北京地鐵五號(hào)線曲線斜拉橋設(shè)計(jì).doc

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摘要:北京地鐵五號(hào)線第十四、十五標(biāo)段高架工程中,跨越清河采用了預(yù)應(yīng)力混凝土曲線斜拉橋。施工控制計(jì)算采用3DBridge進(jìn)行,并在空間程序上利用“無應(yīng)力索長法”控制斜拉橋最終目標(biāo)狀態(tài)。介紹該橋的設(shè)計(jì)、計(jì)算、施工安裝及主要技術(shù)特點(diǎn)。 1 概　述 北京地鐵五號(hào)線為2008年奧運(yùn)會(huì)的配套工程,第十四、十五標(biāo)段高架工程全長約5km,其中跨越清河的曲線斜拉橋?yàn)榈罔F五號(hào)線的標(biāo)志性建筑,是世界上首座預(yù)應(yīng)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(hào)線高架工程第十四標(biāo)段,立水橋至立水橋北區(qū)間,設(shè)計(jì)里程為K23+242.507~K23+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,α=3340′46.00″,T=153.696m,E=18.381m。 清河斜拉橋13號(hào)墩位于清河南岸,14~16號(hào)墩位于清河北岸?？缍炔贾脼?108+66+36)m, 主跨108m,邊跨102m,內(nèi)設(shè)一輔助墩以提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。主梁為單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),主塔為鉆石形結(jié)構(gòu),斜索為空間的扇形密索體系,梁上索距7m。結(jié)構(gòu)體系為塔、梁固結(jié),邊墩和輔助墩上設(shè)縱向滑動(dòng)支座。主塔墩和邊墩采用鉆孔摩擦樁基礎(chǔ)。 2 斜拉橋設(shè)計(jì) 2.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) (1)設(shè)計(jì)活載:雙線輕軌荷載。 (2)設(shè)計(jì)行車速度:80km/h。 (3)路面超高設(shè)置:20cm。 2.2 主塔設(shè)計(jì) 主塔為鉆石形結(jié)構(gòu),塔頂高程+99.909m,塔根高程+33.016m,塔高66.893m。塔柱橫橋向?qū)?.2m,順橋向?qū)?.0~5.029m,中、上塔柱外側(cè)設(shè)計(jì)了1個(gè)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(shè)一箱形三角塊,下部內(nèi)收為實(shí)體構(gòu)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(shí)體塊根部橫橋向長14m,順橋向?qū)?02.9cm。 主塔錨固區(qū)水平向布置直徑32mm預(yù)應(yīng)力粗鋼筋。 由于斜拉索徑向力的作用,曲線外側(cè)塔柱為拉彎構(gòu)件,曲線內(nèi)側(cè)塔柱為壓彎構(gòu)件。為解決外側(cè)塔柱受拉問題,在曲線外側(cè)塔柱布置豎向預(yù)應(yīng)力。豎向預(yù)應(yīng)力布置分為2部分,高程+58.409~+80.409m處靠內(nèi)側(cè)塔壁布置8束12-7Ф5預(yù)應(yīng)力鋼絞線,高程+31.016~+50.909m處靠外側(cè)塔壁布置20束12-7Ф5預(yù)應(yīng)力鋼絞線,見圖2。 在塔、梁交接處下塔柱頂布置有8束12-7Ф5水平預(yù)應(yīng)力鋼絞線。 2.3 主梁設(shè)計(jì) 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(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),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(chǎn)生的主梁扭矩,線路中心線向主梁中心線內(nèi)側(cè)偏移20cm,見圖3。 標(biāo)準(zhǔn)段主梁頂板厚25cm,底板厚30cm,斜腹板厚35cm,中腹板厚40cm,兩側(cè)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(fù)反力,在36m輔助跨箱內(nèi)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(yù)應(yīng)力鋼絞線束。全橋縱向布置18束5-7Ф5通長鋼絞線束。主跨底板布置有4類12-7Ф5預(yù)應(yīng)力鋼絞線束。邊跨布置有3類12-7Ф5預(yù)應(yīng)力鋼絞線束。主梁頂板在端部和支點(diǎn)處都布置12-7Ф5預(yù)應(yīng)力鋼絞線束。 普通橫梁布置有2根9-7Ф5預(yù)應(yīng)力鋼絞線束。 2.4 斜拉索設(shè)計(jì) 斜拉索采用Ф7平行鋼絲斜拉索,標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)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(jì)104t,冷鑄錨112套。 2.5 主塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì) 主塔墩地形復(fù)雜,承臺(tái)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(tái)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(tái)西北角,承臺(tái)尺寸23m12.2m4m,切角尺寸12.8m4.8m。樁基礎(chǔ)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(tái)底至電纜溝頂距離為0.774m?；A(chǔ)施工時(shí)在承臺(tái)底與電纜溝頂之間應(yīng)采取隔離措施,防止上部結(jié)構(gòu)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(chǔ)作用有徑向彎矩,本橋主塔基礎(chǔ)重心向曲線內(nèi)側(cè)偏移,與主塔基礎(chǔ)受力吻合。 3 靜力計(jì)算 3.1 空間靜力計(jì)算 由于本橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土曲線斜拉橋,其受力特點(diǎn)表現(xiàn)為復(fù)雜的空間受力狀態(tài),不能用傳統(tǒng)的平面桿系程序進(jìn)行分析計(jì)算。本次計(jì)算采用中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院有限公司編制的“橋梁空間分析軟件3DBridge”空間程序進(jìn)行靜力分析,利用不對(duì)稱索力調(diào)整主梁的扭矩,使結(jié)構(gòu)在恒載狀態(tài)受力達(dá)到最佳。計(jì)算中采用的成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)各部位邊界條件見表1。 3.2 主要計(jì)算結(jié)果 (1)豎向剛度。主跨跨中最大活載時(shí)豎向撓度為1/1612,說明結(jié)構(gòu)具有較好的豎向剛度,滿足地鐵設(shè)計(jì)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(cè)向剛度及扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角最大為8.910-5 rad,最小為-3.3910-4 rad。雖然地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于橋梁的側(cè)向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度沒有明確規(guī)定,但從計(jì)算結(jié)果可以看出大橋具有很好的側(cè)向和抗扭剛度。 (3)恒載狀態(tài)下斜拉索索力、應(yīng)力見圖6。從圖6可以看出恒載狀態(tài)內(nèi)外側(cè)索力不對(duì)稱,通過不對(duì)稱索力調(diào)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-Δ效應(yīng),對(duì)成橋階段空間整體彈性穩(wěn)定性進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)1階失穩(wěn)時(shí)的變形見圖7。結(jié)構(gòu)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(shí)進(jìn)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(jìn)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(jìn)行大規(guī)模調(diào)索。 施工監(jiān)控計(jì)算采用“橋梁空間分析軟件3DBridge”進(jìn)行,第1次在空間程序上利用“無應(yīng)力索長法”控制斜拉橋最終目標(biāo)狀態(tài)。 6 本橋技術(shù)特點(diǎn)總結(jié) (1)結(jié)構(gòu)幾何關(guān)系復(fù)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(diǎn)坐標(biāo)復(fù)雜。 (2)結(jié)構(gòu)受力復(fù)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(gè)結(jié)構(gòu)受力為復(fù)雜的空間受力狀態(tài)。 　　(3)主塔設(shè)計(jì)特點(diǎn):由于徑向力的作用,主塔為空間不對(duì)稱受力狀態(tài),曲線外側(cè)塔柱為拉彎構(gòu)件,內(nèi)側(cè)塔柱為壓彎構(gòu)件。設(shè)計(jì)時(shí),采取在外側(cè)塔柱施加豎向預(yù)應(yīng)力等措施解決受力不對(duì)稱問題。 (4)主梁設(shè)計(jì)特點(diǎn):主梁承受空間的彎矩、剪力和扭矩作用。設(shè)計(jì)時(shí),曲線內(nèi)外側(cè)斜索采用不對(duì)稱索力,利用內(nèi)外側(cè)索力差來平衡主梁恒載扭矩。另外,軌道中心線向主梁內(nèi)側(cè)偏移以減小活載扭矩。 (5)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)特點(diǎn):主塔基礎(chǔ)處地形條件復(fù)雜,設(shè)計(jì)時(shí)將基礎(chǔ)重心向曲線內(nèi)側(cè)偏移,既滿足了地形要求又與基礎(chǔ)受力相吻合。 (6)靜力計(jì)算及施工控制:采用空間程序?qū)π崩瓨蜻M(jìn)行靜、動(dòng)力分析,首次將“無應(yīng)力索長法”運(yùn)用于空間程序進(jìn)行現(xiàn)場的施工控制計(jì)算,控制斜拉橋安裝的最終目標(biāo)狀態(tài)。 7 結(jié)　語 經(jīng)過兩年多時(shí)間的施工,本橋已于2005年11月上旬完成主體結(jié)構(gòu)的施工,塔、梁、索及錨點(diǎn)空間位置正確,經(jīng)檢測實(shí)際成橋狀態(tài)與理論計(jì)算吻合。