京沪高速铁路徐沪段桥梁设计

2010-08-03许三平

铁道标准设计 2010年7期

许三平

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

京沪高速铁路徐沪段经过我国经济发达的华东地区,沿线以平原和低山丘陵区为主。沿线经过黄河、淮河、长江三大水系,位于各水系流域的中下游,地势平坦,河谷交错。徐州至池河为黄淮冲积平原及淮河一、二级阶地,池河至丹阳段线路通过剥蚀低山丘陵区及长江河谷阶地,丹阳至上海段线路通过长江三角洲平原区,均为第四系地层覆盖,系江河、湖泊、海相沉积形成。

京沪高速铁路徐州至上海段正线大、中桥总数135座,共 521.9km,占正线建筑长度的 81.2%。,全线超过 50km的桥有 3座,其中丹阳至昆山特大桥全长164.85km,为已知的桥梁中第一长桥。全线跨越的道路、河流多,特殊结构多是京沪高速铁路桥梁的又一特点,徐沪段正线共计 300余处特殊结构,主要结构有连续梁、连续梁刚构、系杆拱、连续梁拱、道岔梁、钢门式墩、空间刚构等,其中跨镇江京杭运河主跨(90+180+90)m连续梁拱为全线时速 350km的第一大跨。

2 常用跨度桥梁合理结构形式研究

目前世界各国、地区高速铁路桥梁多以箱梁为主,除跨越道路、河流的桥梁外,一般地段桥梁既采用简支梁,也采用连续梁桥。法国、韩国以连续梁为主,日本和中国台湾多采用简支梁。中国大陆的高速铁路在城市附近往往要把线路抬起来,以桥通过;遇到地质条件稍差的地段,需要以桥代路,桥梁总长占线路比例很大,我国已建成通车的客运专线 40m以下跨度的常用跨度桥梁占桥梁的比例见表1。合理地选择常用跨度桥梁的结构形式、跨度,对桥梁景观、工程投资均有很大影响。

表1 客运专线常用跨度桥梁占桥梁比例统计

为了合理确定高速铁路常用跨度桥梁的合理桥跨、桥式,在高速铁路研究早期,选择了有代表性的桥梁,进行了以下比较、分析工作。

2.1 比较工点桥梁设计简介

(1)濉河特大桥

桥址位于黄淮河冲积平原,地势平坦开阔,平均墩高 4.5m,设计桩长 36～40m,桩底进入硬塑黏土层。

(2)淮河特大桥

桥址位于黄淮河冲积平原,地形开阔,平均墩高7.5m。设计桩长28～36m,桩底进入混合花岗岩弱风化层。

(3)蕴藻浜特大桥

桥址位于冲湖积平原区,地势开阔,平均墩高11.75m。设计桩长 54.5～58.0m,桩底进入粉砂、粉土夹粉质黏土层或粉质黏土夹粉砂层。

2.2 各桥跨、桥式技术经济比较(图1)

从图1中可以看出,预制架设 32m简支箱梁最为经济,其次是预制架设 24m简支箱梁。对于(3×10+8)m连续刚架,其经济指标从蕴藻浜特大桥比较中可知,具有较强的经济优势。但考虑到其施工、适用条件等的特殊性,没有把它作为常用跨度桥梁推荐。

基于以上的研究、分析比较,结合我国客运专线桥梁比重比较高、地质复杂、工期紧张等具体情况,确定了高速铁路桥梁主要以 32m预制简支箱梁为主,其他结构在适宜条件下采用的原则,使得 900t简支箱梁大规模地在高速铁路、客运专线中运用。同时也节约了工程投资,推动了我国客运专线大吨位箱梁架桥机研制水平的提高。

3 道岔区桥梁研究

3.1 概况

京沪高速铁路徐沪段共设 13个车站,其中镇江西站、常州北站、无锡东站、苏州北站、昆山南站位于高架桥上,还有多条联络线在桥上出岔,因此京沪高速铁路徐沪段有大量的、不同型号的高速无缝道岔布置在桥梁上,其中 18号道岔共 69组,42号道岔共 8组。

桥上道岔采用纵连底座板式无砟轨道无缝道岔在世界上未有先例,存在新的技术特点和难点,道岔区桥梁的设计不再是单纯的桥梁设计,必须结合轨道、道岔等一起考虑:考虑无缝道岔、无砟轨道、桥梁之间的相互作用,考虑温度荷载、牵引力、制动力等轨道力对桥梁的影响;考虑桥梁平面布置、桥梁结构形式、道岔梁及桥墩的刚度等对轨道、道岔的影响。

结合桥梁及道岔受力及变形规律、“车-岔-桥”相互作用特性等因素,道岔区桥梁设计的关键及创新点在于:采用合理的桥式方案,减小道岔尤其是尖轨和辙叉处的梁-轨相对位移,确保道岔结构安全,确保轨道平顺;道岔梁采用整体性较好的箱梁,适当提高截面竖、横向刚度,提高梁部的自振频率,减小活载作用下的梁体挠度及梁端转角。

3.2 高速铁路道岔区桥梁设计原则

根据有关科研成果,京沪高速铁路徐沪段桥上底座纵连板式道岔的主要设计原则如下。

(1)正线道岔应尽可能整组布置在 1联连续梁上。

(2)客运专线无缝线路道岔的转辙器部分、辙叉部分不宜跨越 2联梁。

(3)正线道岔布置连续梁上时,道岔岔头、岔尾距离梁端应不小于 18m。站线道岔在困难条件下可以在道岔连接部分设置梁缝。

(4)单渡线都应整组设置在 1联梁上。

(5)客运专线无缝线路道岔区的桥梁结构形式,可行的有:混凝土连续梁、小跨度刚构、跨度为 6～12 m框架桥。

(6)车站咽喉区道岔,除高速正线无缝道岔下需采用连续梁外,其余到发线道岔下可采用简支梁结构。

(7)为减小梁、轨相对位移及钢轨附加纵向力,八字渡线区两联连续梁之间宜布置 1孔以上简支梁。

(8)对于连续梁应进行多纵向固定支座方案比选,以减少道岔 -桥梁相互作用和相对位移。横向固定支座布置的原则为:相邻梁梁端两侧的钢轨支点横向相对位移不应大于 1mm。

3.3 高速铁路道岔区桥梁设计

根据各道岔工点实际情况,在徐州东站北侧道岔区、秦淮河特大桥沪汉蓉联络线出岔区、丹阳站南咽喉区采用了多排框架的结构形式;在镇江西站、常州北站、无锡东站、苏州北站、昆山南站等高架车站咽喉区、徐州东站南侧道岔区、滁河特大桥扬州联络线出岔区、蕴藻浜特大桥上海站联络线出岔区采用了道岔连续梁结构形式;在宿州东站北侧道岔区、徐州东站南咽喉区跨铜山路处采用了道岔连续梁刚构。

结合科研成果,以苏州高架站为例,从对道岔区桥式布置、结构计算、车 -岔 -桥动力仿真几个方面进行了研究,研究主要结论如下。

(1)桥式布置

根据车场道岔布置情况结合现场道路、河流、地铁配套工程等边界条件,研究渡线区采用 6×32m连续梁、咽喉区采用 4×32m+3×32m连续梁、在八字渡线 2联连续梁间布置简支梁,能满足轨道结构要求。苏州高架站咽喉区孔跨布置为:1-26.18m非标简支梁+6×32m连续梁 +2-24m简支箱梁 +1-32m简支箱梁 +6×32m连续梁 +2-32m简支箱梁 +4-32m连续梁 +5-32m简支箱梁 +站房区桥梁 +4-32m简支箱梁+1-32m简支箱梁 +6×34m连续梁 +1-32m简支箱梁 +(32+40+64+40+32)m连续梁 +2-32m简支箱梁 +6×32m连续梁 +1-21.87m非标简支箱梁。

(2)静力计算

道岔梁按全预应力混凝土构件进行设计,经检算在各种工况下道岔梁截面应力、强度安全系数、抗裂安全系数均满足规范要求;ZK静活载作用下最大挠度值、挠跨比、梁端竖向转角、后期徐变上拱最大值、相邻梁梁端两侧的钢轨支点横向相对位移均满足规范和科研相关要求。

(3)动力仿真

桥梁竖向及横向刚度可以满足过岔时的要求,各项动力响应值均在容许限值范围以内,基本上能满足高速条件下车岔桥动力耦合的要求。车岔桥耦合动力学的研究表明,岔桥相对位置对系统振动响应影响较大,转辙器或辙叉区位于或接近桥梁挠曲率较大位置上时,岔桥相互作用明显加强。耦合系统动力分析表明,对于车-岔-桥耦合系统,除进行静力分析应满足有关规定的要求外,还应根据具体的道岔结构、运营条件、桥梁结构进行车-岔-桥耦合动力响应分析,以列车运行平稳性、安全性,道岔结构强度及动力响应控制指标为判据,评价相应的桥梁结构是否满足铺设道岔的要求。

4 墩型选择

高速铁路徐沪段采用了矩形双柱墩、空心墩、双线单圆柱形桥墩等,墩型的选用应结合桥梁的地形、地势、水文条件、立交条件及桥高等具体情况选用。

桥墩顶除通过支座支承梁部外,还有其他附属功能,如更换支座时千斤顶摆放空间、防止落梁和防止梁部移动设施、检查或更换支座时工作空间、墩顶排水等(图2)。

根据高速铁路特点,桥墩设计从刚度、耐久性、便于施工和养护维修、经济美观等角度综合考虑。鉴于京沪高速铁路设计多采用预制架设的简支箱梁,梁高3.05m(高跨比相对较大),而桥墩普遍不高,桥墩外形线条不宜变化太快,因此采用的桥墩墩身一坡到底,桥墩均不设顶帽,结构简单、施工方便。由于京沪高速铁路徐沪段大量桥梁墩高一般在 12m以内,考虑到12m以下空心墩施工时较为困难,特意研究了为尽量保持与矩形空心墩外形一致、便于施工的双柱式矩形桥墩,既减少了桥墩圬工量,也极大地方便了桥墩外模的制作、倒用,墩形简捷流畅,又可节省工期,受到了参建单位和新闻媒体的一致好评(图3)。

图2 桥墩功能示意(单位:cm)

图3 双柱式矩形桥墩示意

经过对京沪全线桥墩技术经济比较,墩高小于 12 m时,双矩形柱墩也是最优的,桥墩投资分析见图4(图中定额基价含基础、承台费用)。

图4 桥墩投资分析

5 高速铁路桥梁桩基础极限摩阻力取值的确定

高速铁路由于行车速度高,对桥梁桩基础的激振较普通铁路严重,桩基础在高速铁路车辆的激振下,其相关设计参数较常规取值有何差异直接关系到行车安全。鉴于软土地基桩基反应更为敏感,京沪高速早期研究是从深厚软弱地基桩基础开展的。

1997年进行了《高速铁路深厚软弱地基上桥梁基础合理形式及设计研究》,采集了苏锡常地区软土地质钻孔土样,在试验室内进行模拟软土桩基动、静载试验。室内动力激振试验研究认为,位于软土地基的桥梁桩基础其动承载力将下降,动、静比值为 0.8左右。

为了更充分地了解软土地基桥梁桩基长期在高速列车动荷载作用下的工作性状,在京沪高速徐沪段昆山现场进行了软土地基桥梁桩基础单桩竖向动静载试验研究工作。结合现场试验条件,选择 2种桩径共 6根试验桩(均为桥梁工程桩)分 2组进行了试验加载,2种试桩的参数见表2。并于 2002年 12月正式启动了现场试验工作。现场试验工作于 2003年 10月完成。

表2 试桩参数

通过昆山试验段桥梁桩基采用激振设备对 2组共6根试验桩进行动静载试验,得出以下结论:(1)由动荷载引起的桩顶沉降量值较小;(2)动荷载循环作用下桩顶动位移幅值较小,且很快能达到稳定;(3)动荷载作用初期,试验桩桩身上部软土层桩侧摩阻力呈现弱化现象,桩身下部呈现强化现象,弱化的幅值小于强化幅值,动载作用过程中桩身轴力出现重分布现象。

在桩端持力层较好的情况下,软土地基桥梁桩基础设计时可以忽略由高密度、高速度列车反复作用下对桩基工后沉降和竖向承载力的影响。

基于以上的试验研究成果,确定高速铁路桥梁桩基极限摩阻力取值可以按常规铁路桥梁取值标准进行。