城市軌道交通影響下的橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計
城市軌道交通影響下的橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計
摘 要:文章以上海市綠科路新建工程為例,運用橋梁博士軟件分析了城市橋梁與城市軌道交通(本文指地下鐵道,英譯Metro)線位平行時的橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化,并探討了橋梁基礎(chǔ)與盾構(gòu)施工的建設(shè)時序以及相應(yīng)的保護(hù)措施。
關(guān)鍵詞:下部結(jié)構(gòu);盾構(gòu);預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁;差異沉降;鉛芯橡膠支座
中圖分類號:U448 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1006-8937(2015)08-0015-02
隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,北京、上海、廣州等一線城市的城市軌道交通線路陸續(xù)開始建設(shè)并投入運營。按照線路架設(shè)方式,城市軌道交通分地下、高架和地面三種形式,地下軌道交通(下文簡稱“地鐵”)通常采用盾構(gòu)施工,隧道結(jié)構(gòu)保護(hù)和附加荷載控制嚴(yán)格。在城市橋梁與地鐵線位平行的條件下,如何對橋梁下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計并處理好橋梁基礎(chǔ)與隧道結(jié)構(gòu)不同建設(shè)時序下的保護(hù)措施,是橋梁工程師們正在面對的難題。本文將對此類條件下的某城市橋梁的總體布置作簡要闡述,并著重對下部結(jié)構(gòu)建模進(jìn)行分析、比較,提出橋梁施工期間的保護(hù)要點。
1 工程建設(shè)條件
上海市綠科路(南洋涇路-羅山路)為城市次干路,雙向四車道,紅線寬度34 m,道路在樁號K0+694處跨越先生浜河,河道規(guī)劃藍(lán)線寬度21 m,需新建過河橋梁一座。根據(jù)工程可行性研究報告,新建橋梁跨徑組合(8+16+8) m,橋位與規(guī)劃地鐵13號線線位重合。橋梁與地鐵線位位置平面如圖1所示。
依據(jù)地鐵13號線施工圖設(shè)計資料,橋位處隧道分上行、下行線,隧道采用盾構(gòu)施工工藝,外緣直徑6.8 m,凈距約17.5 m,隧道與橋面中心線平面距離約1.1 m,隧道位于地面以下15~25 m。
初步設(shè)計階段經(jīng)征詢地鐵設(shè)計單位,明確隧道與樁基凈距要求:新建橋梁樁基與隧道外緣凈距≤3.0 m。因此,隧道兩側(cè)橋梁樁基橫橋向凈距≥12.8 m(=3.0+6.8+3.0 m),兩孔隧道間樁基橫橋向布置寬度約11.5 m,詳平面圖。依據(jù)工程建設(shè)條件的限制,橋梁應(yīng)合理布置樁位,采用較大橫橋向跨度的橋墩結(jié)構(gòu),同時做好對橋梁下部結(jié)構(gòu)的保護(hù)措施。
2 橋墩初選方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計
根據(jù)上海地區(qū)的建設(shè)經(jīng)驗,中小跨徑梁橋的上部結(jié)構(gòu)一般采用預(yù)制混凝土空心板梁,其建筑高度低,設(shè)計、施工經(jīng)驗成熟,質(zhì)量有保障。
空心板梁設(shè)計汽車荷載:城-B級,16 m跨梁高82 cm、8 m跨梁高52 cm。
2.1 橋墩方案初選
具有較大橫橋向跨徑的橋墩結(jié)構(gòu)中,常見的為門墩式混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)。
混凝土結(jié)構(gòu):采用預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁,一般為倒“T”形截面,張拉橫向預(yù)應(yīng)力形成豎向抗彎體系。
鋼結(jié)構(gòu):橫梁、立柱采用鋼構(gòu)件,一般為型鋼組合截面,通過焊接形成框架。
近年來,預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁在高架橋梁中應(yīng)用較多,其設(shè)計和施工均比較成熟,一般采用滿堂支架現(xiàn)澆,分批張拉預(yù)應(yīng)力;鋼結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高強,適用跨度較大,可工廠預(yù)制、現(xiàn)場焊接,但單位造價較高,作為橋墩結(jié)構(gòu),其用鋼量較大,浦東地區(qū)同類工程應(yīng)用很少?;诘貐^(qū)適用性和造價考慮,橋墩采用門墩式混凝土結(jié)構(gòu)。
2.2 橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.2.1 橫橋向總體布置
根據(jù)橋梁與地鐵線位的相對位置以及隧道保護(hù)凈距要求,總體布置中中立柱承臺與橋面中心線的水平距離為1.073 m,橋墩蓋梁端部設(shè)置邊立柱與承臺,蓋梁中部設(shè)置雙立柱與承臺。
2.2.2 截面尺寸、材料
預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁采用倒“T”形截面,寬2.8 m(含牛腿各寬0.9 m),截面最大高度1.97 m,蓋梁橫坡通過截面高度變化形成;立柱截面2×1.5 m;承臺厚度2 m;樁基直徑0.8 m。
材料:蓋梁為C50混凝土;鋼絞線采用(1×7-15.20-1860-
GB/T 5224-2003)國家標(biāo)準(zhǔn),每9根編束;立柱、承臺(含樁基)分別采用C40、C30混凝土,普通鋼筋采用HRB400。
2.2.3 模型計算分析
根據(jù)中、邊立柱與蓋梁的聯(lián)結(jié)方式、蓋梁是否設(shè)置沉降縫,將蓋梁分為三種結(jié)構(gòu):墩梁全固結(jié);中墩固結(jié)邊墩釋放;墩梁固結(jié)蓋梁設(shè)縫。
依據(jù)邊界條件分別建立“橋梁博士”模型進(jìn)行橫橋向結(jié)構(gòu)分析計算,根據(jù)承載能力、正常使用極限狀態(tài)下的驗算結(jié)果,確定橋墩合理的結(jié)構(gòu)形式??紤]橋梁使用和所處I類環(huán)境的要求,橋墩蓋梁按A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計。
?、俣樟喝探Y(jié)條件下的結(jié)構(gòu)分析
橋墩立柱均與蓋梁固結(jié),蓋梁邊跨高比(l/h)=8.1,立柱與蓋梁節(jié)點傳遞軸力、剪力、彎矩,蓋梁受彎時立柱將分?jǐn)偛糠謴澗兀⒅鶛M橋向的線剛度(EI/l)以控制柱頂水平位移?駐x時截面內(nèi)力為目的進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)橋面及承臺頂標(biāo)高計算,立柱高Hz=2.603 m。蓋梁、立柱線剛度計算如下:
蓋梁:■;
立柱:■。
兩者線剛度之比0.32,因此蓋梁橫橋向應(yīng)按三跨連續(xù)剛構(gòu)計算。立柱高度Hz對計算結(jié)果影響較大,在施工條件允許時,應(yīng)盡量降低承臺頂標(biāo)高,以改善蓋梁內(nèi)力。限于篇幅,本文中計算模型單元劃分和建立予以省略。
計算模型中樁基按照橫向抗彎模量EI等效的原則,將雙排樁(樁徑d)等效為單根直徑dr的樁基(dr=■)。
經(jīng)初算,預(yù)應(yīng)力鋼束分三行三列布置,兩端張拉,在蓋梁端部錨固。施工階段劃分:立柱及下部基礎(chǔ)施工,蓋梁鋼筋、波紋管、混凝土施工,養(yǎng)護(hù)28 d;張拉第一批鋼束,架梁,鉸縫施工;張拉第二批鋼束,橋面鋪裝施工;成橋10 a;其中,一期、二期恒載、活載按階段輸入。
依據(jù)(JTG D62-2004)相關(guān)條文,對預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行調(diào)束,優(yōu)化各單元截面內(nèi)力后,結(jié)果見表1。
表注:1.表中數(shù)值前帶“+”表示截面受壓,“-”表示截面受拉;中、邊立柱的內(nèi)緣均指橋墩中心線側(cè);
2.?滓st、?滓lt為在荷載短期、長期效應(yīng)組合下構(gòu)件抗裂驗算邊緣混凝土的法向拉應(yīng)力;?滓pc為扣除全部預(yù)應(yīng)力損失后的預(yù)加力在構(gòu)件抗裂驗算邊緣產(chǎn)生的混凝土預(yù)壓應(yīng)力;?滓tp為由荷載短期效應(yīng)組合和預(yù)加力產(chǎn)生的混凝土主拉應(yīng)力。
根據(jù)計算結(jié)果,結(jié)構(gòu)體系對升、降溫,混凝土收縮、徐變,柱頂水平位移,基礎(chǔ)差異沉降等作用較為敏感,立柱單側(cè)鋼筋配筋率0.3%時,邊立柱頂部的柱身裂縫寬度不滿足規(guī)范要求,各組合下蓋梁截面應(yīng)力滿足規(guī)范要求。
②中墩固結(jié)、邊墩釋放條件下的結(jié)構(gòu)分析
橋墩中立柱與蓋梁固結(jié),邊立柱頂面設(shè)置單向活動支座,允許該支點處蓋梁有橫橋向水平位移和轉(zhuǎn)角位移,但縱橋向位移予以約束,避免中立柱在水平面內(nèi)扭轉(zhuǎn)變形。邊立柱與蓋梁節(jié)點僅傳遞豎向軸力、縱橋向水平剪力,僅中立柱分?jǐn)偵w梁的彎矩。
除節(jié)點約束外,模型Ⅱ與模型Ⅰ相同,調(diào)束并優(yōu)化截面內(nèi)力后,結(jié)果見表2。
根據(jù)計算結(jié)果,邊立柱與蓋梁節(jié)點的轉(zhuǎn)角、水平位移約束釋放后,升、降溫,混凝土收縮、徐變等引起的邊立柱附近蓋梁彎矩減小,中立柱附近蓋梁支點負(fù)彎矩、跨中正彎矩有所增加;與模型Ⅰ相比,短期效應(yīng)組合立柱頂?shù)淖畲笏郊袅υ鲋? 350 kN,柱頂柱身最大彎矩增至2 360 kN·m,立柱底柱身彎矩變化較小,約2 700 kN·m;承載能力極限狀態(tài)下邊立柱頂面最大支座反力為2 260 kN。
綜合分析,中立柱柱身最大彎矩變化較小,柱頂水平剪力增幅較大,宜加強柱頂箍筋,減小箍筋間距。立柱單側(cè)鋼筋配筋率0.3%時,能較好控制柱身裂縫;各組合下蓋梁截面應(yīng)力滿足規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)受力狀況合理。
?、鄱樟汗探Y(jié)、蓋梁設(shè)縫條件下的結(jié)構(gòu)分析
模型I蓋梁未設(shè)沉降縫,結(jié)構(gòu)對預(yù)應(yīng)力張拉、升、降溫、差異沉降等較為敏感,模型Ⅲ在中立柱間設(shè)置沉降縫后,蓋梁結(jié)構(gòu)上分為兩幅。通過在沉降縫處蓋梁端部預(yù)埋固定端錨具,邊立柱處蓋梁端部單端張拉形成預(yù)應(yīng)力體系。該結(jié)構(gòu)降低了超靜定次數(shù),為優(yōu)化設(shè)計創(chuàng)造了條件。
模型Ⅲ中單元、荷載、邊界條件與模型I基本相同,在設(shè)置沉降縫的節(jié)點處將左、右單元隔離,預(yù)應(yīng)力鋼束在兩幅橋墩結(jié)構(gòu)中分別布置,經(jīng)過試算和調(diào)束,優(yōu)化截面內(nèi)力后,計算結(jié)果見表3。
根據(jù)計算結(jié)果,立柱單側(cè)鋼筋配筋率0.3%時中立柱底部內(nèi)緣柱身裂縫寬度不滿足規(guī)范要求,各組合下蓋梁截面應(yīng)力滿足規(guī)范要求。
?、軜蚨战Y(jié)構(gòu)選擇及優(yōu)化
根據(jù)分析結(jié)果,三種結(jié)構(gòu)特性如下:
墩梁全固結(jié):升、降溫,混凝土收縮、徐變,水平位移,基礎(chǔ)差異沉降等作用對結(jié)構(gòu)影響明顯,立柱裂縫寬度Wfk是結(jié)構(gòu)設(shè)計主控因素。
中墩固結(jié)、邊墩釋放:蓋梁截面應(yīng)力、立柱裂縫寬度Wfk滿足規(guī)范要求,中、邊立柱受力合理,蓋梁、立柱截面可優(yōu)化。
墩梁固結(jié)、蓋梁設(shè)縫:結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)較低,中立柱裂縫是結(jié)構(gòu)設(shè)計主控因素;差異沉降時沉降縫附近橋面鋪裝易縱向開裂。
綜合分析,選用結(jié)構(gòu)Ⅱ作為新建橋墩結(jié)構(gòu);邊立柱頂面設(shè)置隔震力學(xué)性能、耐久性好的鉛芯橡膠支座。
3 建設(shè)時序與施工保護(hù)
新建橋梁應(yīng)按照地鐵隧道盾構(gòu)和橋梁下部結(jié)構(gòu)的施工時序確定合理的施工組織方案,在保證施工質(zhì)量、運營安全、結(jié)構(gòu)耐久的前提下,對盾構(gòu)和橋梁下部結(jié)構(gòu)施工先后的兩種工況作簡要分析,提出合理的建議。
3.1 地鐵盾構(gòu)→地面橋梁
隧道盾構(gòu)完工后,施工橋梁樁基礎(chǔ)??紤]適用性和無擠土效應(yīng),上海地區(qū)橋梁樁基常選用鉆孔灌注樁,需要注意的是施工中鉆孔及泥漿循環(huán)容易對樁身附近土層產(chǎn)生擾動,局部土體內(nèi)力重分布,有可能引起隧道結(jié)構(gòu)變形、裂縫或滲水等不良后果。因此需要在隧道結(jié)構(gòu)上安裝監(jiān)測裝置,目的是在樁基及下部結(jié)構(gòu)施工時對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測。
盾構(gòu)附近的鉆孔樁一定樁身長度范圍內(nèi)推薦設(shè)置鋼護(hù)筒,避免樁基施工對隧道結(jié)構(gòu)的不利影響,該段樁基側(cè)摩阻力不計入樁基承載力。應(yīng)注意樁基定位精度,并在盾構(gòu)附近四列縱橋向樁基內(nèi)設(shè)置測斜管,實時監(jiān)測樁身傾斜度。
施工時原地面的土體開挖或堆載將對下方隧道結(jié)構(gòu)帶來附加荷載,應(yīng)避免在地鐵上方原地面進(jìn)行卸、堆載,承臺開挖時應(yīng)采取有效的等載措施。
3.2 地面橋梁→地鐵盾構(gòu)
本工況中盾構(gòu)在橋梁下部結(jié)構(gòu)完工后進(jìn)行,橋梁按照隧道保護(hù)距離要求布置樁位,預(yù)留盾構(gòu)空間,鉆孔灌注樁樁身應(yīng)安裝監(jiān)測裝置。地鐵盾構(gòu)施工中應(yīng)加強對橋梁下部結(jié)構(gòu)的保護(hù),控制盾構(gòu)推進(jìn)速度,尤其注意邊墩樁基礎(chǔ)的樁身狀況監(jiān)測,避免土壓力變化造成樁基樁身強度破壞或土體擾動帶來樁基沉降。
4 結(jié) 語
?、俦疚耐ㄟ^建立平面桿系模型,比較分析了受地鐵盾構(gòu)施工影響下的三種橋墩結(jié)構(gòu)形式,推薦了中墩固結(jié)、邊墩釋放的合理橋墩結(jié)構(gòu),并提出了施工期間的保護(hù)措施,希望為同類型橋梁的設(shè)計提供借鑒。
②在墩梁完全固結(jié)的情況下,橋墩結(jié)構(gòu)受整體升、降溫,混凝土收縮、徐變,基礎(chǔ)差異沉降的影響明顯,應(yīng)引起橋梁設(shè)計人員的重視。
③本文是基于預(yù)應(yīng)力混凝土橋墩蓋梁進(jìn)行的結(jié)構(gòu)分析,橋墩采用鋼構(gòu)件時如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計還有待于進(jìn)一步研究。