北京地铁五号线曲线斜拉桥设计

摘　要:北京地铁五号线第十四、十五标段高架工程中,跨越清河采用了预应力混凝土曲线斜拉桥。施工控制 计算 采用3dbridge进行,并在空间程序上利用“无应力索长法”控制斜拉桥最终目标状态。介绍该桥的设计、计算、施工安装及主要技术特点。

关键词:斜拉桥;曲线桥;预应力混凝土结构;桥梁设计

1 概　述
北京地铁五号线为2008年奥运会的配套工程,第十四、十五标段高架工程全长约5km,其中跨越清河的曲线斜拉桥为地铁五号线的标志性建筑,是世界上首座预应力混凝土轨道 交通 曲线斜拉桥,其桥式布置见图1。

清河斜拉桥位于北京地铁五号线高架工程第十四标段,立水桥至立水桥北区间,设计里程为k23+242.507~k23+452.507,桥长210m。桥面纵坡16‰,主梁位于平面曲线上,梁上圆曲线长160.981m,缓和曲线长49.019m。曲线要素:r=400m,ls=300.1247m,α=33°40′46.00″,t=153.696m,e=18.381m。
清河斜拉桥13号墩位于清河南岸,14~16号墩位于清河北岸。跨度布置为(108+66+36)m, 主跨108m,边跨102m,内设一辅助墩以提高结构的整体刚度。主梁为单箱双室预应力混凝土结构,主塔为钻石形结构,斜索为空间的扇形密索体系,梁上索距7m。结构体系为塔、梁固结,边墩和辅助墩上设纵向滑动支座。主塔墩和边墩采用钻孔摩擦桩基础。
2 斜拉桥设计
2.1 主要技术标准
(1)设计活载:双线轻轨荷载。
(2)设计行车速度:80km/h。
(3)路面超高设置:20cm。
2.2 主塔设计
主塔为钻石形结构,塔顶高程+99.909m,塔根高程+33.016m,塔高66.893m。塔柱横桥向宽2.2m,顺桥向宽4.0~5.029m,中、上塔柱外侧设计了1个装饰槽。为增加横向刚度,抵抗斜索径向水平分力,主塔上塔柱间设一箱形三角块,下部内收为实体构件。上、中塔柱截面顺桥向壁厚60cm,横桥向壁厚100cm,中间三角块壁厚80cm。下塔柱实体块根部横桥向长14m,顺桥向宽502.9cm。
主塔锚固区水平向布置直径32mm预应力粗钢筋。
由于斜拉索径向力的作用,曲线外侧塔柱为拉弯构件,曲线内侧塔柱为压弯构件。为解决外侧塔柱受拉 问题 ,在曲线外侧塔柱布置竖向预应力。竖向预应力布置分为2部分,高程+58.409~+80.409m处靠内侧塔壁布置8束12-7ф5预应力钢绞线,高程+31.016~+50.909m处靠外侧塔壁布置20束12-7ф5预应力钢绞线,见图2。

在塔、梁交接处下塔柱顶布置有8束12-7ф5水平预应力钢绞线。
2.3 主梁设计
主梁全长209.90m,其中主跨部分长107.95m,边跨部分长101.95m,为单箱双室预应力混凝土结构,上缘宽11.0m,下缘宽5.0m,横梁间距3.5m,梁高2.6m,为减小活载产生的主梁扭矩,线路中心线向主梁中心线内侧偏移20cm,见图3。
标准段主梁顶板厚25cm,底板厚30cm,斜腹板厚35cm,中腹板厚40cm,两侧斜索锚固悬臂端长100cm,高80cm,横梁为变宽截面,距中腹板203.3cm范围宽30cm,然后渐变至端部70cm。
为克服边跨支座负反力,在36m辅助跨箱内填压重混凝土,底板增厚至50cm,中腹板加宽至50cm。主梁纵、横向布置有预应力钢绞线束。全桥纵向布置18束5-7ф5通长钢绞线束。主跨底板布置有4类12-7ф5预应力钢绞线束。边跨布置有3类12-7ф5预应力钢绞线束。主梁顶板在端部和支点处都布置12-7ф5预应力钢绞线束。
普通横梁布置有2根9-7ф5预应力钢绞线束。
2.4 斜拉索设计
斜拉索采用ф7平行钢丝斜拉索,标准抗拉强度1670mpa,规格分别为55、73、85、91、109丝共5种类型,最短斜索长29m,最长斜索长113m。全桥共56根,共计104t,冷铸锚112套。

2.5 主塔基础设计
主塔墩地形复杂,承台的西北角和东南角各有1根外径2.2m的供水管通过,在承台东南角下有1条电缆沟通过,见图4。为避开西北角供水管道,切去承台西北角,承台尺寸23m×12.2m×4m,切角尺寸12.8m×4.8m。桩基础采用13根直径1.8m钻孔摩擦桩,桩长75m,桩基在平面布置上避开电缆槽,见图5。承台底至电缆沟顶距离为0.774m。基础施工时在承台底与电缆沟顶之间应采取隔离措施,防止上部结构反力直接传至电缆沟。

由于斜拉索径向力的作用,在恒载作用下,主塔基础作用有径向弯矩,本桥主塔基础重心向曲线内侧偏移,与主塔基础受力吻合。
3 静力 计算
3.1 空间静力计算
由于本桥为预应力混凝土曲线斜拉桥,其受力特点表现为复杂的空间受力状态,不能用传统的平面杆系程序进行 分析 计算。本次计算采用中铁大桥勘测设计院有限公司编制的“桥梁空间分析软件3dbridge”空间程序进行静力分析,利用不对称索力调整主梁的扭矩,使结构在恒载状态受力达到最佳。计算中采用的成桥状态结构各部位边界条件见表1。

3.2 主要计算结果
(1)竖向刚度。主跨跨中最大活载时竖向挠度为1/1612,说明结构具有较好的竖向刚度,满足地铁设计规范的要求,保证了大桥建成后轻轨列车行车的舒适性。
(2)侧向刚度及扭转刚度。跨中活载横向位移最大为0.031mm,最小为-1.725mm,跨中活载扭转角最大为8.9×10-5 rad,最小为-3.39×10-4 rad。虽然地铁设计规范对于桥梁的侧向刚度和扭转刚度没有明确规定,但从计算结果可以看出大桥具有很好的侧向和抗扭刚度。
(3)恒载状态下斜拉索索力、应力见图6。从图6可以看出恒载状态内外侧索力不对称,通过不对称索力调整主梁的恒载扭矩。
4 静力稳定分析
根据有限变位 理论 ,并记入塔梁p-δ效应,对成桥阶段空间整体弹性稳定性进行分析。结构1阶失稳时的变形见图7。结构1阶失稳表现为主孔主梁弯曲失稳,稳定安全系数n=24.5,整体稳定安全系数较大。
5 斜拉桥施工
本桥主梁采用满布膺架法施工(图8),为节省工期,中、上塔柱与主梁同时进行浇注。斜拉索采用2次张拉,第1次张拉完毕后主梁整体落架,然后进行第2次斜拉索张拉,一恒、二恒索力全部张拉到位,后期桥面铺装完成后,无须进行大规模调索。

施工监控计算采用“桥梁空间分析软件3dbridge”进行,第1次在空间程序上利用“无应力索长法”控制斜拉桥最终目标状态。
6 本桥技术特点 总结
(1)结构几何关系复杂:由于主梁位于缓和曲线和圆曲线上,主塔为钻石形,塔、梁、索及空间锚点坐标复杂。
(2)结构受力复杂:由于主梁为曲线形,斜拉索向曲线的圆心方向有一水平径向分力,整个结构受力为复杂的空间受力状态。
　　(3)主塔设计特点:由于径向力的作用,主塔为空间不对称受力状态,曲线外侧塔柱为拉弯构件,内侧塔柱为压弯构件。设计时,采取在外侧塔柱施加竖向预应力等措施解决受力不对称 问题 。
(4)主梁设计特点:主梁承受空间的弯矩、剪力和扭矩作用。设计时,曲线内外侧斜索采用不对称索力,利用内外侧索力差来平衡主梁恒载扭矩。另外,轨道中心线向主梁内侧偏移以减小活载扭矩。
(5)基础设计特点:主塔基础处地形条件复杂,设计时将基础重心向曲线内侧偏移,既满足了地形要求又与基础受力相吻合。
(6)静力计算及施工控制:采用空间程序对斜拉桥进行静、动力分析,首次将“无应力索长法”运用于空间程序进行现场的施工控制计算,控制斜拉桥安装的最终目标状态。
7 结　语
经过两年多时间的施工,本桥已于2005年11月上旬完成主体结构的施工,塔、梁、索及锚点空间位置正确,经检测实际成桥状态与理论计算吻合。