墩顶转体法施工的大跨度曲线钢桁梁桥总体设计及创新
——以国道109新线高速公路安家庄特大桥主桥设计为例

李艳明，徐升桥，彭岚平，李 辉

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055; 2.中国中铁桥梁专业研发中心-桥梁标准设计分中心,北京 100055)

引言

钢材的强度高、材质均匀、塑性及韧性良好,因此钢结构桥梁具有跨越能力大、适合工业化制造、便于运输、安装速度快、易于修复和更换等诸多优点,随着钢材加工制造水平的提高,钢结构桥梁得到日益广泛的应用。

钢桁梁桥由主要承受轴向力的桁架杆件组成,结构自重较轻,具有较大的刚度和跨越能力,广泛应用于大跨度及超大跨度桥梁中。钢桁梁桥一般采用支架拼装、悬拼和顶推施工方案,当受到铁路运营安全、河道洪评、施工安全、桥址地形、环评等各种施工条件限制时,转体法施工也是较合理的施工方案。古城湾特大桥上跨京包铁路主桥[1-2]和上海金山铁路春申特大桥[3]分别为1-132 m和1-96 m简支钢桁梁桥,均采用设滑道进行转体的施工方法;廊坊光明道上跨京沪高铁、京沪铁路立交桥主桥[4-5]为(118+268+118) m上加劲连续钢桁梁,采用带辅助滑道简支体系非对称转体施工方案;芜湖市轨道交通2号线跨越扁担河及芜宣高速公路桥[6]为(52+80+52) m连续钢桁轨道梁,采用非对称墩底转体的施工方案。

钢桁梁桥多为直线布置,在跨度较小、线路曲线半径较大的情况下,通常采取桥面加宽、以直代曲的做法解决曲线布置问题,布置于小曲线半径线路上的大跨度曲线钢桁梁桥较少见。林织铁路纳界河桥主桥[7]采用跨度352 m上承式钢桁提篮拱桥,结构在横向和竖向均为曲线钢桁架,采用节段吊装法施工;延崇高速砖楼特大桥主桥[8]为曲线上承式拱形变高钢桁组合连续梁结构,跨径布置为(65+120+65) m,采用悬臂拼装法施工;福州道庆洲大桥第5联位于平曲线上,采用2×84 m以折代曲连续钢桁结合梁[9],采用悬臂拼装法施工。目前采用墩顶转体法施工[10-11]的大跨度曲线钢桁梁桥相关工程实例较少,因而有必要对此进行深入研究,为钢桁梁结构增加一种可供选择的施工方案。

桥梁跨越有行洪或通航要求的河道,桥墩阻水比、雍水高度、通航净宽等都有较严格的限值,采用大直径厚壁钢管混凝土桥墩[12-15]可有效减小桥墩截面尺寸,降低对行洪、通航的影响,且钢管既是受力构件又可兼做桥墩外模、提高了施工效率,是一种值得探索的桥墩发展方向,因而有必要进一步对钢管混凝土桥墩进行研究。

本文依托国道109新线高速公路安家庄特大桥主桥工程,总结了大跨度曲线钢桁梁桥墩顶转体法施工、BIM正向设计及大直径厚壁钢管混凝土桥墩等多项技术创新点,可为今后同类工程的设计和建造提供借鉴,具有一定的推广应用价值。

1 工程概况

1.1 工程简介

国道109新线高速公路(西六环路—市界段)工程位于北京市门头沟区,设计起点位于西六环路军庄立交,终点在市界与张涿高速公路相接,路线全长约65.5 km。全线设计速度为80 km/h,安家庄特大桥所处西六环路至斋堂段为标准六车道断面,宽度为33 m。

安家庄特大桥主桥为全线的控制性重点工程,桥梁起于丰沙铁路北侧、黄台隧道出口,分幅依次跨越丰沙铁路、永定河及现状G109国道,左右幅分别位于半径1 600 m和1 500 m的圆曲线上。道路设计高程比现状地面高约48 m,距丰沙铁路轨面高约38.7 m。桥址处永定河常水位河面宽度15～18 m,水深约1.0 m。桥址现状及线路示意如图1所示。

图1 桥址现状及路线示意

1.2 工程建设条件

本工程整体位于受永定河侵蚀堆积作用形成的山间河谷地貌单元内,该段河谷整体呈相对宽阔的“U”形谷,两侧山体陡峭。

桥位位于永定河河床、漫滩部位,地层自上而下依次分布有卵石层、漂石层、强风化安山岩和中风化安山岩,基岩埋深变化较大。

桥位处为永定河山峡段,现况河道为天然河道,100年和300年一遇设计水位分别为215.14 m和216.87 m,对应的洪峰流量分别为5 300,7 050 m3/s。

安家庄特大桥与丰沙铁路交叉处位于安家庄站范围内,交角约为30°。既有丰沙铁路为四线电气化铁路,接触网采用软横跨悬吊。

1.3 主要技术标准

(1)设计荷载:公路-Ⅰ级;跨越铁路部分的桥梁结构按公路-Ⅰ级荷载提高30%计算。

(2)道路等级:高速公路。

(3)设计行车速度:80 km/h。

(4)桥梁标准横断面:单幅桥宽16.2 m。

(5)防洪标准:特大桥设计洪水频率为1/300。

(6)通航标准:无通航要求。

(7)地震:基本地震动峰值加速度为0.20g,抗震设防烈度为Ⅷ度,抗震设防类别为A类。

2 主桥总体设计

国道109新线高速公路工程安家庄特大桥主桥受桥址地形条件、道路平纵线形、丰沙铁路运营安全、河道洪评、环评及现状109国道等各方面控制因素的影响,设计方案需要解决多项技术难点。结合桥梁施工方案、结构类型、桥跨布置等共拟定了20余种设计方案,在最大限度减小对丰沙铁路运营安全、永定河行洪的影响,同时满足抗震、抗风和景观要求的前提下,将大跨度曲线钢桁梁桥与墩顶转体法施工相结合,创新提出了墩顶转体法施工的大跨度曲线钢桁梁桥[16-18]设计方案:左右幅主桥分别为(248.95+248.95) m钢桁斜拉桥和(171.95+171+75.25) m连续钢桁梁桥,采用双幅单侧同向墩顶转体法施工,转体长度分别为(248+248) m和(171+171) m,河道内的桥墩均采用大直径钢管混凝土桥墩[19]。

2.1 桥梁孔跨布置

永定河为一级水源保护区,根据洪评和环评要求,不能在现状天然河道的主河槽内设置桥墩,也不能永久改移天然河道;而现状丰沙铁路为干线,线间距较小,不具备在线间设置桥墩的条件,且桥墩基础也不能侵入到路基边坡范围内。

根据国铁集团工电部48号文[20]的要求,上跨铁路桥梁施工应优先采用转体施工方案,但现状丰沙铁路北侧由于山体陡峭,大型施工机械进场困难,不具备在铁路北侧实施转体施工的条件。为满足上跨铁路桥梁转体施工的要求,桥梁孔跨布置方案将左右幅转体主墩均布置在丰沙铁路和永定河主河槽南侧,采用双幅单侧同向墩顶转体法施工,左右幅分别逆时针转体25°和24°。转体前平面示意布置如图2所示。

图2 转体前平面示意

2.2 桥式方案选择

本桥位于北京市门头沟山区内,地震烈度高,山间瞬时风大且风向多变;桥梁位于圆曲线范围内;现状109国道沿线路况较差,难以运输大型超重构件;根据洪评要求,施工期临时设施也不能长期占用主河槽。基于上述因素,设计对钢桁梁、钢箱梁和混凝土梁结构桥式方案进行了比较,比选结果如表1所示。

表1 桥式方案比选

考虑到钢桁梁结构自重轻、透风性能好,结构受力能够满足抗震、抗风及转体施工要求,且便于运输和安装,桥梁施工不长期占用主河槽,对河道汛期行洪影响较小,也不需要对现状河道进行扩挖改造,故主桥上部结构采用钢桁梁结构,左右幅分别采用(248.95+248.95) m钢桁斜拉桥和(171.95+171+75.25) m连续钢桁梁的设计方案。左右幅桥立面分别如图3、图4所示。

图3 左幅桥立面(单位:m)

图4 右幅桥立面(单位:m)

2.3 水中墩结构选择

根据防洪评价报告和北京市相关河道管理规定的要求,河道内桥墩的阻水比应不大于5%。

为减小主桥水中墩的阻水比,通过优化设计,河道内的墩柱均采用截面尺寸较小的钢管混凝土结构,转体主墩L3、R4号墩的墩柱直径分别为φ4.0 m和φ3.0 m。墩柱最大直径采用φ4.0 m,是在满足受力要求的前提下,根据现状道路的运输条件确定的。如图5所示。

图5 钢管混凝土墩

由于墩柱截面尺寸相对较小,为增加桥墩的横向刚度,改善桥墩的横向受力性能,左右幅主桥中墩和大里程边墩通过盖梁横向连在一起,形成π形墩和M形墩;为提高桥梁结构的纵向刚度,改善桥墩的纵向受力性能,设计采用双固定墩的结构形式,左右幅桥在L3、L4号墩和R4、R5号墩均设置了固定支座及横向活动支座。

2.4 景观设计

从结构受力、墩顶转体和景观设计的角度考虑,左右幅主梁均采用下变高钢桁梁结构,左幅桥由于跨度较大,增设了桥塔和斜拉索形成斜拉桥结构。左右两幅风格相异却又错落有致的大桥屹立山间,气势恢宏、苍劲挺拔,曲线梁体与桥塔造型相得益彰,更显线条刚柔并济,白色外观色泽明快,与周围山光水景完美融合。全桥效果图如图6所示。

图6 效果图(鸟瞰)

2.5 环保设计

项目位于永定河一级水源保护区,设计方案对环境的保护主要采取如下措施。

(1)采用大跨度桥梁跨越永定河,不在主河槽内设置桥墩,将工程建设对水源保护区的影响降至最低。

(2)为避免污染水源,主桥设置由不锈钢复合钢板[21]制成的开放式桥面雨水收集系统,将桥面雨水集中排放至沉淀池及蒸发池。这种开放式桥面雨水收集系统可有效避免常规排水管堵塞、冻涨、破裂、老化等一系列问题,大幅降低漏水概率且易于清理维护。

(3)为减少现场施工和养护维修过程中对水源保护区的影响,钢结构防腐涂装采用长效防腐体系[22],同时要求第二道面漆也在工厂内完成涂装。

3 主桥结构设计

3.1 上部结构

3.1.1 左幅桥

左幅桥平面位于R=1 600 m圆曲线段,立面位于-0.464%的单向下坡路段,主桥采用(248.95+248.95) m双主桁下变高钢桁斜拉桥[23-24],塔梁固结。考虑2%的桥面横坡,曲线内外侧主桁桁高分别为8.0～15.0 m和8.3～15.3 m,主桁顺桥向共计42个节间,设计线处标准节间长11.8 m,主桁中心距19.0 m。弦杆平面线形“以折代曲”,下弦杆在节点中心弯折,上弦杆在杆件中点弯折。桥面系[25]采用正交异性钢桥面板,钢桥面板板厚14 mm,纵向采用U形加劲肋和板式加劲肋。左幅标准横断面如图7所示。

图7 左幅标准横断面(单位:mm)

在主墩支点处的两片主桁上布置桥塔,桥塔采用钢箱结构,塔梁固结,钢塔竖直,主塔顺桥向立面布置为“人”字形,横断面布置为半椭圆形,塔高70 m,每侧主塔布置9对拉索。斜拉索用镀锌平行钢丝拉索,空间双索面体系,扇形布置,均在梁端张拉,塔端锚固。桥塔横桥向立面如图8所示。

图8 桥塔横桥向立面(单位:m)

3.1.2 右幅桥

右幅桥平面位于R=1 500 m圆曲线段,立面位于-0.464%的单向下坡路段,主桥采用(171.95+171+75.25) m双主桁下变高连续钢桁梁结构。考虑2%的桥面横坡,曲线内外侧主桁桁高分别为8.0～15.0 m和8.27～15.27 m,主桁顺桥向共计36个节间,设计线处标准节间长11.4,12.4 m和12.3 m,主桁中心距为13.5 m。弦杆平面线形“以折代曲”,下弦杆在节点中心弯折,上弦杆在杆件中点弯折。桥面系[25]采用正交异性钢桥面板,钢桥面板板厚14 mm,纵向采用U形加劲肋和板式加劲肋。右幅标准横断面如图9所示。

图9 右幅标准横断面(单位:mm)

3.1.3 曲线钢桁梁设计技术难点

曲线钢桁梁较少见,其构造异常复杂,杆件空间定位困难,曲线效应使内外侧主桁受力差异明显,设计难度极大,主要体现在以下方面。

(1)全桥位于圆曲线上,曲线内、外侧主桁节间长度不同。

(2)在桥面形成2%的横向排水坡,曲线内、外侧主桁上弦杆高程不同。

(3)为实现桥梁的“以折代曲”,需要对整体节点进行弯折处理,并应避免对竖杆安装造成影响。

(4)联结系多为空间构造。

(5)转体施工临时杆件与主桁结构连接接口构造复杂。

为准确表达曲线钢桁梁复杂的构造细节和空间定位,本桥采用BIM正向设计思路,探索出“设计→建模→成图”一体化的设计流程,开发出自动化建模功能和智能化出图系统,高效率、高质量完成了全部设计工作。

3.2 主墩下部结构及基础

3.2.1 主墩钢盖梁

转体主墩L3、R4号墩通过设置钢盖梁形成π形墩,盖梁总长60.0 m,两墩柱间距37.849 m。盖梁采用变高截面,跨中截面高5.5 m,左幅桥墩顶支点截面高8.0 m,右幅桥墩顶支点截面高7.0 m;盖梁宽度7.0 m,其上设置中墩永久支座、转体球铰、牵引反力座、防落梁挡块等设施。钢盖梁采用单箱三室截面,为便于安装和运输,钢梁分段制造,工地焊接。主墩横桥向立面如图10所示。

图10 主墩横桥向立面(单位:mm)

3.2.2 钢管混凝土桥墩

为减小桥墩的阻水比,L3、R4号墩均采用钢管混凝土桥墩,钢管采用Q500MD钢材、管内灌注C60补偿收缩混凝土,直径分别为φ4.0 m和φ3.0 m,钢管壁厚70～90 mm,在钢管内壁沿径向设置12道竖向加劲肋。为避免锈蚀,百年设计水位以下墩柱钢管采用单面不锈钢复合钢板,采用4 mm厚316L不锈钢+90 mm厚Q500MD钢材。钢管混凝土桥墩横断面如图11所示。

图11 钢管混凝土桥墩横断面(单位:mm)

3.2.3 主墩基础设计

主墩位于永定河河床、漫滩部位,地层主要分布有卵石、漂石,透水性较好,且邻近丰沙铁路路基边坡,需要考虑基坑开挖支护的安全性。原定采用沉井基础能较好地解决上述技术问题,但详勘报告显示左右幅主墩处基岩埋深变化较大,采用沉井基础施工难度较大[26],最终仍采用群桩基础方案。根据基岩埋深情况,左幅L3号墩采用20根φ2.0 m钻孔灌注桩,按摩擦桩设计;右幅R4号墩采用11根φ2.0 m钻孔灌注桩,按嵌岩桩设计。

根据洪评报告要求,主墩承台顶应设置在局部冲刷线以下,则L3、R4号墩承台底埋深分别为11.2 m和9.8 m,为保证铁路运输安全和基坑止水的要求,河道内承台基坑均采用φ1.2 m钢筋混凝土桩与素混凝土桩间隔布置的咬合桩进行基坑围护。

3.3 转体系统

安家庄特大桥采用双幅单侧同向墩顶转体法施工,左右幅桥转体角度分别为逆时针25°和24°,由于悬臂较长,悬臂端线速度控制转体速度,设计转动角速度为0.008 rad/min,理论转体作业时间约为55 min。左右幅球铰的设计竖向承载力分别为1.6×105kN和1.0×105kN,由于桥梁均位于平面曲线上,为使球铰中心与结构重心重合,将球铰中心分别向曲线内侧偏移了4.65 m和2.70 m。左幅桥转体系统布置如图12所示。

图12 左幅桥转体系统平面布置(单位:mm)

安家庄特大桥主桥于2023年11月28日成功实现高空转体精准对位(图13),成为全球首例墩顶双幅同步转体施工的曲线钢桁梁桥和水平转体长度最长的桥梁。

图13 曲线钢桁梁墩顶转体

4 结论

安家庄特大桥主桥跨越既有丰沙铁路、永定河和109国道,建设条件极其复杂,在满足铁路营业线施工安全和河道防洪要求的前提下,融合了多项新技术、新结构、新工艺,体现了安全适用、绿色环保、经济美观、结构创新的设计理念。

(1)采用曲线钢桁梁墩顶转体法施工,突破钢桁梁不宜采用墩顶转体施工的技术瓶颈,扩大了连续钢桁梁桥和墩顶转体技术的使用范围,为跨越重要控制节点的大跨度桥梁设计建造提供新的解决方案。

(2)采用大直径厚壁钢管混凝土桥墩,能有效降低河道内墩柱截面尺寸以满足桥墩阻水比的要求,大幅拓宽了钢管混凝土结构的应用范围,为跨河桥梁的下部结构提出新的设计思路。

(3)大跨度曲线钢桁梁构造及受力特性较为复杂,采用BIM正向设计技术,实现了复杂结构信息和设计意图的精准表达,提高了设计效率,打通“设计→制造→施工”全过程信息传递路径,对推动桥梁智造有重要意义。