跨线桥为上跨式横过公路的设施，通常设置在行人、自行车和其他车辆横跨高速公路及一级公路的地点，特别是交通流冲突较严重的地方，如车站、大型商业中心或其他交叉口处。跨线（立交）桥 是指跨越公路、铁路或城市道路等交通线路的桥。在既有线路之上跨越。又分为分离式和互通式。前者只保证上下层线路的车辆各自独立通行；后者能使上下层线路的车辆相互通行，在平面和立面上修建复杂的迂回匝道，占用很多土地。为减少噪声，多采用预应力混凝土桥
跨线桥设计
概述
高等级公路跨线桥设计是高等级公路设计中的重要组成部分,一个技术先进、经济节约、功能齐全、布局合理、桥型优美、景观协调的跨线桥在高等级公路中起着画龙点睛的作用。 笔者集多年高等级公路跨线桥设计的体会,并结合西三封闭工程跨线桥的设计,提出个人的认识,请同行们指正。
1 跨线桥梁式体系的合理桥型
1. 1 简支板桥
简支板在跨线桥中应用最广,为静定结构,相邻各孔单独受力。其主要特点是构造简单、施工方便, 建筑高度较小。为减轻自重,一般用空心板,既可以有整体式结构,也可以有
装配式结构。当为整体式结构时,芯模可用纸筒等一次性模扳。无论是整体式板或装配式板,宜做成带翼缘且桥面连续。板厚与跨径之比一般为1 /15～1 /25(西三封闭工程为1 /23)。
1. 2 连续板(梁)桥
连续板(梁)桥不但具有良好的行车条件,同时利用支座上的卸载弯矩来减少跨中弯矩,使桥跨内力分配更趋合理,板(梁)的高度更低,连续板(梁)桥既可采用钢筋混凝士,也可采用
预应力混凝土。整体式连续板可作成变截面,其支点截面厚度约为跨中截面厚度的1. 2～1. 5倍,跨中截面高度可达到距径的1 /20～1 /35。装配式板的构造与整体式板相似,只是根据起吊能力在横向将板划分为板条, 在纵向也分成若干段,预制时预留接头钢筋,安装就位后联接接头钢筋。连续梁横截面形式可做成矮T 形截面、矮工字形组合截面和箱形截面。 等截面连续梁的梁高约为跨径的1 /16～1 /26,西三封闭工程跨线桥为1 /26。变截面连续梁的边中孔之比可为( 0. 3～0. 8)∶1. 0, 跨中梁高与跨径之比约为1 /25～1 /35,梁底一般采用曲线。
1. 3 刚架体系
由于桥跨结构和墩台刚性连接,将在主梁端部产生负弯矩,并传给墩台,因而跨中截面高度比简支板(梁)、连续梁更小,因此外形尺寸小、纤细、桥下净空大,视野开阔,很适宜于跨线桥。适合于跨线桥的刚架体系有带悬臂的门式直腿刚架(多用于开阔地区的人行桥)、斜腿刚架(多用于挖方路段) ,连续刚架等。主梁截面同前述,可做成板、矮T 梁、矮组合梁、箱梁等。主梁在纵向可做成等截面,等高变宽和变高度3种。变高度主梁的底缘形状可以是曲线型、折线型、曲线加直线等。带悬臂的门式刚架桥,跨中厚度与跨径之比一般可取1 /20～1 /35,支点厚度为跨中的1～2倍,悬臂长为中孔跨径的0. 2～0. 5倍;斜腿刚架桥的边跨通常为中跨的0. 5倍左右。三跨或多跨连续刚架桥,边孔一般为中孔的0. 5～0. 7倍左右, 跨中梁高为跨径的1 /30～1 /40; 采用变截面时,支点梁高为跨中的1. 2～2. 5倍。跨线桥的墩、台位置和形状要尽量多透空,保证行车有较好的通视条件,并与上部构造相配套。桥墩多用柱式墩、Y 形墩、刚架墩和无盖梁的梯形墩等。桥台多用无台前溜坡的U 型台、
组合式桥台、墙式台、锚杆式桥台等。
2 西三封闭工程跨线桥设计特点
西安至三原一级公路是中国修建较早的高等级公路之一。它是省会西安通往革命圣地延安、人文始祖黄帝陵的通道,是省门第一路。因此跨线桥的设计在考虑适用、经济、安全的前提下,尽可能根据美学要求,选用轻巧、合理、协调的外形尺寸,使跨线桥具有优美的外形,并与周围的环境相协调,这在陕西省乃至全国都是较为突出的。
(1)渭河以南跨线桥根据西三公路无中央分隔带的特点 ,上部结构全部采用刚架体系。互通式立交上部结构采用中跨 32 m,边跨 22m 的三跨
钢筋混凝土变截面连续刚架形式。 中跨中间部分和边跨靠桥台部分用空心板; T 构根部采用空心梁 ,跨中板高为跨径的 1 /32,支点梁高为跨中梁高的 1. 8倍。下部选用双柱墩、
肋板式桥台。分离式立交、农耕桥上部结构采用中跨 26 m、边跨 14 m的三跨变截面钢筋混凝土连续刚架。 中跨中间部分和边跨靠桥台部分选用空心板。 跨中板高为跨径的1 /33; T构根部空心梁为跨中高度的 1. 75倍。 桥墩选用直径 1. 2 m 的圆形独柱墩 ,桥台为板式锚杆桥台或锚杆
组合式桥台。渭河南互通立交、分离式立交、农耕桥采用的曲线梁、独柱墩、竖曲线和纤小的尺寸构成了跨线桥的外形美。
渭河以南人行桥选用跨径 26 m带悬臂的门式刚架,横断面为箱形等截面,梁高为跨径的1 /32。悬部分既满足了搭设桥梯的需要,桥梯又通过悬臂对结构起到了减载的作用,降低了梁高和结构 的方案。的配筋量。
2)渭河以北跨线桥根据西三公路有中央分隔以设墩的特点进行设计。 互通式和分离式立交上部结构分别采用 4孔 16 m和 4孔 14 m 钢筋混凝土空心板和预应力混凝土空心板 ,下部采用双柱墩 ,
组合式桥台和板式桥台。 农耕桥选用 13. 5+ 2× 14+ 13. 5 m 的四跨先简支后连续钢筋混凝土连续刚构 ,主梁采用空心宽腹矮 T 型断面 ,全断面只有两片主梁; 桥墩采用双柱式 ,柱径只有 65梁 ,预制主梁直接搁置于柱顶上 ,每根柱承受一片主梁 ,通过现浇梁端混凝土接头使主梁连续化 ,并将墩梁连成整体。 轻巧、纤细的上、下部结构尺寸和桥上设置的竖曲线构成了桥梁的外表美。 渭河以北人行桥选用两跨 13 m 带悬臂的简支变连续的连续梁 ,横向为带翼缘的空心板 ,具有优美的外形。
( 3)西三封闭工程跨线桥充分考虑了既要施工 ,又要保证车辆通行的特点进行设计 ,其设计特点为:渭河南农耕桥、人行桥、分离式立交、互通式立交中间部分梁采用预制吊装 ,临时墩支撑 ,两侧 T构墩位利用西三公路硬路肩搭设少量支架现浇的方案。人行桥为了尽可能加大预制段长度 ,减少现浇段长度 ,又能使吊装就位 ,采用预制吊装槽形梁 ,吊装就位后再变成箱形梁的方案。
转体施工
1 工程概况
昆山市陆家至正仪一级公路(G312 改线段)在正仪镇南上跨沪宁高速公路。桥位与高速公路斜交5°。跨路主桥上部结构为(40 +70 +40)m 的三跨预应力连续箱梁,单箱三室变高箱形断面, 顶面全宽 25 .5m ,底板宽 18 .3 m 。桥梁下部为
钻孔灌注桩基础,主墩承台分上下两层 ,墩身为三柱式 。沪宁高速公路是苏南地区东西向交通主骨架 ,特别是上海至无锡段交通繁忙 , 日交通流量超过50 000辆。为减少桥梁施工对高速公路交通的影响,主桥采用平面转体施工工艺 。即在高速公路两侧,与高速公路平行搭设支架 ,分段现浇箱梁 ,形成两个“T” ,然后转体 85°。在完成边跨现浇段及体系转换后 ,挂模现浇中合龙段 ,完成桥梁跨路施工 。转体部分悬臂长 33 .5 m ,中合龙段长 3 m , 每个“T”的转体重量为 5 400 t 。
2 主要施工工艺流程
(2)承台及转体体系结构施工 ;
(3)墩身、边墩盖梁施工;
(4)箱梁现浇施工;
(5)转体;
(6)合龙段施工 。
3 转体体系构造与施工
本桥转体体系设计为中心支承与环道支承相结,以中心支承为主的平转体系 。中心支承采用混凝土球缺面铰, 承受转动体系主要重量 ,四周的环道控制转动的稳定。顶推工具为普通千斤顶, 顶推反力座设在下承台上。
3 .1 磨心施工
位于下承台上的混凝土球缺面铰形象称之为磨心,本桥磨心直径为 2 .5m ,曲面半径为793 .8cm , 球面矢高为 10 cm 。球面的制作精度是转体施工的关键。磨心与下承台是一次浇筑完成的 。浇筑前 ,按照磨心的半径和边高度, 用钢板制作环形侧模 。钢模顶面各个点的高差不大于±2 mm 。将钢模定位在承台钢筋上 , 同时准确预埋轴心钢柱 。混凝土浇满后, 用按照磨心球面曲线制作的母线器反复沿轴心旋转, 使球面成型, 然后人工收光养生。磨心混凝土达到一定的强度后,在球面作等高线 ,等高线的间距为10 cm , 并在等高线画点,点的间隔也为10 cm 。用精密水准仪反复测量等高线上各点的标高, 同一等高线上的各点的标高若不相等 ,人工用砂轮机打磨高的点, 以达到各点的高差不超过 0 .5mm 。
3 .2 磨盖施工
磨盖是上承台与磨心接触的部分。为了减少起吊重量 ,方便施工,磨盖的尺寸定为3 m ×3 m ×1 m , 其重量为22 .5 t 。磨盖以磨心为底模进行浇筑 。磨心完成后,在其顶面涂 1 层黄油作为隔离层 ,安装钢筋,浇筑混凝土。混凝土强度达到设计强度 80 % 后 ,用葫芦吊起。用洗涤剂将磨心和磨盖的接触面清洗干净,放下磨盖,进行磨合。
3 .3 磨心、磨盖的磨合
磨心和磨盖采用 C60 混凝土 ,其轴心抗压强度为 32 .5MPa 。以全部转体重量由磨心支承计算 ,磨心的平均应力 σ=N/ A =11 MPa 。由于材料的塑性及徐变影响,磨心应力只有在加载的初期分布不均匀,1 周后 ,趋于平均应力。磨心和磨盖虽经磨合但不可能完全密合 ,实际施工中接触面一般控制达到 70 %为度(此时平均应力为15 .7MPa <32 .5MPa)磨合的方法经过几座桥的探索 ,将原来的干磨法改为水磨法 。即在磨心的周围砌筑水池 ,将磨合面浸在水中。另在磨盖顶面和钢轴心套筒顶预埋一进水管 。利用2 台卷扬机(牵引绳保持水平)产生力偶矩,驱使磨盖转动。磨盖与磨心相互磨合时, 水起到良好的润滑和散热作用 ,同时磨渣也通过水流带出 。通常干磨需 15 d , 水磨只需 3 d , 工作效率大大地提高了,并且磨合的效果也明显较好。磨合完成的判断方法:
(1)磨合面手感很光滑 。
(2)磨心磨合面积大于 70 %。
(3)标高测量。在磨盖的四角设点(依次编号为 :1、2 、3 、4)测其标高 , 旋转 45°、90°、135°、180°, 分别测各点的标高 。各点标高变化愈小, 说明磨合越好 ,同一等高线上各点的高差越小。每个方向误差控制小于 5 mm , 后来转体也将会平稳 ,否则仍需磨合 。本桥19 号墩磨盖测量结果见表 1 。磨合完成后, 吊起磨盖, 在磨合面上涂 1 层黄油 ,再将磨盖放下 ,然后浇筑上承台。
3 .4 环道施工
由于箱梁T 构的前后左右重量相对于磨心很难保证平衡, 箱梁转体的稳定就由环道来控制。环道 为不锈钢板和四氟板组成的滑动面 ,其宽度为cm ,上承台全宽设置。设计要求 , 不锈钢板和四氟板之间留有 3 mm 的空隙 ,在施工中无法做到, 实际上还是密贴的。尽管后期由于预应力的作用, 不锈钢板与四氟板之间并不密贴, 但在转动过程中环道还是与球铰一起组成了滑动面。环道的平整度将直接影响顶推力和梁体标高的变化。
具体的施工工艺 :在下承台的顶面预留 2 cm 深环道槽口, 下层钢板与四氟板的粘贴由专业厂家分块施工,现场组拼。施工前将槽口清洗干净, 用环氧砂浆贴底层钢板 ,同时用预埋钢筋固定钢板, 四氟板的平面高差控制在 ±0 .5 mm , 接缝相对高差为 0 .2am,转动时前进方向只能为负误差 。安装时每块钢板测 4 个点 ,逐块调整 ,直至满足误差要求为止。不锈钢板位于四氟板之上, 与上层钢板采用环氧树脂粘贴, 和上承台浇在一起。其前口应向上卷成圆弧形,防止转动时刮板 。
4 箱梁施工
墩、梁固结采用常规的硫磺砂浆临时支座和竖向
预应力筋的方法。箱梁现浇施工同常规箱梁施工也没有区别 。平行于高速公路搭设满堂支架, 在支架上分段浇筑混凝土 , 分段张拉预应力束, 完成 T 构的施工。
5 转体施工
箱梁的两个“T” 施工完成后, 准确计算两边对磨心的力矩本桥边跨重 中跨轻 相差 8 547 kN m小于倾覆力矩, 故不需配重)。清除上承台的底模 。本桥采用中心转体, 将2 台 150 t 的千斤顶水平安放在下承台反力座和上承台之间 ,开动油泵 ,2 台千斤顶对磨心形成力偶, 顶推上承台转动 , 直至顶推到位。启动后,为加快顶推速度 ,两台千斤顶交替顶推上转盘 。顶推时注意记录千斤顶的油表读数, 以判断顶推是否正常。转体前用经纬仪放出桥梁的中线和用水准仪测量四角的标高。在转体的过程中 , 注意观测四角标高的变化, 及时报告观测结果, 并控制桥梁的中线,防止转动过位。转动到位后,临时塞紧上下转盘 。固结上下转盘后 , 进行合拢段的施工。本桥转体时间为 6 h ,转体过程中, 高速公路正常通行。由于上承台的预应力作用, 环道的四氟板与不锈钢板并不密贴, 摩擦力主要在磨心上,假设转体重量全部由磨心支承 ,摩擦力全面积均匀分布,由T · d =2/3 VμR得T静 =1 315 kNT动 =553 .8kN式中 , V 为垂直力 ;μ为摩阻系数, 动摩阻取 0 .08 , 静摩阻取0 .19 ;R 为磨心半径 ;d 为顶推距离。根据在转体过程中实际测得的结果, 启动的顶推力为 1 000 kN ;转动过程的顶推力为 510 kN , 比计算的结果要小。根据转动的顶推力和转体过程标高的变化,表明本桥的转动体系构造的施工是成功的。
6中合龙段施工
主桥下部结构、箱梁现浇以及转体施工等过程,对高速公路均无影响, 甚至防撞护栏也可在转体前施工。中孔合龙段长3 m ,与高速公路的中央分隔带同宽。合龙段采用挂模施工, 其施工工艺同同类桥梁合龙段的施工没有区别。本桥中合龙段挂篮的底栏结构高度为 0 .65 m ,跨中处设计净空为 6 m ,底栏安装后净空为 5 .45 m ,满足高速公路净空 5 m 的要求 。挂篮安装和梁体施工期间, 也可以做到不影响高速公路的通行。挂篮拆除采取整体下落的方法 ,选择车流量较小的清晨 ,将高速公路两侧的超车道临时封闭 2 h ,既保证不中断交通, 又确保行车安全 。实践证明,转体施工对高速公路影响的确较小。
7 结 语
本座跨线桥转体施工顺利完成 ,结合近年来连续施工的几座转体桥, 谈谈几点体会 。
(1)保证转体稳定的结构 。从平衡支腿、四支腿发展到全环道, 经过了几座桥的实践探索。实践证明,平衡支腿不能真正起到稳定的作用,转体过程中梁体标高变化较大, 有一座桥标高变化达7 cm, 施工精度无法控制。四支腿与全环道的作用和效果相同,但施工很麻烦,过于理想化。全环道对转体的稳定控制起到较好的效果, 标高的误差能控制在较小范围。
(2)采用转体施工的桥梁结构形式:本桥是连续梁桥转体,墩身为三柱式,这样转体前上承台就成了1 根双悬臂梁,为防止上承台在上部结构重力作用下开裂, 在上承台7 m×2 m的断面上就配了80束15 .24 -12 的钢绞线。转体完成后,钢绞线作用不大,经济上不十分合理。而以前苏州地区施工的类似结构的转体桥,多为连续刚构结构, 上承台、墙式墩身、0 号块连为一体,共同承受抗弯抗剪作用,尽管桥宽与本桥相近,但上承台只需配少量或不需配预应力束。即使为连续梁桥, 墩身形式做些变化,比如采用墙式或变形墩,让墩身能和上承台一起受力,预应力配束量也可减少。
(3)转体施工应用前景广阔。随着
交通基础设施的建设不断发展, 高速公路网和其他路网的不断加密,跨线桥越来越多。为了尽量减少施工对现有交通的影响,本桥转体施工的成功,为跨线桥的施工又提供了一个实例,可供今后跨线桥施工参考。