城市轨道交通影响下的桥梁下部结构设计
城市轨道交通影响下的桥梁下部结构设计
摘 要：文章以上海市绿科路新建工程为例，运用桥梁博士软件分析了城市桥梁与城市轨道交通(本文指地下铁道，英译Metro)线位平行时的桥梁下部结构设计和优化，并探讨了桥梁基础与盾构施工的建设时序以及相应的保护措施。
关键词：下部结构;盾构;预应力混凝土盖梁;差异沉降;铅芯橡胶支座
中图分类号：U448 文献标识码：A 文章编号：1006-8937(2015)08-0015-02
随着我国经济快速发展，北京、上海、广州等一线城市的城市轨道交通线路陆续开始建设并投入运营。按照线路架设方式，城市轨道交通分地下、高架和地面三种形式，地下轨道交通(下文简称“地铁”)通常采用盾构施工，隧道结构保护和附加荷载控制严格。在城市桥梁与地铁线位平行的条件下，如何对桥梁下部结构进行优化设计并处理好桥梁基础与隧道结构不同建设时序下的保护措施，是桥梁工程师们正在面对的难题。本文将对此类条件下的某城市桥梁的总体布置作简要阐述，并着重对下部结构建模进行分析、比较，提出桥梁施工期间的保护要点。
1 工程建设条件
上海市绿科路(南洋泾路-罗山路)为城市次干路，双向四车道，红线宽度34 m，道路在桩号K0+694处跨越先生浜河，河道规划蓝线宽度21 m，需新建过河桥梁一座。根据工程可行性研究报告，新建桥梁跨径组合(8+16+8) m，桥位与规划地铁13号线线位重合。桥梁与地铁线位位置平面如图1所示。
依据地铁13号线施工图设计资料，桥位处隧道分上行、下行线，隧道采用盾构施工工艺，外缘直径6.8 m，净距约17.5 m，隧道与桥面中心线平面距离约1.1 m，隧道位于地面以下15～25 m。
初步设计阶段经征询地铁设计单位，明确隧道与桩基净距要求：新建桥梁桩基与隧道外缘净距≤3.0 m。因此，隧道两侧桥梁桩基横桥向净距≥12.8 m(=3.0+6.8+3.0 m)，两孔隧道间桩基横桥向布置宽度约11.5 m，详平面图。依据工程建设条件的限制，桥梁应合理布置桩位，采用较大横桥向跨度的桥墩结构，同时做好对桥梁下部结构的保护措施。
2 桥墩初选方案及结构设计
根据上海地区的建设经验，中小跨径梁桥的上部结构一般采用预制混凝土空心板梁，其建筑高度低，设计、施工经验成熟，质量有保障。
空心板梁设计汽车荷载：城-B级，16 m跨梁高82 cm、8 m跨梁高52 cm。
2.1 桥墩方案初选
具有较大横桥向跨径的桥墩结构中，常见的为门墩式混凝土结构、钢结构。
混凝土结构：采用预应力混凝土盖梁，一般为倒“T”形截面，张拉横向预应力形成竖向抗弯体系。
钢结构：横梁、立柱采用钢构件，一般为型钢组合截面，通过焊接形成框架。
近年来，预应力混凝土盖梁在高架桥梁中应用较多，其设计和施工均比较成熟，一般采用满堂支架现浇，分批张拉预应力;钢结构轻质高强，适用跨度较大，可工厂预制、现场焊接，但单位造价较高，作为桥墩结构，其用钢量较大，浦东地区同类工程应用很少。基于地区适用性和造价考虑，桥墩采用门墩式混凝土结构。
2.2 桥墩结构设计
2.2.1 横桥向总体布置
根据桥梁与地铁线位的相对位置以及隧道保护净距要求，总体布置中中立柱承台与桥面中心线的水平距离为1.073 m，桥墩盖梁端部设置边立柱与承台，盖梁中部设置双立柱与承台。
2.2.2 截面尺寸、材料
预应力混凝土盖梁采用倒“T”形截面，宽2.8 m(含牛腿各宽0.9 m)，截面最大高度1.97 m，盖梁横坡通过截面高度变化形成;立柱截面2×1.5 m;承台厚度2 m;桩基直径0.8 m。
材料：盖梁为C50混凝土;钢绞线采用(1×7-15.20-1860-
GB/T 5224-2003)国家标准，每9根编束;立柱、承台(含桩基)分别采用C40、C30混凝土，普通钢筋采用HRB400。
2.2.3 模型计算分析
根据中、边立柱与盖梁的联结方式、盖梁是否设置沉降缝，将盖梁分为三种结构：墩梁全固结;中墩固结边墩释放;墩梁固结盖梁设缝。
依据边界条件分别建立“桥梁博士”模型进行横桥向结构分析计算，根据承载能力、正常使用极限状态下的验算结果，确定桥墩合理的结构形式。考虑桥梁使用和所处I类环境的要求，桥墩盖梁按A类预应力混凝土构件设计。
①墩梁全固结条件下的结构分析
桥墩立柱均与盖梁固结，盖梁边跨高比(l/h)=8.1，立柱与盖梁节点传递轴力、剪力、弯矩，盖梁受弯时立柱将分摊部分弯矩，立柱横桥向的线刚度(EI/l)以控制柱顶水平位移?驻x时截面内力为目的进行优化。根据桥面及承台顶标高计算，立柱高Hz=2.603 m。盖梁、立柱线刚度计算如下：
盖梁：■;
立柱：■。
两者线刚度之比0.32，因此盖梁横桥向应按三跨连续刚构计算。立柱高度Hz对计算结果影响较大，在施工条件允许时，应尽量降低承台顶标高，以改善盖梁内力。限于篇幅，本文中计算模型单元划分和建立予以省略。
计算模型中桩基按照横向抗弯模量EI等效的原则，将双排桩(桩径d)等效为单根直径dr的桩基(dr=■)。
经初算，预应力钢束分三行三列布置，两端张拉，在盖梁端部锚固。施工阶段划分：立柱及下部基础施工，盖梁钢筋、波纹管、混凝土施工，养护28 d;张拉第一批钢束，架梁，铰缝施工;张拉第二批钢束，桥面铺装施工;成桥10 a;其中，一期、二期恒载、活载按阶段输入。
依据(JTG D62-2004)相关条文，对预应力钢束进行调束，优化各单元截面内力后，结果见表1。
表注：1.表中数值前带“+”表示截面受压，“-”表示截面受拉;中、边立柱的内缘均指桥墩中心线侧;
2.?滓st、?滓lt为在荷载短期、长期效应组合下构件抗裂验算边缘混凝土的法向拉应力;?滓pc为扣除全部预应力损失后的预加力在构件抗裂验算边缘产生的混凝土预压应力;?滓tp为由荷载短期效应组合和预加力产生的混凝土主拉应力。
根据计算结果，结构体系对升、降温，混凝土收缩、徐变，柱顶水平位移，基础差异沉降等作用较为敏感，立柱单侧钢筋配筋率0.3%时，边立柱顶部的柱身裂缝宽度不满足规范要求，各组合下盖梁截面应力满足规范要求。
②中墩固结、边墩释放条件下的结构分析
桥墩中立柱与盖梁固结，边立柱顶面设置单向活动支座，允许该支点处盖梁有横桥向水平位移和转角位移，但纵桥向位移予以约束，避免中立柱在水平面内扭转变形。边立柱与盖梁节点仅传递竖向轴力、纵桥向水平剪力，仅中立柱分摊盖梁的弯矩。
除节点约束外，模型Ⅱ与模型Ⅰ相同，调束并优化截面内力后，结果见表2。
根据计算结果，边立柱与盖梁节点的转角、水平位移约束释放后，升、降温，混凝土收缩、徐变等引起的边立柱附近盖梁弯矩减小，中立柱附近盖梁支点负弯矩、跨中正弯矩有所增加;与模型Ⅰ相比，短期效应组合立柱顶的最大水平剪力增至2 350 kN，柱顶柱身最大弯矩增至2 360 kN·m，立柱底柱身弯矩变化较小，约2 700 kN·m;承载能力极限状态下边立柱顶面最大支座反力为2 260 kN。
综合分析，中立柱柱身最大弯矩变化较小，柱顶水平剪力增幅较大，宜加强柱顶箍筋，减小箍筋间距。立柱单侧钢筋配筋率0.3%时，能较好控制柱身裂缝;各组合下盖梁截面应力满足规范要求，结构受力状况合理。
③墩梁固结、盖梁设缝条件下的结构分析
模型I盖梁未设沉降缝，结构对预应力张拉、升、降温、差异沉降等较为敏感，模型Ⅲ在中立柱间设置沉降缝后，盖梁结构上分为两幅。通过在沉降缝处盖梁端部预埋固定端锚具，边立柱处盖梁端部单端张拉形成预应力体系。该结构降低了超静定次数，为优化设计创造了条件。
模型Ⅲ中单元、荷载、边界条件与模型I基本相同，在设置沉降缝的节点处将左、右单元隔离，预应力钢束在两幅桥墩结构中分别布置，经过试算和调束，优化截面内力后，计算结果见表3。
根据计算结果，立柱单侧钢筋配筋率0.3%时中立柱底部内缘柱身裂缝宽度不满足规范要求，各组合下盖梁截面应力满足规范要求。
④桥墩结构选择及优化
根据分析结果，三种结构特性如下：
墩梁全固结：升、降温，混凝土收缩、徐变，水平位移，基础差异沉降等作用对结构影响明显，立柱裂缝宽度Wfk是结构设计主控因素。
中墩固结、边墩释放：盖梁截面应力、立柱裂缝宽度Wfk满足规范要求，中、边立柱受力合理，盖梁、立柱截面可优化。
墩梁固结、盖梁设缝：结构超静定次数较低，中立柱裂缝是结构设计主控因素;差异沉降时沉降缝附近桥面铺装易纵向开裂。
综合分析，选用结构Ⅱ作为新建桥墩结构;边立柱顶面设置隔震力学性能、耐久性好的铅芯橡胶支座。
3 建设时序与施工保护
新建桥梁应按照地铁隧道盾构和桥梁下部结构的施工时序确定合理的施工组织方案，在保证施工质量、运营安全、结构耐久的前提下，对盾构和桥梁下部结构施工先后的两种工况作简要分析，提出合理的建议。
3.1 地铁盾构→地面桥梁
隧道盾构完工后，施工桥梁桩基础。考虑适用性和无挤土效应，上海地区桥梁桩基常选用钻孔灌注桩，需要注意的是施工中钻孔及泥浆循环容易对桩身附近土层产生扰动，局部土体内力重分布，有可能引起隧道结构变形、裂缝或渗水等不良后果。因此需要在隧道结构上安装监测装置，目的是在桩基及下部结构施工时对隧道结构进行监测。
盾构附近的钻孔桩一定桩身长度范围内推荐设置钢护筒，避免桩基施工对隧道结构的不利影响，该段桩基侧摩阻力不计入桩基承载力。应注意桩基定位精度，并在盾构附近四列纵桥向桩基内设置测斜管，实时监测桩身倾斜度。
施工时原地面的土体开挖或堆载将对下方隧道结构带来附加荷载，应避免在地铁上方原地面进行卸、堆载，承台开挖时应采取有效的等载措施。
3.2 地面桥梁→地铁盾构
本工况中盾构在桥梁下部结构完工后进行，桥梁按照隧道保护距离要求布置桩位，预留盾构空间，钻孔灌注桩桩身应安装监测装置。地铁盾构施工中应加强对桥梁下部结构的保护，控制盾构推进速度，尤其注意边墩桩基础的桩身状况监测，避免土压力变化造成桩基桩身强度破坏或土体扰动带来桩基沉降。
4 结 语
①本文通过建立平面杆系模型，比较分析了受地铁盾构施工影响下的三种桥墩结构形式，推荐了中墩固结、边墩释放的合理桥墩结构，并提出了施工期间的保护措施，希望为同类型桥梁的设计提供借鉴。
②在墩梁完全固结的情况下，桥墩结构受整体升、降温，混凝土收缩、徐变，基础差异沉降的影响明显，应引起桥梁设计人员的重视。
③本文是基于预应力混凝土桥墩盖梁进行的结构分析，桥墩采用钢构件时如何进行结构设计还有待于进一步研究。