超宽框架桥顶进施工设计.pdf

·桥涵工程· 收稿日期：２０１６ ０３ ０５ 超宽框架桥顶进施工设计 庞元志 （中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 １０２６００） 摘 要 以国内最大单体顶进框架桥—天堂河（北京段）新机场改线下穿京九铁路工程为例，详细介绍下穿既有铁 路的工程的设计方案，通过空间有限元模型进行超宽框架桥仿真分析指导施工图设计，同时根据以往超宽顶桥工 程中常见的病害及施工风险，设计过程中采取有效措施减小了裂缝通病，解决了超宽框架桥不均匀顶力、不均匀沉 降、顶力过大、接触网上桥、应力复杂的问题。考虑本项目规模大，结构为多次超静定，应力复杂，首次在顶进框架 桥中采用了应力监测系统，并与计算值进行了对比，监测结果与理论计算趋势基本一致。 关键词 超宽框架桥 顶进施工 下穿既有线 仿真分析 裂缝控制 应力监测 中图分类号 Ｕ４４９．５２ 文献标识码 Ａ 文章编号 １００９ ４５３９ （２０１６）增１ ００２２ ０３ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｕｌｔｒａｗｉｄｅ Ｆｒａｍｅ Ｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｄｅｒｐａｓｓｉｎｇ Ｅｘｉｓｔｉｎｇ Ｒａｉｌｗａｙ Ｐａｎｇ Ｙｕａｎｚｈｉ （Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｆｉｆｔｈ Ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２６００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｓｔ ｓｉｎｇｌｅ ｊａｃｋｉｎｇ ｆｒａｍｅ ｂｒｉｄｇｅＰａｒａｄｉｓｅ Ｒｉｖｅｒ Ｎｅｗ Ａｉｒｐｏｒｔ Ｌｉｎｅ （Ｂｅｉｊｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ）ｕｎｄｅｒｐａｓｓｉｎｇ ＢｅｉｊｉｎｇＫｏｗｌｏｏｎ Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｐｒｏｊｅｃｔ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｕｎｄｅｒｐａｓｓｉｎｇ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｒａｉｌｗａｙ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ．Ｕｌｔｒａｗｉｄｅ ｆｒａｍｅ ｂｒｉｄｇｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｇｕｉｄｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｄｒａｗｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｄｉｓｅａｓｅｓ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｒｉｓｋｓ ｉｎ ｐｒｅｖｉｏｕｓ ｅｎｇｉｎｅｅｒ ｉｎｇ ｏｆ ｕｌｔｒａｗｉｄｅ ｊａｃｋｉｎｇ ｂｒｉｄｇｅ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｔａｋｅｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｃｏｍｍｏｎ ｃｒａｃｋ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｕｌｄ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｕｎｅｖｅｎ ｊａｃｋｉｎｇ ｆｏｒｃｅ，ｕｎｅｖｅｎ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ，ｏｖｅｒｌａｒｇｅ ｊａｃｋｉｎｇ ｆｏｒｃｅ，ｏｖｅｒｈｅａｄ ｃｏｎｔａｃｔ ｌｉｎｅ ｏｎ ｂｒｉｄｇｅ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｕｌｔｒａ ｗｉｄｅ ｆｒａｍｅ ｂｒｉｄｇｅ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｉｎｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｅ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｘ，ｓｔｒｅｓｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｆｉｒｓｔｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｊａｃｋｉｎｇ ｆｒａｍｅ ｂｒｉｄｇｅ，ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｃａｌｃｕ ｌａｔｅｄ ｖａｌｕｅ，ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｔｒｅｎｄ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｕｌｔｒａｗｉｄｅ ｆｒａｍｅ ｂｒｉｄｇｅ；ｊａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｕｎｄｅｒｐａｓｓｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｒａｉｌｗａｙ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｃｒａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｔｒｅｓｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ １ 概述 天堂河（北京段）新机场改线下穿京九铁路工 程位于北京市大兴区。由于现状新天堂河自西向 东横穿北京新机场规划用地，新机场建设将占压现 状新天堂河部分河道，因此需要对其进行改道。改 道后的新天堂河与京九铁路相交，交角８６°。桥梁 采用５ ～１６ ｍ 顶进连体框架桥的形式。既有京九铁 路为双线电气化铁路，另外，根据铁路规划，既有京 九铁路西侧和东侧分别预留增建一条铁路疏解线 的条件，线间距为５．３ ｍ。远期桥位处铁路为四线 格局，框架桥顺河道方向总长度３３．１８ ｍ，沿铁路方 向总宽度达８５．６ ｍ，截止目前，该桥梁为国内最大 单体顶进框架桥。 ２ 设计控制因素 （１）京九铁路是国家繁忙干线铁路，行车密度 大，为保证铁路运输的安全畅通，施工期间必须对 铁路进行安全可靠的线路加固［１］。 （２）本项目框架桥宽度总宽８５．６ ｍ，为目前国内 最宽，不均匀顶力对框架结构受力影响明显，设计需采 ２２ 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１６（增１ ） ·桥涵工程· 用仿真分析软件，模拟不均匀顶力施工工况的影响。 （３）本项目为排水框架桥，设计中需充分考虑 顶进框架桥裂缝通病的因素，采取有效措施尽量控 制或减小框架桥裂缝［２ －３］。 （４）桥梁规模大，设计中必须采取措施，减小顶 进阻力，减小纠偏，降低施工难度，缩短工期并降低 工程造价［４］。 ３ 设计方案 ３．１ 结构形式 结构采用５ ～１６ ｍ 框架桥，顶板顶距京九铁路下 行线钢轨底最小０．８ ｍ，最大０．８７ ｍ，结构总高度 ９．４ ｍ，结构净高７．１ ｍ，顶板厚１．０ ｍ，底板厚１．３ ｍ，边 墙厚为１．０ ｍ，中墙厚为０．９ ｍ，框架桥总宽为８５．６ ｍ。 框架桥内套Ｕ 型槽。正断面图如图１ 所示。 图１ 框架桥正断面图 框架桥主体结构前端刃角长５．０ ｍ，后端尾墙 长３．５ ｍ。尾墙侧人行道悬臂板长度２．０ ｍ。框架 桥顶进就位后，需对刃角、底板进行补齐。框架桥 全长为３３．１８ ｍ。立面图如图２ 所示。 图２ 框架桥立面图 ３．２ 施工方法 京九铁路采用纵横梁体系加固，框架桥采用铁 路安保区外预制，顶进法施工，工作坑采用放坡开 挖，框架桥顶进行程为４６．９ ｍ［５ －６］。最大顶力达到 ２６ ３８７．２ ｔ，单位最大顶力为２９５ ｔ／ｍ，后背采用钢筋 混凝土后背梁和Ｃ２５ 钢筋混凝土后背桩组成的后 背体系，为保证后背有足够的强度，后背梁后设置 钢筋混凝土后背钻孔桩，后背桩直径１．５ ｍ，长度 １８ ｍ，间距１．８ ｍ，共计７０ 根，上设高１．０ ｍ 宽 １．５ ｍ冠梁。根据现场地质情况后背桩成孔采用旋 挖钻机施工。 ３．３ 框架桥主体受力计算 本项目除具备一般框架桥的问题外，由于其自 身结构特点，还具有以下问题：跨度较多，结构受力 复杂，容易出现环裂，顶进过程中顶力不均匀及地 基不均匀沉降的作用效果大。因此采用ＭＩＤＡＳ 有 限元软件建空间模型分析，见图３，对主体结构的施 工、运营各阶段各荷载作用下的结构受力变形情况 作了比较全面的分析。结论如下： 图３ Ｍｉｄａｓ 有限元恒载及活载工况下受力模型 （１）对于顶板跨中位置，拉应力主要由弯矩产 生的，贡献荷载从大到小主要为：列车荷载、升温温 度梯度、恒载、降温温度梯度，对于直接作用其上的 荷载，顶板横向作用比较明显。 （２）底板跨中位置及底板边中墙下部位置，拉 应力近一半为轴拉力产生的，由于降温、收缩徐变 等效应，在局部区域出现了较大的拉力。弯矩值影 响较大的荷载为恒载及列车荷载。 （３）边墙位于顶底板之间，因此某些区域表现 出了顶板受力特性，某些区域表现出了底板受力特 性，中墙受力相对较小。 根据截面高度及受力情况，对顶底板及边墙进行 配筋。考虑施工方便等因素，完成了最终截面配筋。 ４ 设计重点及难点 ４．１ 裂缝控制 考虑本工程为排水框架桥的特点，需严格控制框 架桥裂缝。框架桥环裂产生的原因较多，最主要的为 温度及收缩，设计中采取以下措施进行预防［７］。 （１）参考既有竣工框架桥裂缝实例及有关资料， 发现桥体纵向构造配筋不足是框架桥裂缝产生的一 个主要内在原因［８］。因此，从设计角度，加强了纵向 构造配筋，由１６＠１２５ 加密为１８＠１００ 钢筋。 （２）原材料选用高标号、低水化热、较小干缩性 的粉煤灰硅酸盐水泥。同时适当增加微膨胀剂，以 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１６（增１ ） ２３ ·桥涵工程· 部分补偿混凝土收缩，改善骨料级配，尽量提高粗 骨料用量，选用无反应性和吸水性小的骨料［９］。 （３）从施工角度，对粗骨料预冷降温，以降低混 凝土的入模温度，纵向分段浇筑，分段长度不大于 １５ ｍ。混凝土浇筑采用分层浇筑，厚度不大于５０ ｃｍ， 便于及时散热。混凝土浇筑完毕后，及时覆盖养 护［１０］。采用长时间养护，规定合理的拆模时间，做 好保湿保温处理，混凝土内外温差不超过２５ ℃。 ４．２ 不均匀沉降及不均匀顶力 结构总宽过大，设计中需考虑施工影响，加强 结构设计。 （１）结构总宽过大，设计中需充分考虑地基变 形影响［５］。 框架桥顶进前，对设计位置处桥基底以下３ ｍ 采用注浆加固，提高地基承载力，同时增加滑板跟 进以尽量减少地基不均匀沉降发生的可能性。同 时，地基不均匀沉降影响按照不均匀地基系数进行 计算模拟。根据计算结果将结构底板厚度由１．１ ｍ 增加为１．３ ｍ。 （２）结构总宽过大，设计中需充分考虑不均匀 顶力的影响［６］。 经与施工单位沟通，考虑不均匀顶力为总顶力 ２６ ３８７．２ ｔ 的１０％。设计中采用Ｍｉｄａｓ 软件模拟，底 板跨中处出现局部拉应力如图４ 所示，表明底板深度 ２ ｍ 范围内需要加强配筋。结合既有结构配筋情况， 底板内２ ｍ 范围内钢筋需新增不小于３０ 根２８，可 在底板内布置３ 排，每排１０ 根，顶板不需加强。 图４ 模拟１０％不均匀顶力（５３ ｔ／ｍ） ４．３ 线路加固 在顶进框架桥施工过程中为确保行车及施工 安全需对既有铁路进行线路加固，由３５３ 扣吊轨 梁和横抬纵挑法布置的工字钢纵横梁以及路基防 护桩、支撑桩、抗横移桩及顶梁组成线路加固系统 进行加固。 线路加固采用３５３ 扣吊轨和工字钢横抬纵挑 布置的方法，吊轨采用Ｐ５０ 钢轨，钢轨接头需错开 １．０ ｍ以上，吊轨与其下面的枕木用２２Ｕ 型螺栓和 角钢联结夹紧。横梁采用４０ｂ 工字钢，采用间隔式 抽穿，横梁平均间距０．９ ｍ，顶进过程中最大容许悬 空长度３．０ ｍ。纵梁采用４５ｂ 工字钢，双根一束布 置，位于线路两侧２．１ ｍ 处，置于横梁上，用２２Ｕ 型螺栓与横梁连接。为防止线路横移，顶板预制时 在尾部每隔３ ｍ设置拉环，采用倒链与线路加固系 统联系在一起，随顶进随拉紧倒链，桥外设地锚拉 紧线路［１１］。 由于框架桥总宽８６ ｍ，线路加固长度达到１２５ ｍ， 为目前国内纵横梁体系最长的，纵梁过长，在刚度上大 大折减，实施过程中，纵梁由两根一束４５ｂ 工字钢改为 三根一束４５ｂ 工字钢。并在纵横梁体系上布设监测 点，施工过程中，对纵横梁体系的变形进行监测。 ４．４ 接触网临时过渡 由于框架桥总宽度８５．６ ｍ，接触网最大跨度为 ６０ ｍ，无法避免接触网上桥，设计中考虑顶桥期间， 接触网临时放到线路加固横梁上，线路加固横梁需 要加强设计，采用３ 根４０ｂ 工字钢一束作为接触网 基础。顶进完成后，把接触网放到桥上。 ４．５ 触变泥浆减阻 本桥顶进重量较大，同时由于总宽过大，为了减 少顶进纠偏引起的内力增大，本项目在框架桥底板上 预留注浆孔，可采用触变泥浆注浆，减小摩擦力。需 在底板前端１０ ｍ 布设注浆孔，预留注浆孔间距约 ５ ｍ，梅花形布置，框架桥顶进就位后，注浆孔用水泥 浆填充，水泥浆抗压强度不小于３５ ＭＰａ，注浆孔顶部 ５ ｃｍ 深度范围内采用聚氨酯密封膏封闭［１２］。 ４．６ 应力监控 由于本桥总宽度８５．６ ｍ，为国内首例，结构受 力复杂，施工难度大，裂缝控制难，因此，框架桥中 首次引进应力监测。监测结论如下： （１）排架主体监测值，框架桥顶底板应力值变 化趋势基本一致，逐渐增大，但在末期出现了较大 的反复，这是由于框架桥应变片位置顶过了铁路荷 载影响范围所致，与计算结果基本一致。 （２）底板应力监测值，底板不均匀沉降影响很 小，底板应力值基本是稳定变化的。最大值出现的 位置在铁路路基以外，这是由于在铁路两侧路基相对 （下转第２８ 页） ２４ 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１６（增１ ） ·桥涵工程· 焊接整体节点拼装前，计算和标示出整体节点吊装 重心位置以便吊装，并应对其栓（焊）接接头杆件外 形、尺寸等进行全面检查，以保证顺利拼装。 ４ 结论 （１）根据工况合理简化了１１２ ｍ 钢桁梁浮托架设 的临时支架及滑道计算模型，经检算满足现场实际。 （２）通过地基加固、支架受力分析及控制方法， 对临时墩以及基础进行检算，并采取相应工程措 施，从而保证了临时支架及滑道达到了钢桁梁拼装 及浮拖施工要求。 参考文献 ［１］ 王明慧，姚发海．新白沙沱长江特大桥跨既有线钢桁 梁施工方案比选［Ｊ］．桥梁建设，２０１４（６）：７ －１１． ［２］ 方国开．赵寨颍河双线特大桥１２８ ｍ 钢桁梁架设浮墩 设计［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１２（Ｓ１）：１ －４． ［３］ 黄胜，王朝阳，胡小勇，等．钢桁梁斜拉桥液压顶推 滑移关键技术［Ｊ］．施工技术，２０１２（６）：６ －１０． ［４］ 辛双六．铁路９６ ｍ 双线钢桁架梁顶推施工技术［Ｊ］． 铁道建筑技术，２０１１（３）：６９ －７３． ［５］ 刘文武，张志才，范君晋．晋豫鲁铁路通道跨京广线钢 桁梁拖拉法施工技术［Ｊ］．铁道建筑，２０１４（９）：２１ －２３． ［６］ 张剑啸．宁安铁路安庆长江大桥三桁钢桁梁架设施工 技术［Ｊ］．铁道标准设计，２０１３（５）：５３ －５６． ［７］ 靳春尚，王殿永，刘康，等．粉房湾长江大桥钢桁梁支 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