蘇州河橋鋼管混凝土拱橋設計與施工
發布時間：2010-01-14 共2頁
3、結構分析
結構分析采用有限元程序SAP91進行三維空間計算，包括整體分析、穩定分析等，用橋梁專用平面分析程序PRPB和BSACS分別進行了驗算。在計算時橋面以上主拱拱肋除按鋼管混凝土設計外，還用類似于鋼筋混凝土構件的方法進行施工計算，在截面形成階段采用應力疊加法設計。鋼管的套箍系數取0.8.
3.1 施工階段計算本橋施工體系轉換分五個階段進行，施工中中孔利用既有鐵路鋼橋作支架，待新橋建成后拆除既有橋。
第一階段：在支架上現澆兩邊段（立柱、拱、橫梁）及全橋邊縱梁，待混凝土達到強度后每片邊縱梁內張拉兩根預應力束。
第二階段：將工廠內制造的主拱肋鋼管，每側7段，運到工地，在邊縱梁上搭設支架拼裝就位。空鋼管拱肋合攏后即封住主拱、縱梁結合處，再形成鋼管混凝土截面。待主拱內混凝土達到設計強度后即開始張拉吊桿，給吊桿以初始張拉力，后錨固于主拱肋內。現澆中段橫梁，待混凝土達到設計強度的90%后，張拉橫梁預應力筋，澆全橋小縱梁，待混凝土達到設計強度后，張拉小縱梁內的預應力束。在每片邊縱梁兩端施加預應力，張拉兩根預應力束。
第三階段：張拉邊縱梁內T2及B2各一束，鋪裝中孔橋面板后，拆除中拱支架。
第四階段：拆除邊拱支架，澆注全橋橋面板，張拉邊縱梁內三根預應力束。
3.2 成橋階段計算進行以下幾方面的計算：網
1. 二期恒載按換算均布荷載分擔到橫梁和縱梁上；
2. 支座沉降計算；
3. 溫度變化計算；
4. 活載為輕軌列車荷載，每列最多八節，每節8軸，重車軸重170kN，輕車軸重80kN，雙線荷載；
5. 計算承軌臺在成橋后三個月、六個月、一年、三年的徐變變形量。
3.3 穩定性分析在本橋的穩定性方面，設計時考慮兩片主拱之間加設三道一字型風撐，拱肋基礎連成整體。全橋整體穩定分析采用SAP93曲屈穩定分析程序進行計算，彈性穩定系數10-12.
3.4 樁基計算樁基設計從三方面控制：
1.地基承載力控制：Nd= （upfili+fipAp）/K；
2.樁身強度控制：s￡0.2R；
3.沉降控制：滿足軌道變形的要求，控制在2cm.最終沉降量采用分層總和法計算，將樁基承臺樁群與樁之間土作為實體深基礎，且不考慮沿樁身的壓力擴散角，壓縮層厚度自樁端全斷面算起，至附加壓力等于土的自重壓力的20%處。
沉降計算結果
4、施工關鍵問題
4.1 與既有鐵路橋關系及處理蘇州河橋橋位選擇的目的即是利用舊滬杭鐵路上的舊鐵路桁架作為施工架橋的臨時支架，新橋完成后即拆除舊橋。
經調查得知：滬杭鐵路內環線上既有的蘇州河橋，建于1907年，基礎樁采用木樁，上部結構于1994年更換新鋼桁梁，鋼桁梁為一孔跨度44.34m的簡支梁，其全長45.4m，桁高5.5m，采用高強螺栓連接。一孔重量為132.98t（包括東側人行道及上弦檢查走道，人行道1.5m）。該橋為單線橋，設計活載為中活荷載。蘇州河橋其南端接萬航渡路平交道口，鐵路通訊、信號電纜從橋下穿過，市區電線、高壓線由橋側上空跨過。
因此橋梁設計時應考慮兩個問題，其一，如何使新橋在施工的各個階段施加于支架上的荷載不超過舊有鐵路橋的設計承載力，其二，保證舊橋拆除時不影響新橋的安全穩定。
設計時，每個施工階段的計算均增加了一項，即驗算舊橋的承載力，對支架拆除順序進行了準確規定。但在施工時，有遇到以下問題：
1. 根據現場量測結果，新橋縱軸線偏離老橋軸線（南端82mm，北端73mm），使得老橋偏心受力。
2. 由于新橋全寬12.5m，而老橋全寬5.9m.新橋的兩側邊縱梁均位于老橋的外面，故施工支架必須伸出老橋之外，采用I字鋼橫向架設于老橋頂上，以滿足立模的需要和剛度要求。
3. 由于老橋桁梁的兩端為斜焊，上面不能架設I字鋼，另外，既有人行道在施工期內又不能封閉，故必須對老橋進行接長處理，以滿足架設I字鋼和橋上支架與岸上滿堂支架連接的需要，老橋接長采取在上弦桿用2根并列的I200mm接出，梁端部和岸上的豎桿均采用Φ300mm的鋼管，在梁的斜桿中間另加一根豎桿，各桿件的連接均采取滿焊的方式，并在縱橫向加設斜拉桿以增加穩定。
4. 由于軌頂標高限制，老橋梁頂與新橋邊縱梁底的間距較小，架設施工支架I55 I 字鋼后，僅剩32cm左右的間隙，故邊縱梁底模下的縱向隔柵只能采用10X20cm的方木，在縱向隔柵與I字鋼之間墊楔形木，用以調整梁底標高，同時便于以后拆模。
5. I字鋼分別架設在老橋鋼桁梁的節點及兩節點間1/3處，兩端各挑出4.03-4.12m 和2.48-2.57m，為保證I字鋼的穩固，在老橋桁梁處采用U形鋼筋將I字鋼與老橋上弦桿焊接，同時在I字鋼下部，用75X75角鋼縱向連接成整體，該縱向角鋼又可作為斜撐的支撐點。
6. 在老橋的梁底與橋臺的支承墊石、臺帽間均用硬木和鋼板等加以塞死，以增加老橋鋼梁的穩固。
由于施工時采取的施工方法使得施工荷載超過設計荷載，故設計單位根據施工方式及拆模順序的要求，重新驗算了老橋承載力、老橋上弦桿撓度、老橋橫向傾覆穩定、施工支架I字鋼懸臂端撓度及I字鋼穩定。
4.2 預應力梁張拉預應力張拉時，應力應變實行雙控，張拉程序為：0 初應力（0.1σk）1.0σk持荷5分鐘錨固。設計取值已考慮錨固損失，故不采用超張拉。從0.1σk 至1.0σk的伸長量數值為控制值，該值與0.9σk的設計伸長值相比較，判斷是否超標。施工單位也實測彈性模量，核算伸長量。
預應力張拉時按強度、齡期實行雙控。強度要求達到100%，齡期控制在9-19天。
錨具供貨廠家提供的夾片需片片檢驗硬度，并控制在允許范圍內，現場按規定抽檢。
4.3 鋼管拱的吊運和安裝、鋼管內混凝土灌注由于在舊橋上搭設施工支架，施工場地有限，鋼管拱肋安裝采取邊縱梁上支設管排、排架中部鋪上鋼軌滑道，以及滑轆提升措施的施工方案，取保安全施工。由于中承式拱與橋面連接處需三方向固接，即此處的結點需連接鋼管拱、邊縱梁、橫梁與橋面以下鋼筋混凝土拱肋，而邊縱梁、橫梁為預應力梁，鋼管拱內有加勁肋和鋼筋，三者相連形成固接，要求強度和質量非常高，而鋼管拱的安裝精度控制為6mm，施工難度非常大。
同時，由于在同類型橋梁中，該橋的跨度較小，鋼管斷面不會很大，為方便混凝土灌注，同時考慮到景觀問題，鋼管斷面選擇為橢圓形斷面，在混凝土灌注時要求嚴格控制骨料規格的要求，確保混凝土灌注均勻、飽滿。
4.4 基礎施工蘇州河橋主墩距老橋基礎很近，南主墩中心與老橋臺邊相距6.5m，北主墩中心與老橋臺邊相距5.8m，由于老鋼橋將作為新建橋的臨時施工支架，因此施工中老橋不能受到擾動。同時進入汛期后，在主墩基礎施工時也需確保防汛的要求，最后主墩施工采取如下措施：
a. 采用沉井施工法，確保對土體的圍護。
b. 采用超長護筒（河床以下2.0m），確保不因滲水而產生塌孔。
c. 采用沉井封底，克服因滲水而出現沉陷。
主墩總體施工順序如下：沉井制作、沉井下沉、鉆機操作平臺布置、埋設護筒、沉井封底、鉆孔樁施工、承臺和拱墩施工。
4.5 施工監測由于該橋結構形式復雜，施工難度大，因此，施工時進行了以下監測：
1. 徐變變形對梁、拱的徐變變形進行跟蹤量測。分別在橋面邊跨端部、邊跨跨中、中墩支點處橋面、縱橫梁與拱相交處、中跨中和拱頂處設8個測試斷面，共23個點。
2. 拱肋鋼管截面應力監測。
3. 施工過程中各個階段拱腳實施變位、傾角監控。
4. 現場實測鋼管混凝土彈性模量發展曲線。
5、經濟技術指標該橋全長114米，寬12.5 米，橋梁面積1425m2，橋梁總概算1216萬元，綜合經濟指標為8300元/ m2.
6、綜合分析
鋼管混凝土拱橋首次在軌道交通橋梁中（尤其是在上海這種軟土地區）應用，是一種大膽的嘗試，它主要有以下幾個特點：
1. 橋梁造型優美：飛鳥式鋼管拱橋橫跨蘇州河，形成明珠線的一道風景；
2. 以抗壓能力高的鋼管混凝土作為主拱肋，以抗拉能力強的高強鋼絞線作為系桿，通過邊拱肋的重量，隨著施工加載順序逐號張拉系梁中的預應力筋以平衡主拱所產生的水平推力，最終在拱座基礎中僅有很小的水平推力。克服了拱橋對基礎的苛刻要求。
3. 利用舊滬杭鐵路上的舊鐵路桁架作為施工架橋的臨時支架，新橋完成后即拆除舊橋，解決了水上施工的難點。
參考文獻
1. 上海城市軌道交通明珠線蘇州河橋施工設計總說明，1998年4月。
2. 陳寶春，鋼管混凝土拱橋發展綜述，《橋梁建設》，1997年第二期。
3. 上海城市軌道交通明珠線蘇州河橋施工組織設計，1998年6月。
