城市轨道交通主跨150 m连续刚构桥的关键技术

2022-07-20张晓柯

城市轨道交通研究 2022年7期

郭兴张晓柯韩超

(1.河南建筑职业技术学院土木工程系， 450064，郑州； 2.中国中铁股份有限公司， 100070，北京∥第一作者，讲师)

大跨径桥梁特别是大跨径预应力混凝土连续刚构桥已成为我国大跨径桥梁的主要桥型[1-3]。因桥梁建造受制于城市繁华市区景观保护及空间限制要求，随着我国城市轨道交通的快速发展，大跨径小曲线半径的连续刚构桥应用越来越广泛[4-6]。随着新技术和新材料的应用，连续刚构桥向结构轻巧化、跨径更大化方向发展。预应力混凝土Y型连续刚构桥在设计上可使桥梁的主梁跨度缩短，其支肩部的负弯距较低，结构轻巧纤细，且可选择变截面箱梁，因而被广泛应用。1990年至今我国建造的代表性Y型支撑桥梁如表1所示。

表1 1990至今我国建造的Y型支撑桥梁Tab.1 Constructed domestic Y-shaped pier bridges since 1990 s

本文以深圳市城市轨道交通6号线合水口站—薯田埔站区间(以下称为“合薯区间”)150 m大跨径连续刚构桥为研究案例，研究了繁华城区内桥梁设计建造的关键要素，保证了150 m大跨径Y型刚构桥的施工质量，降低了施工风险，提升了施工效率。

1 工程概况

合薯区间大跨经桥梁位于深圳市域市轨道交通6号线的第16个区间，该桥为大型Y型刚构(以下简称“Y构”)桥，其最大跨径为150 m。该线路平面位于曲线半径为550 m圆曲线上，桥梁以90.331 m+150.000 m+89.791 m的跨径组合跨越公明排洪渠及振明路。该桥全长为330.122 m，区间包括12#～15#桥墩，共4墩3跨，上下行线路的间距为5.2 m。该桥是我国城市轨道交通同类桥梁中大跨径的桥梁之一。

2 连续刚构桥的设计案例

2.1 主要技术参数

1) 设计年限：100年。

2) 桥下净空：5.5 m。

3) 地震参数：基本烈度7度。

4) 持力层岩性：中等风化砂质泥岩。

5) 行车速度：列车最高运行速度为100 km/h。

6) 线路设置：正线为双线，线间距为5.2 m，位于半径为550 m圆曲线上，标准轨距为1 435 mm。

7) 列车编组：采用6辆编组，列车采用A型车，车辆轴重160 kN。

2.2 设计方案比选

在合薯区间桥梁的建造前期，共设计了3种方案。其中：方案一需要对公明排洪渠实施改造，设计建造跨度组合为42.0 m+60.3 m+40.7 m+42.0 m的刚构桥；方案二为设计建造门式刚架桥，以避开公明排洪渠的干扰；方案三设计了90.331 m+150.000 m+89.791 m的大跨径连续Y型刚构桥。该桥设计方案的效果及各方案比选如表2所示。如表2所示，通过对3个设计方案进行比选、分析，在充分考虑该桥的建造位置、景观协调、施工工期及建造难度后，确定采用方案三作为该桥的设计方案。

表2 合薯区间桥梁3个设计方案比选 Tab.2 Comparative selection of three design schemes of Heshu interval bridge

3 关键技术及创新

3.1 桥梁Y构施工的关键技术

合薯区间大跨径连续刚构桥的Y构整体长度为57 m，由43 m V型肋、3 m实心横隔段、26 m墩顶梁及4 m 0号段构成。其中，0号块及墩顶梁采用单箱单室斜腹板截面形式。由于Y形墩斜腿的主要构成为劲性预应力混凝土，在形成三角形结构前，承载能力很小，且根部混凝土在自重作用下的拉应力很大，容易开裂。因此，桥梁Y构部分的施工控制是本工程的重点和难点。为保障施工质量，该桥Y构采用C60混凝土分3次浇筑，其浇筑步骤、受力描述及质量控制措施如表3所示。

表3 合薯区间桥梁Y构的施工步骤及质量控制措施Tab.3 Construction steps and quality control measures of Y-shaped bridge in Heshu interval

由于Y构为斜悬臂结构，在后续墩顶块重力和Y构自重的作用下，Y构根部会产生较大的水平力和弯矩，且该桥的主墩为大张角Y型墩，Y构根部弯矩效应较常规的Y型墩更大，会引起较大的拉应力，结构开裂的风险很大。为了保障大张角Y型墩不发生开裂变形，在Y型墩的浇筑过程中，需要严格控制支架的变形。

本文通过仿真软件，模拟支架系统发生3 mm、5 mm、7 mm变形的应力云图，如图1所示。图中的数值分别表示模拟支架产生变形后以零值为基点产生的最大压应力。

a) 发生3 mm弹性变形时的Y构受力

由图1可以直观反映出Y构的最大压应力。在3种位移弹性变形工况下，Y构支撑的最大压应力分别为1.0 MPa、1.3 MPa、1.6 MPa。设计上要求系统支架的最大变形需控制在10 mm以内，则其对应的最大压应力需控制在2.0 MPa以内，从模拟结果看可以满足设计要求。在浇筑过程中，需要严格控制浇筑肋梁与顶梁交接段施工荷载作用下支架的变形，以保障大张角Y构根部的质量。

3.2 BIM(建筑信息模型)技术的应用

合薯区间连续刚构桥最大跨径为150 m，线路最小曲线半径为550 m，设计要求按照最小曲线半径施作曲梁。因桥梁构造复杂，施工支撑体系刚度及地基的沉降要求高，Y构与桥墩、墩顶梁交界处钢筋布置复杂，环境影响因素多，以及桥梁的精细化管理要求高等因素，在该桥建造过程中将BIM技术引入到整个桥梁建造和管理过程中。

3.2.1 应用BIM检查各部件的干扰碰撞

由于该桥的空间位置复杂，在绘制图纸的过程中极易发生一些高程、坐标错误，这些错误难以在二维图中被发现。利用BIM的三维直观优势，可以更好地检查出图纸中的错误，从而减少施工变更或返工。通过BIM技术建立了全桥模型，然后对桥梁的关键部件模型进行碰撞检查，对复杂区域节点处的预应力筋进行三维碰撞检查。例如，Y构与墩顶梁交接钢筋(包括预应力钢筋)的设计异常复杂，这是本次桥梁设计和施工的重点和难点，通过BIM对潜在的钢筋碰撞干扰进行检查，发现了墩顶梁高程不一致的错误，避免了工程返工。由此，通过BIM对碰撞问题进行检查，可提前优化工程设计方案，较大地提高了工程的质量和效率。

3.2.2 应用BIM分析复杂支架体系布置的合理性

合薯区间连续刚构桥大张角Y型墩施工的质量控制是整个桥梁施工成败的关键。Y构主体施工对临时支撑体系的刚度及地基的沉降要求高，因此，利用BIM技术对整个支撑体系进行建模布置，建立了扩大基础+钢管柱+贝雷梁+分配梁的支架模型。如图2所示，应用BIM模拟了Y构施工时立体交叉、结构复杂的支撑体系，包括钢管桩在公明排洪渠箱涵上的布置、钢管桩之间横撑与斜撑的逻辑关系、横向系梁与纵向主梁(贝雷梁)的布置、贝雷梁和分配梁间的空间位置、整体支架模型的安装拼接顺序等。

a) 支架系统侧视图

通过BIM的建模优化，最终确定了合薯区间桥梁Y构支架系统总体设计方案为打入桩+钢管立柱+分配梁+贝雷梁。其中：① 打入桩采用φ630 mm×12 mm螺旋管；② 钢管立柱采用φ609 mm×14 mm钢管，钢管立柱间设置水平连接，其材料为φ377 mm×6 mm钢管；③ 钢管立柱上布置横向分配梁，分配梁采用45#型钢；④ 墩顶梁范围内的立柱顶上的分配梁采用HM588型钢，翼缘处采用I20型钢；⑤ 横向分配梁上采用贝雷梁作为主梁，贝雷梁选用标准尺寸(3.0 m×1.5 m)的贝雷片。贝雷梁之间采用标准支撑架连接，在竖直与水平方向均布置连接支撑架，将贝雷梁连接成整体；⑥ Y构支架主梁通过设置调坡小楔块，使之与Y构角度保持一致；⑦ 拱顶梁支架立柱不支撑于Y构上，而是直接支撑于打入桩基础上。图3为合薯区间桥梁Y构支架系统的现场布置图。

a) 支架系统仰视图

3.2.3 应用BIM精确输出工程量

基于精细化施工管理的要求，本工程通过BIM精确计算各种材料的工程量，进而实现精准采购，避免余料库存。以该桥悬臂端现浇的14个混凝土块为例，通过BIM技术建模，对这些混凝土块的设计工程量、BIM输出工程量及实际工程量进行对比。经计算，BIM工程量输出为484.25 m3，实际工程量为493.25 m3。与实际工程量相比，BIM计算输出的混凝土工程量的准确率高达98.17%。

3.2.4 应用BIM优化施工场地布置

传统的施工场地布置往往都是现场技术负责人凭经验予以布置，很难及时发现场地布置中存在的问题，也缺乏场地布置方案进一步优化的可靠依据。合薯区间桥梁建造处于城市繁华市区，场地空间小，交通疏解难度大。如图4所示，应用BIM技术提前模拟场地的布置方案，通过对桥梁周边重要建筑物、构筑物进行BIM建模，分析模拟桥梁施工对周边环境的影响，对比、优化不同交通疏解方案的可行性和优缺点，生成三维的临时建筑布置效果图。在此基础上，通过对整体临时建筑三维效果图进行观察，对位置不合适的临时建筑予以及时调整，避免了施工场地因干扰产生的返工问题，达到了临时建筑布置美观、和谐的目的。