上海闵浦二桥公轨一体化设计综述.pdf

2011 年第 2 期地下工程与隧道UNDERGROUND ENGINEERING AND TUNNELS2011No 2上海闵浦二桥公轨一体化设计综述唐国胜(上海市隧道工程轨道交通设计研究院)摘要:上海闵浦二桥为国内首座采用“干”字形桥墩的公轨一体化工程。详细介绍了该工程引桥的总体设计，分析了桥墩、轨道梁等重要结构的设计思路及方法，同时介绍了一种架桥机架梁的新方法。关键词:闵浦二桥;公轨一体化;轨道梁;干字形桥墩;架桥机施工1工程概况上海闵浦二桥新建工程北起闵行区沪闵路东川路以北，沿沪闵路向南跨越黄浦江后，沿奉贤区沪杭公路至西闸路以南落地，工程桥位距下游已建奉浦大桥约 1 7 km。规划中的上海市轨道交通 5号线南延伸工程与沪闵路沪杭公路越江工程在同一位置跨越黄浦江，高架道路与轨道交通在桥的上、下层合建。5 号线南延伸(闵奉段)工程是全市轨道交通规划网络的组成部分。由 5 号线东川路站北端预留的道岔处引出，沿沪闵路向南，过黄浦江后沿沪杭公路向南，设有东川路、江川路、西渡 3 座车站，正线预留继续向南延伸的条件。轨道交通在本工程的实施范围是公路工程道路红线范围内的土建预留工程。闵浦二桥工程全长为 4 788 km，其中跨黄浦江主桥结构长 436 65 m，轨道交通与公路叠合段长度为 3 225 615 m。一体化段上层为二级公路，双向 4车道，桥面宽度 18 m;下层为轨道交通 5 号线，线间距 3 3 9 4 m。2主要设计技术标准1)设计使用年限:100 年。2)抗震设防标准:设计基本烈度 7 度，地震动峰值加速度 0 1 g。3)列车荷载:轴重按 136 5 kN 计，轻载轴重按75 kN 计，6 节编组(见图 1)。图 1列车活载图式(m)4)列车最高运行速度:80 km/h。5)道路设计行车速度:60 km/h。6)道路等级:二级公路。7)道路设计荷载:公路 I 级(双向 4 车道)。3引桥总体设计3 1跨径选择越江主桥道路标高由于受黄浦江通航净高制约，离地面高度超过 40 m，同时轨道交通纵坡不能超过 2 5%的控制值，使桥墩高度普遍较大。一体化桥墩高度多在 20 42 5 m(承台顶至公路盖梁顶面)，其中墩高 30 m 的约占桥墩总数一半。另外，轨道交通墩柱刚度要求较高，故桥墩体量亦较大。经对受力、景观及经济性综合比较后，视桥面较高和较低的一体化区段处分别采用 40 m 和 30 m跨径。3 2桥墩选型通过对闵浦二桥新建工程跨越黄浦江节点引桥段一体化区间桥梁型式各方案的深入研究，对大“门”形桥墩、小“门”式双柱墩、“Y”形桥墩、“球拍”式桥墩和“干”字形独柱式桥墩等方案进行了多方面的比较:1)本工程所在区域的城市化程度相当高，特别31地下工程与隧道2011 年是江川镇曾为老闵行的区域中心，环境较好，应充分考虑环境保护的问题。2)从视觉效果上考虑，为了弱化墩柱林立、拥挤的感觉，引桥桥墩宜采用“干”字形独柱式桥墩，上层为公路，下层为轨道交通。3)从交通功能、结构性能及经济性上进行比较，“干”字形独柱式桥墩方案均优越于其他桥墩方案，且该方案道路断面布置灵活、紧凑，墩形轻巧、形式简洁、外形美观。4)在主桥与两端引桥交接处地段，大“门”形桥墩能满足下层高架轻轨的限界要求，可作为本工程一体化高架结构桥墩结构形式的一种补充。3 3轨道梁选型根据以往工程经验，主梁的截面型式主要有空心板梁、槽型梁、T 型梁及箱梁等。1)空心板梁由于跨越能力较小，横向整体性较差，适宜跨径 20 m。由于本工程标准跨径为 40m，因此空心板梁不适宜采用。2)槽型梁结构高度低，便于城市道路间立体交叉，压低线路标高，节约总投资;两侧主梁可兼起防噪屏及栏板作用，景观效果好，主梁上缘可兼做疏散通道，截面空间利用率高。但它仍受下列因素制约:(1)本工程桥墩普遍较高，梁高不受限制。(2)目前，槽型梁跨径国内应用较多的是 25m、30 m，但本工程采用的是 40 m 标准跨径，实施难度大，也不经济。(3)本工程多处线路曲线半径仅 300 m 左右，如采用槽型梁，需增大结构宽度，导致线间距相应增加。(4)本工程采用独柱桥墩，槽型梁腹板需避开桥墩，导致线间距增加，不仅增加桥墩及基础混凝土工程量，而且与两侧建筑物的净距缩小。3)T 梁结构也是较为常用的结构形式，其设计和施工经验成熟，跨越能力大，造价低，施工方便，对施工设备无特殊要求，对变宽度桥面的适应性较强;缺点是桥梁建筑高度相对较高，从桥下仰视梁底，纵、横梁密布，比较凌乱，景观效果不佳。4)箱梁是广泛采用的一种结构形式，在设计及施工方面均有成熟的经验，其结构整体性能好，抗扭刚度大，具有良好的动力性能，能适应各种平面线形和桥宽的变化，可较好满足使用要求。结构外形简洁、轻盈，线条流畅，桥下视觉较为通透开阔，外观上可以采用直腹板、斜腹板或弧形断面，行车平稳舒适;施工方法可采用支架现浇法或预制吊装法。经对上述几点进行分析，从工程环境、功能要求、施工方案等方面综合考虑，决定采用箱梁结构。4结构设计4 1桥墩设计闵浦二桥引桥桥墩高度较高，立柱体量较大，立柱截面采用六边形，以弱化墩柱视觉上体量过大，给人视觉上有压抑感的弊端(见图 2、图 3)。图 2桥墩构造(mm)拟定桥墩立柱尺寸不仅要考虑上、下层恒/活载的竖向、横向力作用，还要考虑墩台的纵向、横向水平刚度应满足列车安全性和旅客乘车舒适度的要求。经计算分析比较，桥墩线刚度为桥墩尺寸的控制条件。为此，采用了空心薄壁墩柱(实际施工过程中，为加快施工进度，轨道以上部分变更为实体墩)，既减小墩柱混凝土的用量和基础的垂直力，又获得了较大的墩柱刚度。据此确定一体化桥墩柱高度 L28 m 时，顺桥向尺寸为4 m;L 28 m 时，41第 2 期唐国胜:上海闵浦二桥公轨一体化设计综述顺桥向尺寸为 3 2 m。立柱顺桥向宽度为定值(等宽度)，横桥向宽度为变值(变宽度)，变化规律:B=2 9+2L/29。上盖梁为预应力混凝土结构，截面为倒梯形式，梁高 3 500 mm;下盖梁亦采用预应力混凝土结构，截面为矩形，根部截面高度 2 500 mm，宽度2 000 mm。图 3桥墩横断面(mm)4 2轨道梁设计跨越道路跨径 45 m 时，上下梁均采用钢 混结合梁外，其余轨道梁采用预应力混凝土单箱单室小箱梁。轨道梁设计中充分结合了施工方案。根据施工组织方案，有条件的情况下，轨道梁与公路梁尽可能同步采用架桥机施工。同时，考虑到位于江川路站前的大部分线路处于 R=300 m 及 R=335m 的曲线上，不适宜架桥机施工，且该部分轨面标高相对较低，采用满堂支架现浇施工。箱梁设计的制约因素主要有以下 3 个方面:1)架桥机起吊重量280 t。2)架桥机吊下层轨道梁时受桥墩结构限制，需避开桥墩盖梁，吊点必须选择在离端部 4 m 处。3)根据环评要求，部分区间需设置全封闭声屏障，其侧向受风总高度超过 9 m，小箱梁横向稳定性值得关注。综合考虑以上因素，应尽量减小箱体自重，满足起吊要求。因此箱梁设计在满足受力和构造要求的前提下，尽量减小板的厚度。通过计算分析，箱梁结构梁高定为2 2 m;直线段桥面宽4 85 m，曲线段桥面宽另考虑曲线加宽 50 330 mm;箱底宽2 4 m，腹板斜率 17 4;顶板厚 0 20 m、底板厚0 24 m;腹板跨中厚 0 265 m，仅在端部 3 5 m 处开始渐变至 0 515 m。当梁长 32 m 时，直线梁仅在支点设置横隔板，其他梁在支点和跨中均设置横隔板。端横隔板厚1 m，中横隔板厚0 4 m。同时箱梁混凝土分 2 批浇注，悬臂部分待箱梁吊装就位后再续浇筑。根据梁横向稳定性计算结果，端横梁宽度相应加大(见图 4)。最终经方案不断优化，40 m 简支梁重量控制在 280 t 以内，满足了施工要求。图 4箱梁断面(mm)对于箱梁吊装吊点，通过控制预应力分批张拉来控制，考虑到方便第二批张拉，选择顶部张拉腹板索为第二批张拉索。由于轨道梁是随道路工程提前同步实施，铺轨时间超过了 2 年以上，经计算，铺轨后徐变不控制设计。5抗震设计闵浦二桥引桥桥墩地震作用采用闵浦二桥引桥抗震性能研究报告 的建议。经研究，引桥结构抗震性能采用二级水准设防、二阶段设计的指导思想，水准 I 相当于设计地震，水准 II 相当于罕遇地震，前者控制强度，后者控制位移(见图 5)。根据震后引桥结构各构件的修复难易程度及损失所决定的风险程度，本工程各构件采用下列设51地下工程与隧道2011 年防水准和相应的性能目标(见表 1)。图 5地震影响系数表 1设防水准和相应的性能目标设防水准性能目标水准I50年 超 越 概率 10%(相 当 于 重 现 期475 年)桥墩墩身应满足极限状态的强度要求;桥墩横梁应保持弹性;桩基保持弹性;单桩承载力允许提高 1 1 倍。支座保持正常工作状态水准II50年 超 越 概率 3%(相 当 于 重 现 期1642 年)桥墩墩身应具有足够的延性能力以满足变形需求，保证不倒塌;桥墩横梁应满足极限状态的强度要求;支座容许剪坏;桩基础应满足极限状态强度要求;单桩承载力允许提高 15 倍根据闵浦二桥引桥抗震性能研究报告 反应谱分析结论，在水准 I 地震作用下，区间独柱墩墩身、桩基础满足强度抗震要求;在水准 II 地震作用下，横桥向区间独柱墩墩底、桩基础均发生屈服。根据非线性时程分析结论，在水准 II 地震作用下，在反应谱分析发生屈服的桥墩墩身，发生的最大塑性转角 容许的塑性转角，变形满足要求。在第 II 水准地震作用下，根据性能要求，在该水准下桥墩允许屈服，但应保证具有足够的延性变形能力以满足延性变形的要求，并应满足抗剪强度的要求。通过验算结论，塑性铰位置的墩身抗剪能力可满足抗震要求。6架桥机施工工艺箱梁采用架桥机架设，梁均由运梁车喂梁。由于本工程为公轨一体化双层桥梁，架设下层轨道梁时受到上下盖梁限制，不能按常规方法直上直下架梁。经各方讨论，决定采用图6 所示方案:轨道梁倾斜，计算避开盖梁所需角度，一端进入后平移轨道梁，另一端再进入，由此相应确定吊点距梁端最小距离，并对轨道梁重新进行验算，满足施工期间要求。图 6一体化桥梁架桥机架桥工艺按通常施工顺序逐次架梁，虽然时间较短，但经验算，施工期间墩顶截面弯矩和轴力最大为 M=21 300 kNm，N=2 400 kN，远大于运营状态下的内力。如需满足施工荷载要求，桥墩需增加大量钢筋，浪费较大。经过与各方多次沟通，提出了图 7 所示方案，采用架桥机多次移梁，并对桥墩施加少量临时竖向预应力方案，成功解决了这一难题。采用该方案后，在最不利工况下 M=15 624 kNm，N=5 700 kN。图 7架梁顺序(工字钢为架桥机位置示意)7结语随着我国市政基础设施的快速发展，快速道路及轨道交通建设呈不断增长的趋势。为了适应城市化的需要，提高土地利用效率，目前，国内已建和在建的有上海共和新路一体化高架、闵浦二桥以及由我院前期研究并力荐的宁波北环西路快速路与地铁 4 号线的一体化结构等工程。可以预见，一体61第 2 期唐国胜:上海闵浦二桥公轨一体化设计综述化结构将有着巨大的发展空间。目前，上海闵浦二桥工程上层公路已经通车，下层正进行附属结构施工。希望通过本项目的设计经验总结，对今后类似工程结构设计提供有益的借鉴和参考。表 2各施工工况下控制截面内力统计表项目上立柱最不利截面(墩顶 B=29 m)轴力/kN横向弯矩/kNm顺向弯矩/kNm工况一4 85010 7442892 5工况二5 70015 623781 785工况三5 70047 092892 5工况四7 20015 094843 570工况五5 70012 60628892 5项目上立柱最不利截面(墩顶 B=29 m)轴力/kN横向弯矩/kNm顺向弯矩/kNm工况六5 7004 70928925工况七7 20015 094841 785工况八6 55012 606281 785工况九7 40010 74422 6775工况十8 2507 72674 4625参考文献:1陈文艳，等 黄浦江首座公轨双层桥-闵浦二桥引桥工程总体方案研究 J 地下工程与隧道，2008(1)(收稿日期:2011 04 25檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿)(上接第 9 页)时阻塞队列中连接通道附近又发生 50 MW 火灾的最不利工况之上，这类事件发生的概率非常低。经综合分析，拟不对该工况投入过多的防灾措施，而在增加安全管理措施方面加以弥补(如及时排堵、控制危险品车辆进入等)。6结语随着国家经济的快速发展，超长隧道的建设将会越来越多。在确定人员疏散方案时，需要结合隧道的功能定位、建筑布局、防排烟系统、消防系统等综合考虑疏散方案。疏散方案是否合适，应利用相关的疏散模拟软件，进行模拟分析，为疏散方案的确定提供技术支持。参考文献:1 建筑设计防火规范GB50016-2006 2 公路隧道设计规范JTG D70-2004 3 公路隧道交通工程设计规范JTG_T_D71-2004 4研究报告:长江隧道火灾烟气迁移规律及烟控系统试验研究同济大学(收稿日期:2011 03 21檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿殨殨殨殨)欢迎赐稿欢迎订阅欢迎刊登广告712011 年第 2 期地下工程与隧道UNDERGROUND ENGINEERING AND TUNNELS2011No 2UNDERGROUND ENGINEERING AND TUNNELS(Quarterly)No 2Jun 2011Abstract of Main Contents(1)Anti-buoyancy Technologies of Extra-large Slurry Shield TunnelYang FangqinThe paper introduces the causes and factors influencing the buoyancy of shield tunnel Then，itpresents the buoyancy analysis model considering the transverse and longitudinal interaction，andexplains the approach to determine the tunnel buoyancy and its resistant capability in single cementslurry Taken the Shanghai Yangtze River Tunnel as an example，the paper introduces the results ofbuoyancy analysis and proposes the buoyancy control measures for extra-large diameter shield tunnel，providing a reference for similar projects(6)Evacuation Simulation and Safety Evaluation of Shanghai Yangtze River TunnelLiu Wensheng!According to the fire evacuation design scheme of the Shanghai Yangtze River Tunnel，the STEPSsoftware is used to simulate the evacuation under the most serious scenario and to analyze the tunnelsafety based on the simulation resultsSome suggestions are proposed to improve the operationmanagement(10)Discussion on Knowledge Integration System of Urban Rail 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