摘要:北京地鐵五號線第十四、十五標段高架工程中,跨越清河采用了預應力混凝土曲線斜拉橋。施工控制計算采用3DBridge進行,并在空間程序上利用“無應力索長法”控制斜拉橋最終目標狀態(tài)。介紹該橋的設計、計算、施工安裝及主要技術特點。1 概述 北京地鐵五號線為2008年奧運會的配套工程,第十四、十五標段高架工程全長約5km,其中跨越清河的曲線斜拉橋為地鐵五號線的標志性建筑,是世界上首座預應力混凝土軌道交通曲線斜拉橋,其橋式布置見圖1。 清河斜拉橋位于北京地鐵五號線高架工程第十四標段,立水橋至立水橋北區(qū)間,設計里程為K23+242.507K23+452.507,橋長210m。橋面縱坡16,主梁位于平面曲線上,梁上圓曲線長160.981m,緩和曲線長49.019m。曲線要素:R=400m,Ls=300.1247m,=334046.00,T=153.696m,E=18.381m。 清河斜拉橋13號墩位于清河南岸,1416號墩位于清河北岸。跨度布置為(108+66+36)m, 主跨108m,邊跨102m,內設一輔助墩以提高結構的整體剛度。主梁為單箱雙室預應力混凝土結構,主塔為鉆石形結構,斜索為空間的扇形密索體系,梁上索距7m。結構體系為塔、梁固結,邊墩和輔助墩上設縱向滑動支座。主塔墩和邊墩采用鉆孔摩擦樁基礎。2 斜拉橋設計2.1 主要技術標準 (1)設計活載:雙線輕軌荷載。 (2)設計行車速度:80km/h。 (3)路面超高設置:20cm。2.2 主塔設計 主塔為鉆石形結構,塔頂高程+99.909m,塔根高程+33.016m,塔高66.893m。塔柱橫橋向寬2.2m,順橋向寬4.05.029m,中、上塔柱外側設計了1個裝飾槽。為增加橫向剛度,抵抗斜索徑向水平分力,主塔上塔柱間設一箱形三角塊,下部內收為實體構件。上、中塔柱截面順橋向壁厚60cm,橫橋向壁厚100cm,中間三角塊壁厚80cm。下塔柱實體塊根部橫橋向長14m,順橋向寬502.9cm。 主塔錨固區(qū)水平向布置直徑32mm預應力粗鋼筋。 由于斜拉索徑向力的作用,曲線外側塔柱為拉彎構件,曲線內側塔柱為壓彎構件。為解決外側塔柱受拉問題,在曲線外側塔柱布置豎向預應力。豎向預應力布置分為2部分,高程+58.409+80.409m處靠內側塔壁布置8束12-75預應力鋼絞線,高程+31.016+50.909m處靠外側塔壁布置20束12-75預應力鋼絞線,見圖2。 在塔、梁交接處下塔柱頂布置有8束12-75水平預應力鋼絞線。2.3 主梁設計 主梁全長209.90m,其中主跨部分長107.95m,邊跨部分長101.95m,為單箱雙室預應力混凝土結構,上緣寬11.0m,下緣寬5.0m,橫梁間距3.5m,梁高2.6m,為減小活載產生的主梁扭矩,線路中心線向主梁中心線內側偏移20cm,見圖3。 標準段主梁頂板厚25cm,底板厚30cm,斜腹板厚35cm,中腹板厚40cm,兩側斜索錨固懸臂端長100cm,高80cm,橫梁為變寬截面,距中腹板203.3cm范圍寬30cm,然后漸變至端部70cm。 為克服邊跨支座負反力,在36m輔助跨箱內填壓重混凝土,底板增厚至50cm,中腹板加寬至50cm。主梁縱、橫向布置有預應力鋼絞線束。全橋縱向布置18束5-75通長鋼絞線束。主跨底板布置有4類12-75預應力鋼絞線束。邊跨布置有3類12-75預應力鋼絞線束。主梁頂板在端部和支點處都布置12-75預應力鋼絞線束。普通橫梁布置有2根9-75預應力鋼絞線束。2.4 斜拉索設計 斜拉索采用7平行鋼絲斜拉索,標準抗拉強度1670MPa,規(guī)格分別為55、73、85、91、109絲共5種類型,最短斜索29m,最長斜索長113m。全橋共56根,共計104t,冷鑄錨112套。2.5 主塔基礎設計 主塔墩地形復雜,承臺的西北角和東南角各有1根外徑2.2m的供水管通過,在承臺東南角下有1條電纜溝通過,見圖4。為避開西北角供水管道,切去承臺西北角,承臺尺寸23m12.2m4m,切角尺寸12.8m4.8m。樁基礎采用13根直徑1.8m鉆孔摩擦樁,樁長75m,樁基在平面布置上避開電纜槽,見圖5。承臺底至電纜溝頂距離為0.774m?；A施工時在承臺底與電纜溝頂之間應采取隔離措施,防止上部結構反力直接傳至電纜溝。 由于斜拉索徑向力的作用,在恒載作用下,主塔基礎作用有徑向彎矩,本橋主塔基礎重心向曲線內側偏移,與主塔基礎受力吻合。3 靜力計算3.1 空間靜力計算 由于本橋為預應力混凝土曲線斜拉橋,其受力特點表現(xiàn)為復雜的空間受力狀態(tài),不能用傳統(tǒng)的平面桿系程序進行分析計算。本次計算采用中鐵大橋勘測設計院有限公司編制的“橋梁空間分析軟件3DBridge”空間程序進行靜力分析,利用不對稱索力調整主梁的扭矩,使結構在恒載狀態(tài)受力達到最佳。計算中采用的成橋狀態(tài)結構各部位邊界條件見表1。 3.2 主要計算結果 (1)豎向剛度。主跨跨中最大活載時豎向撓度為1/1612,說明結構具有較好的豎向剛度,滿足地鐵設計規(guī)范的要求,保證了大橋建成后輕軌列車行車的舒適性。 (2)側向剛度及扭轉剛度?？缰谢钶d橫向位移最大為0.031mm,最小為-1.725mm,跨中活載扭轉角最大為8.910-5 rad,最小為-3.3910-4 rad。雖然地鐵設計規(guī)范對于橋梁的側向剛度和扭轉剛度沒有明確規(guī)定,但從計算結果可以看出大橋具有很好的側向和抗扭剛度。 (3)恒載狀態(tài)下斜拉索索力、應力見圖6。從圖6可以看出恒載狀態(tài)內外側索力不對稱,通過不對稱索力調整主梁的恒載扭矩。4 靜力穩(wěn)定分析 根據(jù)有限變位理論,并記入塔梁P-效應,對成橋階段空間整體彈性穩(wěn)定性進行分析。結構1階失穩(wěn)時的變形見圖7。結構1階失穩(wěn)表現(xiàn)為主孔主梁彎曲失穩(wěn),穩(wěn)定安全系數(shù)n=24.5,整體穩(wěn)定安全系數(shù)較大。5 斜拉橋施工 本橋主梁采用滿布膺架法施工(圖8),為節(jié)省工期,中、上塔柱與主梁同時進行澆注。斜拉索采用2次張拉,第1次張拉完畢后主梁整體落架,然后進行第2次斜拉索張拉,一恒、二恒索力全部張拉到位,后期橋面鋪裝完成后,無須進行大規(guī)模調索。 施工監(jiān)控計算采用“橋梁空間分析軟件3DBridge”進行,第1次在空間程序上利用“無應力索長法”控制斜拉橋最終目標狀態(tài)。6 本橋技術特點總結 (1)結構幾何關系復雜:由于主梁位于緩和曲線和圓曲線上,主塔為鉆石形,塔、梁、索及空間錨點坐標復雜。 (2)結構受力復雜:由于主梁為曲線形,斜拉索向曲線的圓心方向有一水平徑向分力,整個結構受力為復雜的空間受力狀態(tài)。(3)主塔設計特點:由于徑向力的作用,主塔為空間不對稱受力狀態(tài),曲線外側塔柱為拉彎構件,內側塔柱為壓彎構件。設計時,采取在外側塔柱施加豎向預應力等措施解決受力不對稱問題。 (4)主梁設計特點:主梁承受空間的彎矩、剪力和扭矩作用。設計時,曲線內外側斜索采用不對稱索力,利用內外側索力差來平衡主梁恒載扭矩。另外,軌道中心線向主梁內側偏移以減小活載扭矩。 (5)基礎設計特點:主塔基礎處地形條件復雜,設計時將基礎重心向曲線內側偏移,既滿足了地形要求又與基礎受力相吻合。 (6)靜力計算及施工控制:采用空間程序對斜拉橋進行靜、動力分析,首次將“無應力索長法”運用于空間程序進行現(xiàn)場的施工控制計算,控制斜拉橋安裝的最終目標狀態(tài)。7 結語 經(jīng)過兩年多時間的施工,本橋已于2005年11月上旬完成主體結構的施工,塔、梁、索及錨點空間位置正確,經(jīng)檢測實際成橋狀態(tài)與理論計算吻合。