華 波 劉 鑰 董高潮 李 洋 李方濤

(1.中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司 蘭州 730030； 2.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 武漢 430063)

1 工程概況

跨廬山站立交工程位于江西省九江市發(fā)展大道與鐵路走廊帶相交位置，是九江市新建快速路系統(tǒng)工程的重要節(jié)點工程。橋位距離廬山站以南約1.1 km，在鐵路走廊帶185 m范圍內(nèi)依次穿越14股現(xiàn)狀、規(guī)劃預(yù)留線。

前期針對主橋共提出了99 m+244 m+110 m雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋、68 m+102 m+225 m單塔雙索面鋼箱梁斜拉橋、115 m+115 m單塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋、218 m等高度鋼系桿拱橋4個橋型方案。2013年7月中國鐵路總公司運輸局《關(guān)于穿(跨)越高速鐵路營業(yè)線和鄰近工程等方案審查有關(guān)問題的通知》(運工橋隧函[2013]316號)規(guī)定：“當確須采用上跨鐵路方案時，應(yīng)采用上跨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體施工”[1]。為保證施工期間鐵路的運營安全，盡量減少施工及后期橋梁維修對鐵路的干擾，經(jīng)專家評審和鐵路、規(guī)劃等相關(guān)部門討論后，選用雙塔預(yù)應(yīng)力混凝土梁結(jié)構(gòu)，并采用平面轉(zhuǎn)體施工法進行施工[2-3]。主橋采用雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，孔跨布置為99 m+244 m+110 m=543 m，子、母塔轉(zhuǎn)體質(zhì)量分別為3.1萬t和3.4萬t[4]。橋梁總體布置圖見圖1。

圖1 橋梁總體布置圖(單位：m)

2 結(jié)構(gòu)體系比選

在混凝土斜拉橋中，根據(jù)塔柱、主梁和橋墩三者固結(jié)方式的不同，可以組成4種不同的結(jié)構(gòu)體系，即漂浮體系、支承體系、塔梁固結(jié)體系和剛構(gòu)體系[5]。

考慮到本橋上跨鐵路走廊帶，跨徑較大，若采用塔、梁固結(jié)體系，本橋豎向荷載較大，則需要設(shè)置大噸位的支座，以支承上部結(jié)構(gòu)在運營期間產(chǎn)生的巨大支反力，支座噸位難以滿足目前的制造工藝要求，且后期無法更換，故本橋設(shè)計不采用適用于小跨徑斜拉橋的塔梁固結(jié)體系。

考慮到橋址處地震基本烈度為VI度，設(shè)計基本地震動加速度峰值為0.05g，抗震計算不控制設(shè)計，而本橋?qū)儆谥械瓤缍刃崩瓨?，運營工況控制結(jié)構(gòu)計算，故本橋設(shè)計不采用適用于超大跨度斜拉橋的漂浮體系。

考慮到本橋下塔墩高度約20 m，此高度區(qū)間正處于支撐體系與剛構(gòu)體系的交界點。若采用支撐體系，則主梁內(nèi)力在塔頂支承處出現(xiàn)一定的負彎矩峰值，制動力、溫度和收縮徐變時產(chǎn)生較大的水平力，需要能夠承受巨大水平力的特殊支座或其它構(gòu)造措施。對本橋而言，主梁采用支架澆筑后轉(zhuǎn)體施工，轉(zhuǎn)體期間需臨時固結(jié)塔、梁、墩，在剛構(gòu)體系無法實現(xiàn)的情況下可考慮支撐體系。

剛構(gòu)體系的特點是塔、墩、梁固結(jié)，其優(yōu)點是避免大型支座，轉(zhuǎn)體施工時減少了主梁與索塔臨時鎖定構(gòu)造，而且結(jié)構(gòu)的整體剛度很大，使得主梁、塔柱的撓度均較小；但溫度和收縮徐變內(nèi)力較大，且在主梁、塔、墩固結(jié)處負彎矩較大。由于本橋采用超大噸位轉(zhuǎn)體施工，并存在臨近既有鐵路的深基坑，因此在滿足結(jié)構(gòu)受力要求的前提下，從施工的便利性、后期維護等因素出發(fā)優(yōu)先選擇剛構(gòu)體系。

2.1 下塔墩結(jié)構(gòu)形式及尺寸確定

采用剛構(gòu)體系的斜拉橋橋墩通常采用雙薄壁和空心墩截面形式。下文就此2種截面進行結(jié)構(gòu)受力性能對比，下塔墩2種截面結(jié)構(gòu)尺寸布置見圖2。雙薄壁墩和空心墩內(nèi)力比較見表1。

圖2 下塔墩2種截面結(jié)構(gòu)尺寸布置圖(單位：m)

表1 雙薄壁墩和空心墩內(nèi)力比較表

由表1可見，采用空心墩截面的內(nèi)力遠遠大于雙肢薄壁墩截面。經(jīng)分析，剛構(gòu)體系對溫度和收縮徐變效應(yīng)比較敏感，空心墩的剛度比雙肢薄壁墩大，結(jié)構(gòu)彎矩在溫度和收縮徐變下的彎矩遠遠大于雙肢薄壁墩。而雙肢薄壁柔性墩，抗推剛度較小，在一定程度上能夠隨著溫度的變化而伸縮。有效降低溫度、混凝土徐變等引起的次內(nèi)力，從而減小墩身彎矩。雙薄壁截面形式結(jié)構(gòu)內(nèi)力較小，下部結(jié)構(gòu)樁基礎(chǔ)和承臺具有較好的經(jīng)濟性，故推薦采用雙薄壁實心墩。

2.2 雙薄壁墩設(shè)計參數(shù)分析

本次設(shè)計研究了在墩寬(16 m)一定的情況下，雙薄壁采用不同厚度S對下塔墩關(guān)鍵截面內(nèi)力的影響，雙薄壁墩墩身厚度變化對墩底內(nèi)力的影響見表2。

表2 雙薄壁墩墩身厚度變化對墩底內(nèi)力的影響

注：表中的比值均為與塔柱壁厚1.0 m的內(nèi)力比值，彎矩值僅考慮關(guān)鍵因素即恒載和溫度對墩底內(nèi)力的影響。

由表2可知，薄壁敦厚度S變化對雙肢墩底內(nèi)力影響很大，特別是墩底彎矩隨S的增加而急劇增大，當S從1 m增至2 m時，邊跨側(cè)和中跨側(cè)肢墩的墩底彎矩增大約5倍。在結(jié)構(gòu)作用下，雙肢墩底均產(chǎn)生向中跨方向彎曲的彎矩，故邊跨側(cè)肢墩的墩底軸力隨著S的增大而逐漸減小，比值變化范圍為由1減至0.93，而中跨側(cè)肢墩的墩底軸力隨著S的增大而逐漸增大，比值變化范圍為由1增至1.3。

從表2中可以看出軸力變化在S為1.1～1.2 m間出現(xiàn)拐點，當S從1 m增大至1.1 m時，中跨一側(cè)肢墩的墩底軸力大于邊跨一側(cè)的肢墩；當S從1.2 m增大至2.0 m時，中跨一側(cè)肢墩的墩底軸力小于邊跨一側(cè)的肢墩。故取塔柱壁厚S為1.2 m，此時邊跨側(cè)與中跨側(cè)的軸力和彎矩值基本相等。

綜上所述，下塔墩選用雙肢薄壁墩截面，壁厚S=1.2 m，結(jié)合塔柱的縱向尺寸9.0 m，雙肢間距為7.8 m。

3 BIM技術(shù)應(yīng)用

跨廬山站立交工程主橋初步設(shè)計采用BIM正向設(shè)計，為國內(nèi)第一座采用BIM正向設(shè)計的轉(zhuǎn)體斜拉橋。

根據(jù)《中國市政工程設(shè)計行業(yè)BIM指南》，本橋初設(shè)BIM模型滿足橋梁工程模型幾何表達精度等級G2級要求；滿足信息深度等級N2級要求；滿足模型精細度交付等級L2級。橋梁總體布置BIM圖見圖3。

圖3 橋梁總體布置BIM圖

3.1 主梁結(jié)構(gòu)

主梁采用單箱三室大懸臂預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，采用C55混凝土，中心梁高為3.5 m，頂寬42.0 m，設(shè)1.5%雙向橫坡。底寬16.0 m，邊箱箱室寬12.0 m，中箱箱室寬5.0 m，懸臂4.5 m，端部厚20 cm，根部厚70 cm，中腹板厚度0.5 m。中(邊)跨標準節(jié)段主梁頂板厚28 cm，底板厚28(32) cm，中腹板厚50 cm，斜腹板厚28(32) cm。主梁標準斷面布置BIM圖見圖4。

圖4 主梁標準斷面布置BIM圖

為防止主梁在施工中出現(xiàn)裂縫，主梁斷面在頂、底板中均勻配置施工縱向預(yù)應(yīng)力束，邊跨與中跨合龍?zhí)幣渲庙?、底板合龍預(yù)應(yīng)力束，施工預(yù)應(yīng)力鋼束布置BIM圖及邊、中跨合龍預(yù)應(yīng)力鋼束布置BIM圖見圖5～圖7。為減小后期收縮徐變產(chǎn)生的次內(nèi)力，中跨合龍前可以先張拉一批預(yù)應(yīng)力鋼束。

圖5 施工預(yù)應(yīng)力鋼束布置BIM圖

圖6 邊跨合龍預(yù)應(yīng)力鋼束布置BIM圖

圖7 中跨合龍預(yù)應(yīng)力鋼束布置BIM圖

為平衡主跨與邊跨不平衡恒載及活載在此產(chǎn)生的負反力，在臨近端橫梁的邊跨密索區(qū)邊箱室內(nèi)設(shè)置鐵沙混凝土進行壓重，另將2.0 m厚的端橫梁設(shè)計成梯形實體段。

3.2 斜拉索及錨固構(gòu)造

斜拉索采用扇形索面布置，斜拉索安裝時在塔端張拉，主梁端錨固。斜拉索梁上索間距邊跨側(cè)為6.0 m、梁端加密索間距至3.0 m、中跨側(cè)為6.0 m。斜拉索采用7絲Фs15.2熱鍍鋅鋼絞線(fpk=1 860 MPa)。斜拉索采用定型產(chǎn)品，規(guī)格分別為：250A-55，250A-61，250A-73，250A-85，250A-91和250A-109。

3.3 橋塔結(jié)構(gòu)

本涉鐵工程采用不對稱孔跨設(shè)計，橋塔采用獨柱形子母塔。子塔高79 m，橋面以下塔墩高度22 m，橋面以上塔高57 m；母塔高83 m，橋面以下塔墩高度20 m，橋面以上塔高63 m。橋塔采用矩形刻槽截面，上塔柱作為索錨區(qū)采用空心箱形截面，尺寸為9 m×3.8 m，塔身縱橋向刻2道1.5 m長、0.1 m深的槽，采用C60混凝土，下塔墩選用雙肢薄壁墩截面。橋塔及基礎(chǔ)布置BIM圖見圖8。

圖8 橋塔及基礎(chǔ)布置BIM圖

4 穿塔段構(gòu)造處理

梁、塔、墩交接位置處主梁截面縱橋向與主塔截面等長，為9 m；橫橋向與下塔墩截面等寬，為16 m。交接位置區(qū)域共設(shè)3道橫隔梁，橫隔梁縱向間距4.2 m、厚度為0.6 m，中腹板厚度在與塔墩梁固結(jié)實體段相交區(qū)域腹板厚度由0.5 m漸變至1.5 m。塔墩梁固結(jié)段構(gòu)造BIM圖見圖9。梁、塔、墩交接位置處往往受力比較復(fù)雜，作者對穿塔段周圍構(gòu)造進行了實體分析，為了縮減論文的篇幅，本文僅列舉了穿塔段截面和標準截面在恒載工況下實體截面的軸向應(yīng)力情況。恒載工況下穿塔段、標準截面軸向應(yīng)力圖見圖10。

圖9 塔墩梁固結(jié)段構(gòu)造BIM圖

圖10 恒載工況軸向應(yīng)力(單位：MPa)

由圖10可見，標準截面和穿塔段截面在恒載作用下，整個橫截面應(yīng)力分布較為均勻，基本符合平截面假定，傳力較為合理，說明塔墩梁固結(jié)段構(gòu)造處理較為合適。

5 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)比選

5.1 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)方案及原理

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)主要由支撐系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和平衡系統(tǒng)三大部分組成。支撐系統(tǒng)由上、下轉(zhuǎn)盤構(gòu)成，上轉(zhuǎn)盤支承上部轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，下轉(zhuǎn)盤和承臺相連，通過上轉(zhuǎn)盤相對于下轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動，達到轉(zhuǎn)體目的；頂推牽引系統(tǒng)由反力和施力設(shè)備構(gòu)成，提供轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動動力；平衡系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)本身及保證轉(zhuǎn)體平衡的平衡荷載(配重)組成[6-7]。目前，不同轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的支撐系統(tǒng)和平衡系統(tǒng)大體一致。

本文針對牽引系統(tǒng)的不同提出2種方案，方案一為傳統(tǒng)的鋼絞線拽拉式轉(zhuǎn)體系統(tǒng)；方案二為齒輪齒條式驅(qū)動轉(zhuǎn)體系統(tǒng)。方案一、二轉(zhuǎn)體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖11、圖12。

圖11 方案一轉(zhuǎn)體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(單位：cm)

圖12 方案二轉(zhuǎn)體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(單位：cm)

如圖11、12所示，方案一在轉(zhuǎn)盤內(nèi)預(yù)埋牽引索，在承臺上設(shè)置牽引反力座為轉(zhuǎn)體系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)體牽引力和扭矩；方案二通過設(shè)置支撐驅(qū)動系統(tǒng)為整個轉(zhuǎn)體系統(tǒng)提供抗傾覆力矩及轉(zhuǎn)體牽引力。轉(zhuǎn)體時，電機驅(qū)動齒輪旋轉(zhuǎn)，由于齒條固定在滑道上，因此，齒輪旋轉(zhuǎn)的同時帶動減速機架、臺車架、撐腳及上轉(zhuǎn)盤一起旋轉(zhuǎn)，達到轉(zhuǎn)體目的。

5.2 轉(zhuǎn)體系統(tǒng)比選

2種轉(zhuǎn)體系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，比較結(jié)果見表3。

表3 2種轉(zhuǎn)體系統(tǒng)優(yōu)缺點比較表

綜上比較，從施工難易、經(jīng)濟性、施工期間對鐵路運營的影響等因素考慮，推薦采用價格低且技術(shù)成熟的鋼絞線拽拉式轉(zhuǎn)體系統(tǒng)。

5.3 轉(zhuǎn)體體系結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)

主橋采用平面轉(zhuǎn)體施工法跨越既有鐵路，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)(見圖11)設(shè)置在主塔塔柱底部，由轉(zhuǎn)盤、球鉸、撐腳、環(huán)形滑道、牽引系統(tǒng)、助推系統(tǒng)和臨時支撐及鎖定等部分組成[7-8]。

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)采用球面直徑6.0 m、球體半徑10.0 m的鋼球鉸，設(shè)計豎向承載力為3.4×105kN。下轉(zhuǎn)盤設(shè)置轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的下球鉸、環(huán)形下滑道及8組千斤頂反力座。上轉(zhuǎn)盤長16 m、寬17 m、高2.0 m；轉(zhuǎn)臺直徑15.6 m，高度1.1 m。主塔基礎(chǔ)采用八邊形承臺，截面尺寸為24.0 m×29.0 m×5.8 m，外側(cè)設(shè)置6.0 m×6.0 m的倒角。

6 結(jié)語

1) 對主橋進行了體系比選，在滿足結(jié)構(gòu)受力要求的前提下，從施工的便利性、后期維護等因素出發(fā)選擇采用塔、墩、梁固結(jié)的剛構(gòu)體系；對下塔墩截面進行對比分析采用結(jié)構(gòu)受力較小、對下部結(jié)構(gòu)具有較好經(jīng)濟性的雙薄壁實心墩；并對雙薄壁采用不同厚度進行參數(shù)分析，選擇了較優(yōu)的厚度。

2) 主橋初步設(shè)計全程采用BIM正向設(shè)計，是國內(nèi)第一座采用BIM正向設(shè)計的斜拉橋。

3) 對穿塔段構(gòu)造進行了實體分析，結(jié)果表明標準截面和穿塔段截面應(yīng)力分布較為均勻，傳力較為合理，塔墩梁固結(jié)段構(gòu)造處理較為合適。

4) 針對鋼絞線拽拉式與齒輪齒條驅(qū)動式2種轉(zhuǎn)體系統(tǒng)進行對比，從經(jīng)濟性和對既有鐵路運營的影響等因素進行比選，采用鋼絞線拽拉式轉(zhuǎn)體系統(tǒng)。