時間:2021年05月07日 分類:科學技術論文 次數:
摘要:原蕪湖中山橋為跨度63m的下承式混凝土系桿拱橋,由于航道升級,需進行改建。該改建工程面臨與城市道路銜接的問題,為解決該問題,提出了北側布置環形道路的橋梁方案、全隧道方案、中二街布置T形交叉橋梁方案,對3種方案進行綜合比選,推薦采用T形交叉橋梁的總體方案。該方案主橋采用帶副弦的梁拱組合鋼結構,跨徑布置為(28+90+28)m,主梁采用梁高低矮的雙邊箱結構,系梁梁高0.9m,引橋中二街交叉口采用T形平面鋼板梁結構,梁高0.8m。主橋上部結構采用岸上組拼、水中浮運的方案施工,引橋上部結構采用分段預制、逐段吊裝的方案施工。中山橋改建工程建設速度快,對航道、城市環境的影響小,改建后的中山橋已成為蕪湖中心城區新的標志性建筑。
關鍵詞:城市橋;下承式拱橋;改建工程;T形交叉橋梁;方案比選;拱梁組合結構;鋼結構;橋梁設計
1概述
安徽省蕪湖市中山橋位于蕪湖市中心城區,跨越青弋江,北接中二街、南接浮山路,是聯系弋江區與鏡湖區的一條重要通道[1]。橋址周邊是蕪湖市重要的商業區,場地狹窄,車流、人流密集,原蕪湖中山橋(以下簡稱原橋)平面實景。原橋建于1998年,主橋上部結構為跨度63m的下承式混凝土系桿拱橋,梁上布置雙向4車道及兩側人行道,梁寬23.1m,高度2m;引橋為16m跨空心板梁橋;橋梁下部結構采用柱式墩、鉆孔灌注樁基礎。原橋下蕪申運河原航道等級為Ⅴ級,通航凈寬40m,凈高5m。
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為發揮運河的通航效能,該航道按限制性Ⅲ級標準進行整治,通航凈寬增加至70m,凈高增加至7m。原橋無法滿足蕪申運河等級提升后的通航要求,需要進行同步改建。在該橋改建過程中,如何提高運河通航等級、保證道路的交通功能并具備經濟上的可實施性[2-3],是項目建設的難點。
2總體方案比選
原橋北引橋受步行街制約,與中二街采用T形平交銜接,交通組織方式為右進右出。為了在中二街前落地,原橋采用了4.8%的最大縱坡。城建管理部門考慮縱坡大交通事故多發,要求改建項目的縱坡不大于3.5%;根據航道提升需求,中山橋的梁底標高需在原橋基礎上抬高約2m。在橋面提高且縱坡減小的條件下,常規的工程方案無法直接接入地面組織交通。
為解決交通問題,提出了3種總體布置方案:北側布置環形道路的橋梁方案(方案1);全隧道方案(方案2);中二街布置T形交叉的橋梁方案(方案3)。
2.1方案1
考慮新橋在橋北側已無法與中二街直接在地面平交聯系,需要尋找新的道路條件進行銜接。附近通行條件較好的路只有北沿河路,采用環形道路可以接入。方案1工程建設長度約700m,需對橋址附近的商業區域進行拆遷,經測算拆遷費用高達10億元,總投資約11.1億元,且社會影響大。
2.2方案2
在常規橋梁方案難以落地的情況下研究了隧道工程方案。考慮青弋江航道及水利防洪的需求,明挖法隧道及沉管法隧道均不可行,只能采用盾構法施工隧道。盾構方案采用2個隧道,每個隧道布置2個車道,隧道直徑11m(含管壁)。受青弋江航道制約,隧道頂距離河道底(標高-1.79m)最小覆土厚度按照5m計,隧道底部標高達到-18m,距離地面埋深達28m。故隧道方案在江南岸無法直接聯系浮山路,需下穿浮山路后出地面;隧道方案在江北岸也無法直接聯系中二街,受步行街影響需下穿至北京路后出地面。經測算,采用方案2時隧道總長度為2.2km,工程建安費約12.6億元。
2.3方案3
在上述2個方案代價均較大的情況下,研究了將中二街T形交叉口設在橋上的總體方案(方案3)。該方案考慮橋梁無法在中二街前落地,于是將中山橋與中二街的交叉口設計為橋梁,中二街分別向東、西兩側降坡落地。中山路與中二街交叉口下設下沉式廣場銜接周邊商戶。
方案3的難點:中二街東向降坡的坡長僅有70m,須在結構設計上降低主橋的梁高,才能實現與周邊路網有效銜接;為保證中山路與中二街交叉口橋下人行廣場的通行需求,T形橋梁也需要采用高度低矮的梁型。針對以上難點,在該橋改建設計中,主橋采用帶副弦的鋼結構梁拱組合結構[4],橋面系梁結構高度僅0.9m;中山路與中二街相接的橋梁采用T形平面鋼板梁結構,橋梁結構高度僅0.8m。
T形交叉的橋梁方案因將直角交叉口設在橋上,存在中山橋由南向北下橋車輛沖出橋梁掉落地面的安全風險。綜合考慮項目設計車速較慢,在交通上采用加強標牌引導、設減速帶、風險點設雙層護欄、提高護欄等級等方式控制安全風險。該方案工程建設長度724m,建安費1.5億元,總投資約2億元。
2.4方案比選
對3種方案進行綜合比選,方案3在滿足交通功能、航道要求、交通安全風險可控的同時節省投資費用,推薦采用該方案。
3改建橋梁方案設計橋梁結構設計遵循安全、適用、經濟、美觀的原則,同時考慮橋位場地狹窄,交通流密集的因素,選擇施工快捷、現場作業時間短的方案。
3.1主橋結構設計
3.1.1跨徑布置及結構選型
根據航道部門的要求“該橋須一孔跨越蕪申運河規劃航道(通航凈高7m,凈寬70m)”以及水利部門的要求“南岸主墩須布置于防洪墻外側,北岸主墩可布置于防洪墻內側”,主橋主跨設計為90m。改建中山橋結構高度受到總體布置的限制,必須采用盡量減少主梁結構高度的橋型方案。梁橋及斜拉橋的主梁均為主要受力構件,拱橋的主要受力構件則為拱肋[5-6],主梁為局部受力構件,可以不受縱向跨度的限制,最大限度地減少主梁高度。因此,該橋結構形式采用拱橋。
拱橋結構可分為上承式、中承式和下承式拱橋,為避免拱腳阻礙航道,采用下承式結構。為減小梁高,下承式拱橋主要構件采用鋼結構。為跨越防洪墻兩側的沿河道路,將下承式拱橋的主梁向兩側邊孔延伸形成邊跨;為改善邊跨受力,方便浮運施工(在邊跨增加臨時支點),在主拱拱腳處設置副弦,副弦一端連接拱肋,一端連接邊跨主梁。
改建中山橋采用帶副弦的拱梁組合鋼結構,跨徑布置為(28+90+28)m。橋面上需要布置雙向4車道和人行道慢行系統。設計通過1.2m寬的吊索區將機動車道與人行道分隔,減小了橫梁彎矩。橋面建筑寬24.4m(含兩側人行道踢腳外掛各寬0.1m)。主梁結構頂板寬24.2m。經計算,中跨系梁高0.9m,橫梁高1m,即可滿足縱橫向受力的需求。
3.1.2主要構件設計主橋采用的拱梁組合鋼結構,包括主拱、副弦、橫撐、系梁、吊桿,主要結構用鋼為Q370qD。
(1)主拱、副弦及橫撐。全橋共設2榀鋼箱拱肋[7],拱肋鉛垂布置,橫橋向間距17.2m。每榀拱肋拱腳間距90m,拱肋高18m,矢跨比1∶5。拱肋截面為箱形,鋼箱內高1.4m、內寬1.1m,拱肋豎板壁厚24mm(拱腳處加厚至32mm),頂、底板壁厚26mm,設縱、橫向加勁肋。副弦截面為箱形,高0.8m、寬1.1m,豎板板厚24mm,水平板板厚20mm。在箱形拱肋上設置3道鋼結構橫撐,橫撐采用工字形截面。橫撐間通過裝飾板形成景觀造型。
(2)吊桿。每榀拱肋設13根廠制吊桿,吊桿間距為6m。吊桿索體采用12根15.2mm環氧噴涂無粘結鋼絞線(fpk=1860MPa)纏包后外擠PE,公稱破斷索力為3125kN。吊桿兩端用叉耳和拱肋與系梁銷接(可有效解決短吊桿疲勞問題)。
(3)系梁。鋼橋的系梁方案一般有鋼箱梁、鋼板梁、鋼雙邊箱梁[8]等。由于鋼雙邊箱梁方案在拱腳處方便與箱形拱肋連接,同時梁高不受施工人員作業高度限制,因此,系梁采用該方案。系梁邊箱與拱肋、副弦剛性連接。其頂、底板水平設置,采用直腹板,邊箱內高由邊跨1.2m變化到中跨0.9m,內寬1.1m。行車道板位于兩邊箱之間,頂板為正交異性板[9-10],采用U形加勁肋加勁。橫梁腹板與邊箱外伸銜接段腹板等高,主跨范圍橫梁跨中高1m;橫梁間距3~3.18m。人行道板位于邊箱外側,其頂板為正交異性板,采用板式加勁肋加勁。
3.2引橋結構設計
為了在引橋下布置下沉式廣場慢行系統,以及盡量加快施工速度、減少對城市環境的影響,改建中山橋引橋上部結構采用梁高低矮的鋼結構。引橋標準跨徑為25m,橋寬16m,主梁采用鋼箱梁結構,高1.3m;中山路和中二街交叉口采用16m跨徑的T形平面鋼板梁,主梁結構高0.8m,橋下布置聯通周邊商戶的下沉式廣場。T形交叉口按照城市道路交叉口設計規范[11]設計橋面高程,鋼橋面頂板為空間曲面,頂板下布置腹板、橫隔板、底板及板式加勁肋,加勁肋盡量按照行車方向布置。
3.3橋梁景觀設計
中山橋位于城市步行街中軸線上,跨越青弋江水道,美學要求高。該橋景觀設計在遵循結構受力的基礎上[12-13],進行了以下細節的處理:①通過橫撐及裝飾構件實現主橋鏤空的圓頂造型;②在主橋的副弦與系梁之間填充金屬質感的裝飾;③橋面采用通透感強的景觀鋼結構防撞欄桿及人行道欄桿。該橋通過細節處理形成了輕盈舒展的視覺效果。
4施工方案
90m跨徑的拱梁組合鋼結構可采用支架法、纜索吊機+斜拉扣掛法[14-15]或者整體浮運[16-17]等方案施工。考慮航道安全,航道水利部門不同意在水中搭設支架;采用纜索吊機+斜拉扣掛法施工,則需要架設臨時塔架、布置錨碇、纜索及拉索等臨時措施,逐段架設拱肋后再分段吊裝主梁,施工措施費高,且工期長,對航道運營安全影響大。因此,主橋上部結構采用岸上組拼、水中浮運的架設方案施工。
施工時選擇場地相對空曠的南岸布置支架、滑道,主橋鋼結構在工廠內制作后運抵現場,在支架上焊接組拼成整體,再由支架上的千斤頂提供動力,船舶提供浮運支點,沿滑道縱向移動至設計橋位。該方案可在2個月內完成支架搭設及結構組拼,3d內完成浮運施工。引橋上部結構采用分段預制、逐段吊裝的方案施工。在下部結構施工的同時進行上部鋼梁預制,施工過程相較于傳統的混凝土梁引橋,其施工速度快、揚塵污染少,對城市環境影響小。
5結語
蕪湖中山橋改建工程位于城市中心區,其改建工程存在建設場地狹窄、人流車流密集、航道要求高等不利條件。為達成改建目標,設計通過多方案比較后推薦采用T形交叉橋梁方案,該方案可滿足交通、航道需求,并具備經濟性。主橋采用帶副弦的拱梁組合鋼結構,跨徑布置為(28+90+28)m,雙邊箱梁系梁高度0.9m,該橋型結構強度和剛度大,滿足大跨度、矮梁高的需求,結構受力合理,用鋼量低(全橋用鋼量僅為451kg/m2),經濟性好;引橋交叉口節點采用T形平面鋼板梁結構,梁高0.8m,橋下可布置人行廣場。該橋橋梁景觀遵循結構受力,通過細節處理,形成輕盈舒展的視覺效果。
該橋主橋上部結構采用岸上組拼、水中浮運的方案施工,減少了對航道、城市的影響。引橋上部結構采用分段預制、逐段吊裝的方案施工,上部結構工廠預制,減少揚塵。該橋2018年6月完成改建,建成后已成為蕪湖中心城區新的標志性建筑。
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[4]中鐵大橋勘測設計院集團有限公司.一種帶副弦的拱梁組合結構:CN201720226549.1[P].2017-05-24.(ChinaRailwayMajorBridgeReconnaissance&De-signInstituteCo.,Ltd.AnArchBeamCompositeStructurewithSecondaryChord:CN201720226549.1[P].2017-05-24.inChinese)
作者:劉厚軍,傅戰工