京滬高速鐵路(京徐段)橋梁設計

金 莉

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處,天津 300142)

1 基本概況

京滬高速鐵路全長約1318 km,縱貫京津滬和冀魯皖蘇四省,連接環(huán)渤海和長江三角洲兩大經(jīng)濟區(qū),是我國鐵路“四縱四橫”快速客運專線的重要組成部分。其中京滬高速鐵路京徐段線路長度668.886 km。

京滬高速鐵路京徐段正線特大、大、中橋131座,框構(gòu)橋49座,涵洞384座,旅客地道14座,橋梁長度為555.024 km,占正線長度的83%。其中最長橋梁為天津特大橋,橋梁長度為113693.65m。由于該線跨越眾多河流、道路、既有鐵路,因此特殊結(jié)構(gòu)橋梁多,共計142處特殊結(jié)構(gòu),主要結(jié)構(gòu)有連續(xù)梁、空間剛架、鋼箱拱、鋼箱系桿拱、道岔梁等。

2 常規(guī)結(jié)構(gòu)橋梁

2.1 橋跨布置

為了滿足高速鐵路列車安全運行和旅客乘坐舒適度的要求,高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)應具有安全舒適,構(gòu)造簡潔,設計標準化,便于施工架設和養(yǎng)護維修的特性,并須具有足夠的耐久性和良好的動力性能。因此,在孔跨布置梁型選擇上采用20、24、32、40 m標準跨度的簡支箱梁,(32+48+32)m、(40+56+40)m、(40+64+40)m、(48+80+48)m、(60+100+60)m標準跨度連續(xù)箱梁及(12+16+12)m、(16+20+16)m、(18+24+18)m標準跨度的剛構(gòu)連續(xù)梁。

橋跨布置有以下幾個特點：一座橋除受控制點影響外,盡量以同一孔徑梁跨布置,并以32 m梁跨為主；當橋梁跨越河流的時候,鐵路與河流交角大于70°時,以32 m梁為主,當鐵路與河流交角小于70°時,根據(jù)沖刷計算情況可在河槽范圍內(nèi)采用40 m簡支箱梁或大跨度連續(xù)箱梁；當跨越一般道路,鐵路與道路交角較小時,且道路旁有較大邊溝,常規(guī)跨度不能滿足立交要求,則采用剛構(gòu)連續(xù)梁,以降低路肩高程。

多條客運專線多個典型工點不同橋式施工方法的分析結(jié)果表明,在樁基條件下以跨度32 m簡支箱梁為最經(jīng)濟的梁型,預制架設為最經(jīng)濟的施工方法。我國客運專線橋梁比重高,地質(zhì)條件復雜,工期緊張等具體情況,確定了高速鐵路橋梁以32 m簡支預制箱梁為主,其他結(jié)構(gòu)在適宜的條件下采用的原則。

2.2 墩臺選擇

2.2.1 橋墩

圖1 京滬高速鐵路流線形圓端實體橋墩

京滬高速鐵路京徐段橋墩采用了流線形圓端實體墩(圖1、圖2)、圓端形空心橋墩、單圓柱橋墩等,其橋墩設計需要滿足幾方面的要求：首先必須滿足高速鐵路的功能性要求,橋墩作為橋梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分,必須保證橋梁整體結(jié)構(gòu)的安全、舒適、耐久性和良好的動力性能；其次注重景觀效果,橋墩的選型應與梁部流線相匹配,適應橋梁上、下部結(jié)構(gòu)之間景觀上銜接的需要；還要易于施工和養(yǎng)護維修,京滬高速鐵路橋梁長度長,單座最長橋梁長度達165 km,應根據(jù)功能需求分大段選擇適宜的墩型,并盡量減少墩型種類,以便于施工組織。

圖2 流線形圓端實體橋墩構(gòu)造(單位：cm)

京滬高速鐵路京徐段橋墩類型結(jié)合橋梁功能合理選用,流線形圓端實體墩,一般適用于旱橋地段、跨河橋梁鐵路與河流斜交角度不大時的有水地段、蓄滯洪區(qū)；當橋墩高度超過18 m時,優(yōu)先采用圓端形空心橋墩；斜交較大的跨河橋梁中,根據(jù)防洪評價意見采用單圓柱墩。

2.2.2 橋臺

京滬高速鐵路京徐段橋臺采用一字形橋臺,橋臺長度為2.5 m,臺后填土高度5.0～8.0 m,級差為0.5 m,臺身入土深0.0～3.0 m,級差為0.5 m。一字形橋臺采用矩形截面,為了便于臺后施工,保證臺后填料振搗壓實,臺身后坡采用直墻式；為滿足高速鐵路大噸位梁體自重及架橋機運、架梁荷載作用,臺身前墻采用斜坡式并適當加大前墻伸入橋孔的長度以利于結(jié)構(gòu)受力。

2.3 橋梁基礎

2.3.1 承臺

承臺是將群樁與橋墩臺連接為整體,并將橋梁上部荷載傳遞給樁基的重要構(gòu)件。由于京滬高速鐵路京徐段橋梁基礎基本上都是采用鉆孔灌注樁,承臺尺寸及其配筋的合理取用都直接影響到工程總投資,其經(jīng)濟意義重大,因而對其進行分析研究。

承臺尺寸確定的原則是：整體縱橫向剛性角接近35°,整體傾斜剛性角小于45°；加臺尺寸要大于按整體剛性角計算的尺寸。

承臺采用六面配筋,底面縱橫向主筋配筋分別采用鐵路規(guī)范、公路規(guī)范和建筑規(guī)范(按深梁理論)進行抗彎鋼筋的計算,檢算截面包括橋墩邊緣截面和加臺邊緣截面,合理取用其計算結(jié)果；頂面鋼筋的直徑不應小于16 mm、間距不應大于15 cm；其余四面按構(gòu)造要求配筋。

確定了常用跨度4種基本承臺,詳見表1。

2.3.2 樁基

京滬高速鐵路京徐段橋梁樁基布置分為4種基本類型,其樁間距及布置詳見表2。

表1 京滬高速鐵路京徐段承臺及樁基形式

表2 京滬高速鐵路京徐段樁基布置

注：表中尺寸單位為cm。

樁身配筋根據(jù)計算確定,并滿足《鐵路工程抗震設計規(guī)范》(GB50111—2006)中關于鉆孔樁樁頭2.5～3.0倍樁徑長度范圍內(nèi)箍筋加密,其間距不應大于10 cm,直徑不應小于10 mm,樁身縱向鋼筋的配筋率不宜小于0.5%的相關要求。

3 特殊結(jié)構(gòu)橋梁

3.1 橋梁類型

京滬高速鐵路京徐段沿線跨越多處大江大河、高速公路、既有鐵路,受通航及立交凈空、防洪等諸多條件制約,需要橋梁以較大跨度跨越,因此出現(xiàn)了多處特殊結(jié)構(gòu)橋梁(表3)。

3.2 5線空間鋼架

本結(jié)構(gòu)位于北京市大興區(qū),跨越既有京山四線及西黃左線鐵路(共5條鐵路線)。京山四線及西黃左線均為直線,京滬高速鐵路位于半徑為4 000 m圓曲線上,與既有5條鐵路線夾角20°37′。5條線路中兩最外側(cè)鐵路線的間距為20.7 m,建筑限界要求凈高7.5 m。既有5線鐵路為Ⅰ級、電氣化鐵路,行車密度大,運營十分繁忙。一般橋梁結(jié)構(gòu)如實現(xiàn)跨越5線,跨度至少在180 m以上,且由于曲線影響,橋面需加寬并按照彎梁設計,應有足夠的抗彎、抗扭剛度和穩(wěn)定性。此外,施工時還應盡量避免對既有5線鐵路行車的干擾。為滿足上述要求,一般橋梁結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn),故采用空間剛架結(jié)構(gòu)(圖3)?？臻g剛架結(jié)構(gòu)具有縱橫向跨度大、整體剛度大、建筑高度低、橋跨布置容易等優(yōu)點。尤其在小角度跨越多條鐵路(公路)的工點,受橋下凈空要求限制,需要較大跨越能力時,采用空間剛架結(jié)構(gòu)是經(jīng)濟合理的。

表3 京滬高速鐵路京徐段特殊結(jié)構(gòu)橋梁匯總

圖3 5線空間剛架實景

5線空間剛架結(jié)構(gòu)采用了并排的5榀空間剛架結(jié)構(gòu)一跨跨越5條鐵路,各榀剛架跨度方向中心線與橋上線路中心線夾角69°23′。各榀空間剛架為獨立結(jié)構(gòu),位于大、小里程端的剛架均接異型橋墩。順里程方向劃分為1號至5號剛架,京滬高速鐵路左線中心線與前后異型墩梁縫、異型墩與剛架接縫以及各榀剛架間接縫之交點的距離為(沿京滬正線方向)：3.54 m(異型橋墩)+26.62 m+26.55 m+26.49 m+26.43 m+26.36 m+5.15 m(異型橋墩)。5線空間剛架立面布置見圖4，5線空間剛架平面布置見圖5。

圖4 5線空間剛架立面布置(單位：cm)

圖5 5線空間剛架平面布置(單位：cm)

空間剛架沿既有線縱向分節(jié)寬度5-24.9 m,節(jié)間縫隙為3 cm。剛架主跨跨度為32.8 m(跨越京山四線及西黃左線),1號、5號剛架側(cè)跨跨度由11.390 m漸變?yōu)? m,側(cè)跨邊墻與主跨側(cè)墻角度為21°,承臺頂至橋面高16 m。1號與5號、2號與4號剛架分別互為反對稱結(jié)構(gòu),3號剛架自身為反對稱結(jié)構(gòu)。

5線空間剛架結(jié)構(gòu)由橋面系、側(cè)墻和基礎3部分組成。

橋面系由工字鋼橫、縱梁與混凝土橋面板構(gòu)成的鋼混結(jié)合梁板結(jié)構(gòu),是重要的承重結(jié)構(gòu),有較大的強度與剛度。主跨兩側(cè)墻為M形孔洞的鋼箱混凝土連續(xù)剛架墻?？v向長24.9 m,高度15.6 m,墻厚2.5 m。鋼箱結(jié)構(gòu)由外墻鋼板及橫、豎向PBL剪力板組成?；A為了滿足較強剛度的需要,采用單排樁基礎使相鄰剛架之間聯(lián)系起來,減小了不均勻沉降對空間剛架變形的影響。異型墩下基礎直徑為1.0 m 、剛架邊墻下基礎直徑為1.25 m和剛架側(cè)墻下基礎直徑為1.80 m的鋼筋混凝土鉆孔灌注樁構(gòu)成。橋跨與側(cè)墻、側(cè)墻與基礎均為剛性連接。A、B剖面見圖6、圖7。

圖6 A-A截面(單位：cm)

圖7 B-B截面(單位：cm)

5線空間剛架結(jié)構(gòu)為確保高速鐵路軌道平順性進而保證行車安全性和舒適性,在控制變形方面，結(jié)構(gòu)設計時增加了橫、豎向限位措施。

3.3 道岔梁

天津特大橋全橋長113.694 km,橋上道岔區(qū)采用道岔梁。道岔區(qū)孔跨布置包括：

京津聯(lián)道岔區(qū)采用2-(7×32 m)雙線變3線連續(xù)梁+1-32 m 3線簡支箱梁+5×26 m 4線變3線連續(xù)梁+3×32 m連續(xù)梁3線變雙線+4-24 m雙線簡支箱梁+2-32 m雙線簡支箱梁；

津滬聯(lián)道岔區(qū)采用2-(7×32 m)雙線變3線連續(xù)梁+1-32 m 3線簡支箱梁+5×26 m 4線變3線連續(xù)梁+3×32 m 3線變雙線連續(xù)梁+4-32 m雙線簡支箱梁；

天津南站道岔區(qū)采用2-(7×32 m)雙線變線帶渡線連續(xù)梁+2-(4×32 m)雙線變4線連續(xù)梁+4-(5×28) m雙線變線連續(xù)梁+2-(5-26.8 m)雙線變寬異形簡支梁+1-24 m雙線簡支箱梁+1-32 m雙線簡支箱梁。

3.3.17×32m兩線變3線道岔連續(xù)梁(圖8～圖10)

圖8 7×32 m預應力混凝土連續(xù)道岔梁平面

圖9 跨中截面示意

圖10 支點截面示意

圖14 到發(fā)線岔區(qū)3幅橋孔跨平面布置

線路由2股道高速正線引出1條聯(lián)絡線,布置42號道岔,道岔區(qū)設轉(zhuǎn)轍機,橋上2線變3線,因此橋梁設計采用變寬的連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu),跨度為7×32 m,梁全長228.7 m。梁體為單箱雙室等高度、變寬的斜腹板箱梁結(jié)構(gòu),梁高3.05 m,箱梁頂板寬12.0～15.50 m,底板寬5.95～9.17 m,支點處底板每側(cè)加寬0.46 m,頂板厚度30 cm,底板厚度由30 cm變化至60 cm,腹板厚度由50 cm按直線變化至80 cm,梁體在端部和墩頂處共設置了8道橫隔板,梁端橫隔板厚度1.5 m,中墩墩頂處橫隔板厚度2.0 m。為方便檢查人員,橫隔板上均設過人孔洞。

3.3.25×27m3線變4線道岔連續(xù)梁(圖11～圖13)

圖11 5×27 m預應力混凝土連續(xù)道岔梁平面

圖12 跨中截面示意

圖13 支點截面示意

線路由兩股道高速正線及1條聯(lián)絡線再引出1條安全線,橋上3線變4線,因此橋梁設計采用變寬的連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu),跨度為(25.5+3×27+25.5)m,箱梁頂板寬19.45～21.51 m,底板寬12.65～14.71 m,截面為單箱三室,梁高3.05 m。支點處底板每側(cè)加寬0.46 m,頂板厚度30 cm,底板厚度由30 cm變化至60 cm,腹板厚度由50 cm按直線變化至80 cm,梁體在端部和中支點處共設置了6道橫隔板,梁端橫隔板厚度1.5 m,中支點處橫隔板厚度1.8 m。為方便檢查人員,橫隔板上均設過人孔洞。聯(lián)絡線、安全線采用有砟軌道,高速正線為無砟軌道。

3.3.3 5×28 m 2線變3線道岔連續(xù)梁

京滬高速鐵路天津南站(高架車站)在站前咽喉區(qū)由正線兩股道通過布置4組道岔,擴展為6股道。橋梁橫向分別按3幅橋設置,高速正線采用5-28 m切懸臂的異型簡支梁,兩側(cè)到發(fā)現(xiàn)采用變寬的連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu),跨度為(27.15+3×28+27.15) m。到發(fā)線岔區(qū)3幅橋布置見圖14。

到發(fā)5×28 m預應力混凝土連續(xù)道岔梁,梁全長139.9 m。梁體為單箱單室等高度、變寬的斜腹板箱梁結(jié)構(gòu),梁高3.05 m,箱梁頂板寬12.16～6.03 m,底板寬5.50～4.00 m,頂板厚度35 cm,底板厚度由30 cm變化至60 cm,腹板厚度由50 cm按直線變化至80 cm,梁體在端部和墩頂處共設置了6道橫隔板,梁端橫隔板厚度1.5 m,墩頂處橫隔板厚度1.8 m。到發(fā)線岔區(qū)連續(xù)梁示意見圖15～圖17。

圖16 窄截面端1/2橋面布置示意

圖17 寬截面端1/2橋面布置示意

圖15 5×28 m道岔連續(xù)梁平面

小跨長聯(lián)連續(xù)梁結(jié)構(gòu)在我國高速鐵路岔區(qū)首次采用,施工中存在著結(jié)構(gòu)體積大,不能一次澆筑完成,鋼束長,腹板束彎曲次數(shù)多,且摩阻損失大張拉困難等,針對這種新型橋梁結(jié)構(gòu),施工方法采用了分段灌注、腹板內(nèi)預應力鋼束分階段張拉的施工工藝。

3.4 大跨度預應力混凝土連續(xù)梁

京滬高速鐵路京徐段橋梁聯(lián)長200 m以上的連續(xù)梁7座,跨度分別為(60+100+60) m連續(xù)梁3座、(80+128+80) m連續(xù)梁1座、(45+3×75+45) m連續(xù)梁1座、(45+3×70+45) m連續(xù)梁1座、(40+2×64+40) m連續(xù)梁1座。

連續(xù)梁主要構(gòu)造參數(shù)見表4。大跨度連續(xù)梁設計從梁高、預應力索的布置、分批張拉預應力索及設置預拱度等多方面控制梁體的變形,二期恒載鋪設在終張拉60 d后進行,以適應高速鐵路鋪設無砟軌道的需要。連續(xù)梁主要計算成果見表5。

表4 大跨度預應力混凝土連續(xù)梁主要構(gòu)造參數(shù)

表5 大跨度預應力混凝土連續(xù)梁主要設計成果匯總

3.5 結(jié)語

目前京滬高速鐵路已經(jīng)開始聯(lián)調(diào)聯(lián)試,其橋梁設計在學習、消化、吸收世界高速鐵路先進成熟技術的基礎上,系統(tǒng)總結(jié)多年來已開工建設中國客運專線工程技術、科研試驗成果,針對高速鐵路建設的關鍵技術問題,進一步開展研究、試驗、驗證及自主創(chuàng)新,為今后高速鐵路建設積累了寶貴的經(jīng)驗。

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