(145+240+110) m子母塔单索面转体斜拉桥设计创新

焦亚萌,徐升桥,简方梁,鲍 薇

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 工程概况

保定市乐凯大街南延工程保定南站主桥跨越京广铁路保定南站共21条股道，采用(145+240+110) m三跨连续子母塔单索面预应力混凝土斜拉桥[1-2]。桥面总宽39.7 m，双向8车道，两侧各设置2 m宽的人行道。桥塔设计结合保定深厚的体育文化底蕴，采用奥运火炬造型，母塔采用塔、墩、梁固结形式，桥面以上高68 m。子塔桥面以上高52 m，塔梁固结，墩梁间设置4个纵向滑动支座释放纵向位移。见图1、图2。

图1 乐凯大街跨保定南站主桥布置(单位：cm)

图2 桥面布置(单位：cm)

为最大限度减少对京广铁路运营影响，采用子母塔双转体施工，母塔转体长度(128.6+135) m，转体质量46 000 t，逆时针转体52.4°。子塔转体长度2×102 m， 转体质量35 000 t，逆时针转体67.4°。通过对转体球面平铰的分块及整体设计，增强了球面平铰使用的灵活性，提高了球面平铰的经济性，解决了转体施工向大吨位、大跨径方向发展的关键技术问题。本项目转体长度和转体质量均创世界之最。

2 关键技术及创新

2.1 超长扩底桩设计和施工工艺

本桥的母塔和子塔均采用扩底桩，桩长分别达到84 m和71 m，桩底3.57 m范围由直径1.8 m扩大到3 m，桩底0.75 m为直段，见图3。 母塔桩底位于硬塑粉质黏土层，子塔桩底位于密实细沙层。与等直径桩相比，在保证相同承载力情况下，桩长分别缩短20%和23%。设计中根据JGJ94—2008《建筑桩基规范》，扩底桩斜面及变截面以上2d(d为桩径)范围内不计侧摩阻。扩底桩可使承载力大幅度提高，缩短桩长或减少桩数，具有较好的经济性，但要注意同时考虑沉降因素，相邻两墩之间的沉降差应满足上部结构沉降差容许值[3]。

图3 扩底桩桩头示意(单位：cm)

本桥扩底桩成孔施工采用AM可视旋挖扩底工法[4]，该工法是一种全液压可视可控旋挖扩底灌注桩(原始土挖掘)的施工方法。成桩中具体采用下述步骤：桩孔中心定位，钻机干挖一个直径大于预设桩径的孔，然后埋设护筒;钻孔钻进一定深度后，钻机提升至地面，清除钻机铲斗内的泥土，然后再次钻孔提升，如此反复，至达到所设计高程为止;扩底由专用魔力扩底铲斗进行桩孔底部的扩底作业，最后将桩孔底部挖掘成一锥形空腔和底座直立形空腔，钻挖设备上有计算机管理施工影像管理装置系统，操作员根据映像显示控制钻挖设备进行地下扩底作业；对桩孔的深度进行检测，同时检测桩孔中的沉渣，安放钢筋笼插入校直用隔离管，再将钢筋笼放入桩孔中，然后用清渣泵进行清渣；安放导管，灌注混凝土，最后形成完整扩底桩。

2.2 大吨位新型球面平铰及分块拼接技术

本桥的母塔和子塔转体质量分别为46 000 t和35 000 t，转体质量巨大，其中转体核心构件—转铰采用中铁设计集团自主研发并拥有知识产权的50 000 t级和40 000 t级的新型球面平铰结构。

常规小吨位转体球铰由于直径较小，均采用钢板整体冲压形成球面[5-6]。一般的，当转体质量大于20 000 t时，考虑到既有钢板拼接以及冲压设备工艺的限制，以往的几个大吨位球铰均采用铸钢材料进行整体铸造形成球面，钢铸件有更大的设计灵活性，容易做出更灵活复杂的结构形状。但也有其工程应用上的缺点：(1)浇筑时流动性较差，内部易出现夹沙、分层、裂纹等内部缺陷，因此板厚不宜过薄，以减缓其内外散热速度差异过大引起的缺陷，导致采用铸造工艺成形的球铰质量较大；(2)球铰铸造成形后，受其形状的限制，采用超声波无损探伤、渗透检测或X射线检测方法均无法较好对构件进行内部缺陷的检测；(3)铸造毛坯必须进行去除应力处理和时效处理，要求的工艺和设备条件苛刻。

考虑以上因素，本桥在设计时，首次提出基于轧制钢板Q345材料的球面平铰分块拼接技术，上平铰和下平铰分别由2块厚200 mm的钢板数控加工而成。

(1)将2块200 mm厚的钢板作为平铰毛坯，分别与40 mm厚的加强肋熔透焊接，形成刚性较强的整体后去除应力处理。

(2)通过加强肋上的螺栓将上面的2个构件拼接牢靠，合并为一整体后，整体进行数控加工，上平铰其平面度和球面度保证在0.5 mm以内。

(3)上平铰整体用数控车床加工为凸球面，再对凸球面进行抛光处理。

(4)下平铰整体用数控车床加工成凹球面，再使用摇臂钻加工滑块约束坑。

(5)将其拆解并进行厂内预拼组装，要求其平面度和球面度小于0.5 mm，根据运输条件可进行拆解分块运输，运至施工现场后，对拼时对接缝处进行打磨抛光，使接缝平顺过渡。

相比铸钢工艺球铰，该种新型的球面平铰具有如下优点。

(1)大大降低球铰的质量，以本桥使用50 000 t级的球面平铰为例，其质量仅为相同级别铸钢工艺球铰质量的60%左右，经济效益显著。

(2)采用轧制钢板为原材料，可避免铸钢工艺整体成形的内部缺陷，并可以进行成形检测，质量更易保证。

(3)采用分块拼接技术，可以将球铰单块的最大尺寸控制在3.5 m以内，不属于大件运输范围，更便于结构运输。

(4)受钢板毛坯厚度限制，其球面半径相比传统的铸钢球铰要大，相应转体时平稳性更好。

本桥50 000 t级和40 000 t级球面平铰直径分别为6.48 m和5.88 m，球面半径分为33 m和28 m。实际生产制造中，根据厂家设备加工能力，分别被拆成2块和3块。单块最大宽度为3.24 m，不受运输条件限制。经过现场的摩阻系数测试、实际转体验证，证明了该分块拼接技术工艺性能可靠[7]。球面平铰立面及分块示意如图4所示。

2.3 超宽W形腹板主梁+顶板加强竖肋

本桥为超宽单索面斜拉桥，斜拉索布置于截面中央，主梁宽度达到了39.7 m[8-9]。主梁设计时采用大悬臂的W形腹板截面设计[10-11]，标准主梁断面见图5，相对于传统的单箱多室直立内腹板的整体箱梁截面[12-13]，该截面具有如下优点。

图4 球面平铰立面及分块示意

图5 标准主梁断面(单位：cm)

(1)截面受力明确，表现为较强的桁梁受力特点[8]，在索力、恒载、桥面活载共同作用下，顶板和内斜腹板受拉，外斜腹板和底板受压，整个截面表现为桁架杆件之间的拉压受力平衡。见图6。

图6 W形腹板截面受力示意

(2)W形截面的截面面积小于单箱多室直立内腹板的截面面积，同时由于主梁截面的桁架受力特征显著，因此W形主梁截面可以取消传统单箱多室直立内腹板截面中在拉索锚固处设置的横隔板，简化主梁构造同时大大减轻主梁自重，进一步减少拉索和下部结构的数量，经济效益更优。

以本桥为例，采用W形腹板箱梁截面与传统单箱多室直立内腹板截面相比，箱梁混凝土方量每延米节省约17%，每延米减重约20t。普通钢筋量每方节省约22%。

本桥W形主梁截面顶板宽39.7 m，底板宽18 m，中心处箱梁高3.5 m。箱梁顶面横向设置双向2%横坡。标准段顶板厚30 cm，底板厚35 cm，外侧斜腹板厚40 cm，内侧斜腹板厚30 cm。由于顶板箱室跨度较大，达到了10.5 m，为解决顶板横向受力，沿纵向平均间距大约250 cm左右设置1道加强竖肋，肋板厚35 cm，高50 cm。横肋内配置19-φ15.24 mm钢绞线，以增强顶板横向抗弯能力。钢绞线在外斜腹板面张拉，施工中应注意在斜腹板外模上预留张拉槽[14]。

2.4 超宽跨中合龙段外钢模设计

本桥跨越京广铁路保定南站，为降低对桥下铁路运营的影响，转体后合龙段采用跨中合龙段钢模设计。

外钢模分为预埋段和吊装段，钢板厚度均为16 mm，背面设置肋板和剪力钉加强与混凝土的连接。预埋段在转体前预埋在跨中合龙段两侧的混凝土主梁内，沿翼缘底、外腹板底、底板底铺设，预埋段钢模纵向外伸混凝土梁端面50 cm。合龙段外钢模布置断面如图7所示。

图7 合龙段外钢模布置断面

转体后合龙时，将吊装段钢模从梁上下放搭预埋段外伸50 cm宽的钢板上，将吊装段与预埋段钢模焊接后，在合龙钢模内进行合龙段钢筋、混凝土浇筑等后续施工，不涉及邻铁路作业，保证了桥下铁路运营安全。合龙段外钢模安装示意见图8。

图8 合龙段外钢模安装示意

本桥由于宽度达39.7 m，为便于施工操作，吊装段钢模横向分为4块，最长一块11.65 m，质量5.44 t。为减小后期在铁路站场上方养护作业，外钢模材质采用免养护的Q355NHC耐候钢，为进一步增强其防腐性能，同时考虑与混凝土梁颜色接近，对耐候钢进行了涂装。

2.5 主塔结构及预应力筋设计

本桥为单索面斜拉桥，主塔布置在横截面中间，设计中考虑线路线形，尽量减小桥宽增加，母塔底截面尺寸为12 m×3.3 m，为实现火炬造型，从塔底向上，纵桥向前后各沿8°角向上加宽，横桥尺寸不变，纵横向尺寸相差较大[15-16]。在中塔柱斜拉索锚固区，长边混凝土厚度仅45 cm厚，其断面形式见图9。

图9 母塔中塔柱截面(单位：cm)

预应力布置上，桥塔宽度尺寸很窄，不宜布置常规的U形环向预应力筋[17]，因此在设计中采用井字形预应力筋布置方式，见图10。截面上纵桥向采用2根19-φ5 mm钢绞线，竖向平均间距60 cm，横桥向采用4根12-7φ5 mm钢绞线，竖向平均间距90 cm。

图10 母塔中塔柱预应力布置(单位：cm)

为减小短束的锚具回缩损失，设计中采用低回缩锚具，单端交替张拉，低回缩锚具的锚具回缩量取2 mm。相比于传统常规锚具，低回缩锚具采用了低回缩锚板和承压螺母。施工中需进行二次张拉。施工时，首先按常规的张拉方式进行第一次张拉，二次张拉时，装上带有撑脚的张拉千斤顶和工具锚，重新张拉至控制应力，旋紧螺母至垫板端面，旋紧后即放张锚固，螺母端面受力，完成补张拉。二次张拉与第一次张拉时间间隔越长，效果越好，但也不宜过长，宜控制在48 h内进行。

2.6 转体两侧不平衡重的处理

为避免对转体过程中边跨一侧一幢3层小楼的拆迁，本桥母塔转体两侧采用不等悬臂转体长度(128.6+135) m，设计中采用将边跨主梁的斜腹板、底板进行加厚设计，以此来平衡转体中两侧的不平衡弯矩[18-19]。

子塔转体两侧悬臂长度相同，均为102 m，但由于母塔处墩塔梁固结，子塔处墩与塔梁间为支座连接，跨中合龙后，由于索力、预应力筋作用，主梁在长期收缩徐变下，子塔会逐渐向母塔移动。因此在转体前现浇子塔和主梁时，将子塔和主梁向边跨侧设置了13 cm的偏心，为了平衡转铰处弯矩，将子塔墩底的转铰中心向边跨移动了10 cm[20]。

3 结语

乐凯大街跨保定南站主桥工程中采用诸如球面平铰及分块拼接技术等一系列创新设计，解决了转体斜拉桥向超大吨位、超宽方向发展的技术难题，对今后此类工程的发展具有积极的参考价值。

本桥已于2019年7月30日凌晨成功转体，精准对接，创造了转体长度、转体质量新的世界纪录。建成后的乐凯大街保定南站主桥将成为保定市一处新地标性建筑，在助力保定融入京津冀一体化、连通雄安新区中发挥重要作用。