美、景觀協調的跨線橋在高等級公路中起着畫龍點睛的作用。 筆者集多年高等級公路跨線橋設計的體會,並結合西三封閉工程跨線橋的設計,提出個人的認識,請同行們指正。

1 跨線橋樑式體系的合理橋型

1. 1 簡支板橋

簡支板在跨線橋中應用最廣,為靜定結構,相鄰各孔單獨受力。其主要特點是構造簡單、施工方便, 建築高度較小。為減輕自重,一般用空心板,既可以有整體式結構,也可以有裝配式結構。當為整體式結構時,芯模可用紙筒等一次性模扳。無論是整體式板或裝配式板,宜做成帶翼緣且橋面連續。板厚與跨徑之比一般為1 /15～1 /25(西三封閉工程為1 /23)。

1. 2 連續板(梁)橋

連續板(梁)橋不但具有良好的行車條件,同時利用支座上的卸載彎矩來減少跨中彎矩,使橋跨內力分配更趨合理,板(梁)的高度更低,連續板(梁)橋既可採用鋼筋混凝士,也可採用預應力混凝土。整體式連續板可作成變截面,其支點截面厚度約為跨中截面厚度的1. 2～1. 5倍,跨中截面高度可達到距徑的1 /20～1 /35。裝配式板的構造與整體式板相似,只是根據起吊能力在橫向將板劃分為板條, 在縱向也分成若干段,預製時預留接頭鋼筋,安裝就位後聯接接頭鋼筋。連續梁橫截面形式可做成矮T 形截面、矮工字形組合截面和箱形截面。 等截面連續梁的梁高約為跨徑的1 /16～1 /26,西三封閉工程跨線橋為1 /26。變截面連續梁的邊中孔之比可為( 0. 3～0. 8)∶1. 0, 跨中梁高與跨徑之比約為1 /25～1 /35,梁底一般採用曲線。

1. 3 剛架體系

由於橋跨結構和墩台剛性連接,將在主樑端部產生負彎矩,並傳給墩台,因而跨中截面高度比簡支板(梁)、連續梁更小,因此外形尺寸小、纖細、橋下淨空大,視野開闊,很適宜於跨線橋。適合於跨線橋的剛架體系有帶懸臂的門式直腿剛架(多用於開闊地區的人行橋)、斜腿剛架(多用於挖方路段) ,連續剛架等。主樑截面同前述,可做成板、矮T 梁、矮組合梁、箱梁等。主樑在縱向可做成等截面,等高變寬和變高度3種。變高度主樑的底緣形狀可以是曲線型、折線型、曲線加直線等。帶懸臂的門式剛架橋,跨中厚度與跨徑之比一般可取1 /20～1 /35,支點厚度為跨中的1～2倍,懸臂長為中孔跨徑的0. 2～0. 5倍;斜腿剛架橋的邊跨通常為中跨的0. 5倍左右。三跨或多跨連續剛架橋,邊孔一般為中孔的0. 5～0. 7倍左右, 跨中梁高為跨徑的1 /30～1 /40; 採用變截面時,支點梁高為跨中的1. 2～2. 5倍。跨線橋的墩、台位置和形狀要儘量多透空,保證行車有較好的通視條件,並與上部構造相配套。橋墩多用柱式墩、Y 形墩、剛架墩和無蓋梁的梯形墩等。橋台多用無台前溜坡的U 型台、組合式橋台、牆式台、錨杆式橋台等。

2 西三封閉工程跨線橋設計特點

西安至三原一級公路是中國修建較早的高等級公路之一。它是省會西安通往革命聖地延安、人文始祖黃帝陵的通道,是省門第一路。因此跨線橋的設計在考慮適用、經濟、安全的前提下,儘可能根據美學要求,選用輕巧、合理、協調的外形尺寸,使跨線橋具有優美的外形,並與周圍的環境相協調,這在陝西省乃至全國都是較為突出的。

(1)渭河以南跨線橋根據西三公路無中央分隔帶的特點 ,上部結構全部採用剛架體系。互通式立交上部結構採用中跨 32 m,邊跨 22m 的三跨鋼筋混凝土變截面連續剛架形式。 中跨中間部分和邊跨靠橋台部分用空心板; T 構根部採用空心梁 ,跨中板高為跨徑的 1 /32,支點梁高為跨中梁高的 1. 8倍。下部選用雙柱墩、肋板式橋台。分離式立交、農耕橋上部結構採用中跨 26 m、邊跨 14 m的三跨變截面鋼筋混凝土連續剛架。 中跨中間部分和邊跨靠橋台部分選用空心板。 跨中板高為跨徑的1 /33; T構根部空心梁為跨中高度的 1. 75倍。 橋墩選用直徑 1. 2 m 的圓形獨柱墩 ,橋台為板式錨杆橋台或錨杆組合式橋台。渭河南互通立交、分離式立交、農耕橋採用的曲線梁、獨柱墩、豎曲線和纖小的尺寸構成了跨線橋的外形美。

渭河以南人行橋選用跨徑 26 m帶懸臂的門式剛架,橫斷面為箱形等截面,梁高為跨徑的1 /32。懸部分既滿足了搭設橋梯的需要,橋梯又通過懸臂對結構起到了減載的作用,降低了梁高和結構 的方案。的配筋量。

2)渭河以北跨線橋根據西三公路有中央分隔以設墩的特點進行設計。 互通式和分離式立交上部結構分別採用 4孔 16 m和 4孔 14 m 鋼筋混凝土空心板和預應力混凝土空心板 ,下部採用雙柱墩 ,組合式橋台和板式橋台。 農耕橋選用 13. 5+ 2× 14+ 13. 5 m 的四跨先簡支後連續鋼筋混凝土連續剛構 ,主樑採用空心寬腹矮 T 型斷面 ,全斷面只有兩片主樑; 橋墩採用雙柱式 ,柱徑只有 65梁 ,預製主樑直接擱置於柱頂上 ,每根柱承受一片主樑 ,通過現澆梁端混凝土接頭使主樑連續化 ,並將墩梁連成整體。 輕巧、纖細的上、下部結構尺寸和橋上設置的豎曲線構成了橋樑的外表美。 渭河以北人行橋選用兩跨 13 m 帶懸臂的簡支變連續的連續梁 ,橫向為帶翼緣的空心板 ,具有優美的外形。

( 3)西三封閉工程跨線橋充分考慮了既要施工 ,又要保證車輛通行的特點進行設計 ,其設計特點為:渭河南農耕橋、人行橋、分離式立交、互通式立交中間部分梁採用預製吊裝 ,臨時墩支撐 ,兩側 T構墩位利用西三公路硬路肩搭設少量支架現澆的方案。人行橋為了儘可能加大預製段長度 ,減少現澆段長度 ,又能使吊裝就位 ,採用預製吊裝槽形梁 ,吊裝就位後再變成箱形梁的方案。 ^[1] 

1 工程概況

崑山市陸家至正儀一級公路(G312 改線段)在正儀鎮南上跨滬寧高速公路。橋位與高速公路斜交5°。跨路主橋上部結構為(40 +70 +40)m 的三跨預應力連續箱梁,單箱三室變高箱形斷面, 頂面全寬 25 .5m ,底板寬 18 .3 m 。橋樑下部為鑽孔灌注樁基礎,主墩承台分上下兩層 ,墩身為三柱式 。滬寧高速公路是蘇南地區東西向交通主骨架 ,特別是上海至無錫段交通繁忙 , 日交通流量超過50 000輛。為減少橋樑施工對高速公路交通的影響,主橋採用平面轉體施工工藝 。即在高速公路兩側,與高速公路平行搭設支架 ,分段現澆箱梁 ,形成兩個“T” ,然後轉體 85°。在完成邊跨現澆段及體系轉換後 ,掛模現澆中合龍段 ,完成橋樑跨路施工 。轉體部分懸臂長 33 .5 m ,中合龍段長 3 m , 每個“T”的轉體重量為 5 400 t 。

2 主要施工工藝流程

(1)主墩 、邊墩鑽孔灌注樁施工;

(2)承台及轉體體系結構施工 ;

(3)墩身、邊墩蓋梁施工;

(4)箱梁現澆施工;

(5)轉體;

(6)合龍段施工 。

3 轉體體系構造與施工

本橋轉體體系設計為中心支承與環道支承相結,以中心支承為主的平轉體系 。中心支承採用混凝土球缺面鉸, 承受轉動體系主要重量 ,四周的環道控制轉動的穩定。頂推工具為普通千斤頂, 頂推反力座設在下承台上。

3 .1 磨心施工

位於下承台上的混凝土球缺面鉸形象稱之為磨心,本橋磨心直徑為 2 .5m ,曲面半徑為793 .8cm , 球面矢高為 10 cm 。球面的製作精度是轉體施工的關鍵。磨心與下承台是一次澆築完成的 。澆築前 ,按照磨心的半徑和邊高度, 用鋼板製作環形側模 。鋼模頂面各個點的高差不大於±2 mm 。將鋼模定位在承台鋼筋上 , 同時準確預埋軸心鋼柱 。混凝土澆滿後, 用按照磨心球面曲線製作的母線器反覆沿軸心旋轉, 使球面成型, 然後人工收光養生。磨心混凝土達到一定的強度後,在球面作等高線 ,等高線的間距為10 cm , 並在等高線畫點,點的間隔也為10 cm 。用精密水準儀反覆測量等高線上各點的標高, 同一等高線上的各點的標高若不相等 ,人工用砂輪機打磨高的點, 以達到各點的高差不超過 0 .5mm 。

3 .2 磨蓋施工

磨蓋是上承台與磨心接觸的部分。為了減少起吊重量 ,方便施工,磨蓋的尺寸定為3 m ×3 m ×1 m , 其重量為22 .5 t 。磨蓋以磨心為底模進行澆築 。磨心完成後,在其頂面塗 1 層黃油作為隔離層 ,安裝鋼筋,澆築混凝土。混凝土強度達到設計強度 80 % 後 ,用葫蘆吊起。用洗滌劑將磨心和磨蓋的接觸面清洗乾淨,放下磨蓋,進行磨合。

3 .3 磨心、磨蓋的磨合

磨心和磨蓋採用 C60 混凝土 ,其軸心抗壓強度為 32 .5MPa 。以全部轉體重量由磨心支承計算 ,磨心的平均應力 σ=N/ A =11 MPa 。由於材料的塑性及徐變影響,磨心應力只有在加載的初期分佈不均勻,1 周後 ,趨於平均應力。磨心和磨蓋雖經磨合但不可能完全密合 ,實際施工中接觸面一般控制達到 70 %為度(此時平均應力為15 .7MPa <32 .5MPa)磨合的方法經過幾座橋的探索 ,將原來的幹磨法改為水磨法 。即在磨心的周圍砌築水池 ,將磨合面浸在水中。另在磨蓋頂面和鋼軸心套筒頂預埋一進水管 。利用2 台捲揚機(牽引繩保持水平)產生力偶矩,驅使磨蓋轉動。磨蓋與磨心相互磨合時, 水起到良好的潤滑和散熱作用 ,同時磨渣也通過水流帶出 。通常幹磨需 15 d , 水磨只需 3 d , 工作效率大大地提高了,並且磨合的效果也明顯較好。磨合完成的判斷方法:

(1)磨合面手感很光滑 。

(2)磨心磨合面積大於 70 %。

(3)標高測量。在磨蓋的四角設點(依次編號為 :1、2 、3 、4)測其標高 , 旋轉 45°、90°、135°、180°, 分別測各點的標高 。各點標高變化愈小, 説明磨合越好 ,同一等高線上各點的高差越小。每個方向誤差控制小於 5 mm , 後來轉體也將會平穩 ,否則仍需磨合 。本橋19 號墩磨蓋測量結果見表 1 。磨合完成後, 吊起磨蓋, 在磨合面上塗 1 層黃油 ,再將磨蓋放下 ,然後澆築上承台。

3 .4 環道施工

由於箱梁T 構的前後左右重量相對於磨心很難保證平衡, 箱梁轉體的穩定就由環道來控制。環道 為不鏽鋼板和四氟板組成的滑動面 ,其寬度為cm ,上承台全寬設置。設計要求 , 不鏽鋼板和四氟板之間留有 3 mm 的空隙 ,在施工中無法做到, 實際上還是密貼的。儘管後期由於預應力的作用, 不鏽鋼板與四氟板之間並不密貼, 但在轉動過程中環道還是與球鉸一起組成了滑動面。環道的平整度將直接影響頂推力和梁體標高的變化。

具體的施工工藝 :在下承台的頂面預留 2 cm 深環道槽口, 下層鋼板與四氟板的粘貼由專業廠家分塊施工,現場組拼。施工前將槽口清洗乾淨, 用環氧砂漿貼底層鋼板 ,同時用預埋鋼筋固定鋼板, 四氟板的平面高差控制在 ±0 .5 mm , 接縫相對高差為 0 .2am,轉動時前進方向只能為負誤差 。安裝時每塊鋼板測 4 個點 ,逐塊調整 ,直至滿足誤差要求為止。不鏽鋼板位於四氟板之上, 與上層鋼板採用環氧樹脂粘貼, 和上承台澆在一起。其前口應向上捲成圓弧形,防止轉動時刮板 。

4 箱梁施工

墩、梁固結采用常規的硫磺砂漿臨時支座和豎向預應力筋的方法。箱梁現澆施工同常規箱梁施工也沒有區別 。平行於高速公路搭設滿堂支架, 在支架上分段澆築混凝土 , 分段張拉預應力束, 完成 T 構的施工。

5 轉體施工

箱梁的兩個“T” 施工完成後, 準確計算兩邊對磨心的力矩本橋邊跨重 中跨輕 相差 8 547 kN m小於傾覆力矩, 故不需配重)。清除上承台的底模 。本橋採用中心轉體, 將2 台 150 t 的千斤頂水平安放在下承台反力座和上承台之間 ,開動油泵 ,2 台千斤頂對磨心形成力偶, 頂推上承台轉動 , 直至頂推到位。啓動後,為加快頂推速度 ,兩台千斤頂交替頂推上轉盤 。頂推時注意記錄千斤頂的油表讀數, 以判斷頂推是否正常。轉體前用經緯儀放出橋樑的中線和用水準儀測量四角的標高。在轉體的過程中 , 注意觀測四角標高的變化, 及時報告觀測結果, 並控制橋樑的中線,防止轉動過位。轉動到位後,臨時塞緊上下轉盤 。固結上下轉盤後 , 進行合攏段的施工。本橋轉體時間為 6 h ,轉體過程中, 高速公路正常通行。由於上承台的預應力作用, 環道的四氟板與不鏽鋼板並不密貼, 摩擦力主要在磨心上,假設轉體重量全部由磨心支承 ,摩擦力全面積均勻分佈,由T · d =2/3 VμR得T靜 =1 315 kNT動 =553 .8kN式中 , V 為垂直力 ;μ為摩阻係數, 動摩阻取 0 .08 , 靜摩阻取0 .19 ;R 為磨心半徑 ;d 為頂推距離。根據在轉體過程中實際測得的結果, 啓動的頂推力為 1 000 kN ;轉動過程的頂推力為 510 kN , 比計算的結果要小。根據轉動的頂推力和轉體過程標高的變化,表明本橋的轉動體系構造的施工是成功的。

6中合龍段施工

主橋下部結構、箱梁現澆以及轉體施工等過程,對高速公路均無影響, 甚至防撞護欄也可在轉體前施工。中孔合龍段長3 m ,與高速公路的中央分隔帶同寬。合龍段採用掛模施工, 其施工工藝同同類橋樑合龍段的施工沒有區別。本橋中合龍段掛籃的底欄結構高度為 0 .65 m ,跨中處設計淨空為 6 m ,底欄安裝後淨空為 5 .45 m ,滿足高速公路淨空 5 m 的要求 。掛籃安裝和梁體施工期間, 也可以做到不影響高速公路的通行。掛籃拆除採取整體下落的方法 ,選擇車流量較小的清晨 ,將高速公路兩側的超車道臨時封閉 2 h ,既保證不中斷交通, 又確保行車安全 。實踐證明,轉體施工對高速公路影響的確較小。

7 結 語

本座跨線橋轉體施工順利完成 ,結合近年來連續施工的幾座轉體橋, 談談幾點體會 。

(1)保證轉體穩定的結構 。從平衡支腿、四支腿發展到全環道, 經過了幾座橋的實踐探索。實踐證明,平衡支腿不能真正起到穩定的作用,轉體過程中梁體標高變化較大, 有一座橋標高變化達7 cm, 施工精度無法控制。四支腿與全環道的作用和效果相同,但施工很麻煩,過於理想化。全環道對轉體的穩定控制起到較好的效果, 標高的誤差能控制在較小範圍。

(2)採用轉體施工的橋樑結構形式:本橋是連續梁橋轉體,墩身為三柱式,這樣轉體前上承台就成了1 根雙懸臂樑,為防止上承台在上部結構重力作用下開裂, 在上承台7 m×2 m的斷面上就配了80束15 .24 -12 的鋼絞線。轉體完成後,鋼絞線作用不大,經濟上不十分合理。而以前蘇州地區施工的類似結構的轉體橋,多為連續剛構結構, 上承台、牆式墩身、0 號塊連為一體,共同承受抗彎抗剪作用,儘管橋寬與本橋相近,但上承台只需配少量或不需配預應力束。即使為連續梁橋, 墩身形式做些變化,比如採用牆式或變形墩,讓墩身能和上承台一起受力,預應力配束量也可減少。

(3)轉體施工應用前景廣闊。隨着交通基礎設施的建設不斷髮展, 高速公路網和其他路網的不斷加密,跨線橋越來越多。為了儘量減少施工對現有交通的影響,本橋轉體施工的成功,為跨線橋的施工又提供了一個實例,可供今後跨線橋施工參考。 ^[2]