城市軌道交通影響下的橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
城市軌道交通影響下的橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要：文章以上海市綠科路新建工程為例，運(yùn)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(shí)的橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并探討了橋梁基礎(chǔ)與盾構(gòu)施工的建設(shè)時(shí)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(hào)：U448 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(yùn)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(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并處理好橋梁基礎(chǔ)與隧道結(jié)構(gòu)不同建設(shè)時(shí)序下的保護(hù)措施，是橋梁工程師們正在面對(duì)的難題。本文將對(duì)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(duì)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(diǎn)。
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(hào)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(bào)告，新建橋梁跨徑組合(8+16+8) m，橋位與規(guī)劃地鐵13號(hào)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(hào)線施工圖設(shè)計(jì)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(jì)階段經(jīng)征詢地鐵設(shè)計(jì)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(shí)做好對(duì)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(jì)
根據(jù)上海地區(qū)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，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(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)成熟，質(zhì)量有保障。
空心板梁設(shè)計(jì)汽車荷載：城-B級(jí)，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(jì)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(qiáng)，適用跨度較大，可工廠預(yù)制、現(xiàn)場焊接，但單位造價(jià)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(jià)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(jì)
2.2.1 橫橋向總體布置
根據(jù)橋梁與地鐵線位的相對(duì)位置以及隧道保護(hù)凈距要求，總體布置中中立柱承臺(tái)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(tái)，蓋梁中部設(shè)置雙立柱與承臺(tái)。
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(tái)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(tái)(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(jì)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(jì)算，根據(jù)承載能力、正常使用極限狀態(tài)下的驗(yàn)算結(jié)果，確定橋墩合理的結(jié)構(gòu)形式。考慮橋梁使用和所處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(jì)。
?、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(diǎn)傳遞軸力、剪力、彎矩，蓋梁受彎時(shí)立柱將分?jǐn)偛糠謴澗?，立柱橫橋向的線剛度(EI/l)以控制柱頂水平位移?駐x時(shí)截面內(nèi)力為目的進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)橋面及承臺(tái)頂標(biāo)高計(jì)算，立柱高Hz=2.603 m。蓋梁、立柱線剛度計(jì)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(jì)算。立柱高度Hz對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，在施工條件允許時(shí)，應(yīng)盡量降低承臺(tái)頂標(biāo)高，以改善蓋梁內(nèi)力。限于篇幅，本文中計(jì)算模型單元?jiǎng)澐趾徒⒂枰允÷浴?/p>
計(jì)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(duì)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(yàn)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(yàn)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(jì)算結(jié)果，結(jié)構(gòu)體系對(duì)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(shí)，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(dòng)支座，允許該支點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jì)算結(jié)果，邊立柱與蓋梁節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(qiáng)柱頂箍筋，減小箍筋間距。立柱單側(cè)鋼筋配筋率0.3%時(shí)，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(duì)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(jì)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(diǎn)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(jì)算結(jié)果見表3。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，立柱單側(cè)鋼筋配筋率0.3%時(shí)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(duì)結(jié)構(gòu)影響明顯，立柱裂縫寬度Wfk是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)主控因素;差異沉降時(shí)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(shí)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(shí)序確定合理的施工組織方案，在保證施工質(zhì)量、運(yùn)營安全、結(jié)構(gòu)耐久的前提下，對(duì)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(duì)樁身附近土層產(chǎn)生擾動(dòng)，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(cè)裝置，目的是在樁基及下部結(jié)構(gòu)施工時(shí)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
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(duì)隧道結(jié)構(gòu)的不利影響，該段樁基側(cè)摩阻力不計(jì)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(cè)斜管，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樁身傾斜度。
施工時(shí)原地面的土體開挖或堆載將對(duì)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(tái)開挖時(shí)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(cè)裝置。地鐵盾構(gòu)施工中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)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(cè)，避免土壓力變化造成樁基樁身強(qiáng)度破壞或土體擾動(dòng)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(jì)提供借鑒。
?、谠诙樟和耆探Y(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(jì)人員的重視。
?、郾疚氖腔陬A(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(shí)如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還有待于進(jìn)一步研究。