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淺議城市軌道交通影響下的橋梁下部結構設計論文
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構設計和優化，并探討了橋梁基礎與盾構施工的建設時序以及相應的保護措施。
隨著我國經濟快速發展，北京、上海、廣州等一線城市的城市軌道交通線路陸續開始建設并投入運營。按照線路架設方式，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”）通常采用盾構施工，隧道結構保護和附加荷載控制嚴格。在城市橋梁與地鐵線位平行的條件下，如何對橋梁下部結構進行優化設計并處理好橋梁基礎與隧道結構不同建設時序下的保護措施，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，并著重對下部結構建模進行分析、比較，提出橋梁施工期間的保護要點。
1 工程建設條件
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，河道規劃藍線寬度21 m，需新建過河橋梁一座。根據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。
依據地鐵13號線施工圖設計資料，橋位處隧道分上行、下行線，隧道采用盾構施工工藝，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。
初步設計階段經征詢地鐵設計單位，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。依據工程建設條件的限制，橋梁應合理布置樁位，采用較大橫橋向跨度的橋墩結構，同時做好對橋梁下部結構的保護措施。
2 橋墩初選方案及結構設計
根據上海地區的建設經驗，中小跨徑梁橋的上部結構一般采用預制混凝土空心板梁，其建筑高度低，設計、施工經驗成熟，質量有保障。
空心板梁設計汽車荷載：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構中，常見的為門墩式混凝土結構、鋼結構。
混凝土結構：采用預應力混凝土蓋梁，一般為倒“T”形截面，張拉橫向預應力形成豎向抗彎體系。
鋼結構：橫梁、立柱采用鋼構件，一般為型鋼組合截面，通過焊接形成框架。
近年來，預應力混凝土蓋梁在高架橋梁中應用較多，其設計和施工均比較成熟，一般采用滿堂支架現澆，分批張拉預應力；鋼結構輕質高強，適用跨度較大，可工廠預制、現場焊接，但單位造價較高，作為橋墩結構，其用鋼量較大，浦東地區同類工程應用很少�；诘貐^適用性和造價考慮，橋墩采用門墩式混凝土結構。
2.2 橋墩結構設計
2.2.1 橫橋向總體布置
根據橋梁與地鐵線位的相對位置以及隧道保護凈距要求，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，橋墩蓋梁端部設置邊立柱與承臺，蓋梁中部設置雙立柱與承臺。
2.2.2 截面尺寸、材料
預應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）國家標準，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
根據中、邊立柱與蓋梁的聯結方式、蓋梁是否設置沉降縫，將蓋梁分為三種結構：墩梁全固結；中墩固結邊墩釋放；墩梁固結蓋梁設縫。
依據邊界條件分別建立“橋梁博士”模型進行橫橋向結構分析計算，根據承載能力、正常使用極限狀態下的驗算結果，確定橋墩合理的結構形式。考慮橋梁使用和所處I類環境的要求，橋墩蓋梁按A類預應力混凝土構件設計。
①墩梁全固結條件下的結構分析
橋墩立柱均與蓋梁固結，蓋梁邊跨高比（l/h）=8.1，立柱與蓋梁節點傳遞軸力、剪力、彎矩，蓋梁受彎時立柱將分攤部分彎矩，立柱橫橋向的線剛度（EI/l）以控制柱頂水平位移？駐x時截面內力為目的進行優化。根據橋面及承臺頂標高計算，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，因此蓋梁橫橋向應按三跨連續剛構計算。立柱高度Hz對計算結果影響較大，在施工條件允許時，應盡量降低承臺頂標高，以改善蓋梁內力。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=■）。
經初算，預應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：立柱及下部基礎施工，蓋梁鋼筋、波紋管、混凝土施工，養護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（JTG D62-2004）相關條文，對預應力鋼束進行調束，優化各單元截面內力后，結果見表1。
表注：1.表中數值前帶“+”表示截面受壓，“-”表示截面受拉；中、邊立柱的內緣均指橋墩中心線側；
2.？滓st、？滓lt為在荷載短期、長期效應組合下構件抗裂驗算邊緣混凝土的法向拉應力；？滓pc為扣除全部預應力損失后的預加力在構件抗裂驗算邊緣產生的混凝土預壓應力；？滓tp為由荷載短期效應組合和預加力產生的混凝土主拉應力。
根據計算結果，結構體系對升、降溫，混凝土收縮、徐變，柱頂水平位移，基礎差異沉降等作用較為敏感，立柱單側鋼筋配筋率0.3%時，邊立柱頂部的柱身裂縫寬度不滿足規范要求，各組合下蓋梁截面應力滿足規范要求。
�、谥卸展探Y、邊墩釋放條件下的結構分析
橋墩中立柱與蓋梁固結，邊立柱頂面設置單向活動支 座，允許該支點處蓋梁有橫橋向水平位移和轉角位移，但縱橋向位移予以約束，避免中立柱在水平面內扭轉變形。邊立柱與蓋梁節點僅傳遞豎向軸力、縱橋向水平剪力，僅中立柱分攤蓋梁的彎矩。
除節點約束外，模型Ⅱ與模型Ⅰ相同，調束并優化截面內力后，結果見表2。
根據計算結果，邊立柱與蓋梁節點的轉角、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彎矩、跨中正彎矩有所增加；與模型Ⅰ相比，短期效應組合立柱頂的最大水平剪力增至2 350 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力滿足規范要求，結構受力狀況合理。
③墩梁固結、蓋梁設縫條件下的結構分析
模型I蓋梁未設沉降縫，結構對預應力張拉、升、降溫、差異沉降等較為敏感，模型Ⅲ在中立柱間設置沉降縫后，蓋梁結構上分為兩幅。通過在沉降縫處蓋梁端部預埋固定端錨具，邊立柱處蓋梁端部單端張拉形成預應力體系。該結構降低了超靜定次數，為優化設計創造了條件。
模型Ⅲ中單元、荷載、邊界條件與模型I基本相同，在設置沉降縫的節點處將左、右單元隔離，預應力鋼束在兩幅橋墩結構中分別布置，經過試算和調束，優化截面內力后，計算結果見表3。
根據計算結果，立柱單側鋼筋配筋率0.3%時中立柱底部內緣柱身裂縫寬度不滿足規范要求，各組合下蓋梁截面應力滿足規范要求。
�、軜蚨战Y構選擇及優化
根據分析結果，三種結構特性如下：
墩梁全固結：升、降溫，混凝土收縮、徐變，水平位移，基礎差異沉降等作用對結構影響明顯，立柱裂縫寬度Wfk是結構設計主控因素。
中墩固結、邊墩釋放：蓋梁截面應力、立柱裂縫寬度Wfk滿足規范要求，中、邊立柱受力合理，蓋梁、立柱截面可優化。
墩梁固結、蓋梁設縫：結構超靜定次數較低，中立柱裂縫是結構設計主控因素；差異沉降時沉降縫附近橋面鋪裝易縱向開裂。
綜合分析，選用結構Ⅱ作為新建橋墩結構；邊立柱頂面設置隔震力學性能、耐久性好的鉛芯橡膠支座。
3 建設時序與施工保護
新建橋梁應按照地鐵隧道盾構和橋梁下部結構的施工時序確定合理的施工組織方案，在保證施工質量、運營安全、結構耐久的前提下，對盾構和橋梁下部結構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→地面橋梁
隧道盾構完工后，施工橋梁樁基礎。考慮適用性和無擠土效應，上海地區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容易對樁身附近土層產生擾動，局部土體內力重分布，有可能引起隧道結構變形、裂縫或滲水等不良后果。因此需要在隧道結構上安裝監測裝置，目的是在樁基及下部結構施工時對隧道結構進行監測。
盾構附近的鉆孔樁一定樁身長度范圍內推薦設置鋼護筒，避免樁基施工對隧道結構的不利影響，該段樁基側摩阻力不計入樁基承載力。應注意樁基定位精度，并在盾構附近四列縱橋向樁基內設置測斜管，實時監測樁身傾斜度。
施工時原地面的土體開挖或堆載將對下方隧道結構帶來附加荷載，應避免在地鐵上方原地面進行卸、堆載，承臺開挖時應采取有效的等載措施。
3.2 地面橋梁→地鐵盾構
本工況中盾構在橋梁下部結構完工后進行，橋梁按照隧道保護距離要求布置樁位，預留盾構空間，鉆孔灌注樁樁身應安裝監測裝置。地鐵盾構施工中應加強對橋梁下部結構的保護，控制盾構推進速度，尤其注意邊墩樁基礎的樁身狀況監測，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 語
�、俦疚耐ㄟ^建立平面桿系模型，比較分析了受地鐵盾構施工影響下的三種橋墩結構形式，推薦了中墩固結、邊墩釋放的合理橋墩結構，并提出了施工期間的保護措施，希望為同類型橋梁的設計提供借鑒。
�、谠诙樟和耆探Y的情況下，橋墩結構受整體升、降溫，混凝土收縮、徐變，基礎差異沉降的影響明顯，應引起橋梁設計人員的重視。
③本文是基于預應力混凝土橋墩蓋梁進行的結構分析，橋墩采用鋼構件時如何進行結構設計還有待于進一步研究。
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