天津快速路南仓道铁路股道半环预应力混凝土分幅斜拉桥设计

天津快速路南仓道铁路股道半环预应力混凝土分幅斜拉桥设计

1预应力混凝土分幅斜拉桥天津市快速路南仓路铁路东街交叉口是位于市中心快速道路西北半环处的一个交通综合体，通过南部交通垃圾站。该桥横跨52条铁路线路，包括位于南京港的铁路站、京山线、南北曹条桥、车站预备线、京津城际铁路和景上海快速路。其中，主桥采用水平桥和双横混凝土的斜带，全长300米，半径150m。采用刚建系统，在主脚手架上固定塔梁，其余左右振幅分离（见图1）。该桥斜拉索采用扇形布置,梁上索距为6m,桥塔每侧布置21对斜拉索,全桥84对共计168根斜拉索。每幅桥主梁采用预应力混凝土双主梁截面,2个边主梁为单箱单室结构,主梁顶面宽22.45m,顶面单向1.5%横坡(见图2)。主梁施工分段包括0号段、1号段、2~21号标准段、23号边跨直线段、22号合龙段。其中0号段长19.5m,1号段长6m(梁高2.5~3.5m渐变),采用支架现浇施工,并作为挂篮拼装平台;2~21号段分段长度均为6m,采用挂篮悬浇施工;23号边跨直线段长12m,采用支架法现浇施工;合龙段长2m,采用吊架法施工。2牵索梁的设计难点(1)主梁标准块段纵向长6m,梁面宽22.5m,块段重量达280t,为保证节段施工纵、横向变形协调,挂篮整体刚度要求很大;加上安全防护,挂篮重量与块段重量比值将大于0.55,混凝土浇注过程中需要张拉2或3次拉索,以控制挂篮变形和主梁应力。(2)斜拉索采用扇形空间布置,牵索横桥向及顺桥向投影角度变化大,起始块段牵索穿越箱梁底板,每个节段梁端锚固点投影延长到挂篮锚固端处的位置、角度不断变化,使挂篮主纵梁弧形首及牵索设施设计较为困难。(3)按照常规设计,抗剪设施与牵索前后对应,拉索水平力可直接通过主纵梁传递至抗剪装置,本桥拉索梁端锚固块位于箱梁翼缘,因拉索角度变化导致锚固块在高度上有变化,在此纵向位置通过主纵梁将拉索水平分力直接传递到抗剪装置上设计难度大。(4)按照常规设计,牵索挂篮通过悬臂板外挂刚性吊钩可实现挂篮的下落提升以及走行,本桥由于主梁左右幅分离,左右幅梁的间距只有40cm,无法采用刚性吊钩。(5)桥位处混凝土箱梁底板距离铁路既有高压线很近,牵索挂篮梁高和整体升降高度受到限制,混凝土箱梁中间底板走行前后无法采取整体滑移升降方式。3挂篮施工概况挂篮主要结构由承重系统(挂篮底平台)、升降系统、锚固系统、水平抗剪系统、走行系统、模板系统等组成。挂篮各项参数如下:(1)挂篮总重量152.3t。其中挂篮承重系统重118t;模板重25t;挂篮底防护重9.3t。(2)挂篮结构尺寸:长度18.1m;宽度22.5m;高度1.7m。(3)挂篮施工高度2.4~2.7m(满足50cm以上的绝缘距离要求)。(4)挂篮新制钢构件均为Q235钢材;辅助纵梁采用贝雷梁,材料种类为Q345;所有精轧螺纹钢均采用930级。3.1空间受力体系在兼顾力学性、工艺性、经济性的总体思路下,挂篮承重系统采用钢箱梁空间整体式底平台(见图3)。该平台通过4组纵梁、3组横梁、前后交叉腹杆组成空间受力体系,既保证挂篮的纵横向刚度、节段纵横向线形,又解决挂篮限高要求。平台结构中除普通纵梁为型钢外,其余均为加劲钢箱梁,各梁段采用ϕ27普通螺栓拼接。由于拉索位于两侧的主纵梁前端,抗剪装置根据桥梁的结构形式,布置在箱梁的直腹板下,该位置对应挂篮的次纵梁上,因此底平台的设计必须按照空间结构体系进行计算(见图4)。3.2中内吊挂系统挂篮升降系统由挂篮前吊挂系统和中内吊挂系统等组成,在已施工完梁顶对应次纵梁位置设置辅助纵梁(由贝雷梁组成),辅助纵梁前端安放前吊挂系统,该系统主要由100t千斤顶及精轧螺纹钢、分配梁等组成(见图5)。中内吊挂系统安装在已施工完梁段上,主要由400t千斤顶、精轧螺纹钢、分配梁等组成。通过2个前吊挂和2个中内吊挂的千斤顶4点同步下降和提升完成挂篮的升降作业。3.3后吊挂系统装置挂篮锚固系统由牵索锚固结构、中内(外)吊杆、后吊挂锚固系统及剪力块组成(见图6)。牵索锚固系统由新制成品索、张拉杆、连接头、张拉螺母、锚固螺母(材料40Cr)、垫块及卸载千斤顶组成,作用在主纵梁的弧形首上;中内吊杆与挂篮升降系统的中内吊挂系统为同一装置,作用在挂篮次纵梁中部,中外吊挂吊杆,作用在挂篮主纵梁上;后吊挂锚固系统主要是防止牵索张拉过程中挂篮出现转动,后吊挂锚固系统采用精轧螺纹钢作为吊杆,作用在挂篮次纵梁尾部;剪力块布置在次纵梁中部,主要承担拉索的水平向分力。中内吊杆由4根精轧螺纹钢组成,中外、后吊挂锚固系统均由2根精轧螺纹钢组成,剪力块为钢结构。3.4次纵梁块的设置水平抗剪系统由水平抗剪挡块、梁体预埋钢盒(见图7)组成,用以平衡由牵索产生的水平力。水平抗剪块为钢结构,设置在次纵梁的中部,对应在已浇主梁的腹板下。由于抗剪挡块嵌入主梁混凝土内,且水平力较大,为防止混凝土局部应力偏大导致压碎破坏,采用梁体预埋钢盒并与梁体钢筋焊接进行加固,钢盒尺寸比抗剪挡块稍大,待抗剪挡块嵌进钢盒内,用斜钢板对后、侧三面进行填塞,防止抗剪挡块在钢盒内晃动。3.5辅助纵梁与梁顶连接该挂篮走行系统无法采用常规牵索挂篮刚性吊钩形式,采取梁顶辅助纵梁前吊挂框系统及后走行吊挂框组合型的柔性结构(见图8)。走行系统设2组梁顶辅助纵梁,每组纵梁由3排贝雷梁组成,2组纵梁在前端设置平联。在梁顶辅助纵梁上设置梁顶前吊挂框,并通过精轧螺纹钢吊杆(与升降系统前吊挂系统为同一结构)与挂篮次纵梁前端联结,通过牵引前吊挂框在辅助纵梁上滑移带动挂篮前端前移;后吊挂框为一焊接钢结构方形框,将次纵梁框住,挂篮走行前通过精轧螺纹钢将后吊挂框锚固在已浇注块段梁底,挂篮走行时挂篮次纵梁在吊挂框内移动,实现挂篮的走行。3.6钢结构设计及结构优化由于该桥斜拉索采用扇形空间布置,每个节段梁端锚固点投影延长到挂篮锚固端处的位置、角度不断变化,相当于各节段施工的锚固点在挂篮前端主纵梁投影上是一个球面,加工这种球面钢结构费用极高;现场挂篮移动就位中一旦有稍许误差,将直接影响锚固点受力方向,并有可能导致锚固点张拉杆、螺母断裂而出现重大事故。为解决此项难题,在设计中将该球面简化为2个曲面(即竖向曲面、横向曲面)进行结构设计(见图9),竖向曲面上设置主纵梁竖向弧形首,并采取在弧形首中间开槽孔加横向分配梁的形式解决锚固点空间位置变化问题;通过调节横向分配梁下斜向钢垫板解决横向曲面变化问题;根据全桥的拉索变化角度,共设计了高差分别为20,16,10,5,2,1mm规格的斜向钢垫板。4梁顶辅助下的弹性走行结构,保证了挂篮底平台高度天津市快速路南仓道铁东路立交主桥为双塔连体四索面预应力混凝土分幅斜拉桥,其幅间净距小,梁下净空低,采用了有限元计算程序对钢箱梁底平台进行空间结构设计,有效降低了挂篮底平台总体高度,保证了施工作业空间;应用梁顶