京沪高速铁路(京徐段)桥梁设计

2011-01-24金莉

铁道标准设计 2011年7期

金莉

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处,天津 300142)

1 基本概况

京沪高速铁路全长约1318 km,纵贯京津沪和冀鲁皖苏四省,连接环渤海和长江三角洲两大经济区,是我国铁路“四纵四横”快速客运专线的重要组成部分。其中京沪高速铁路京徐段线路长度668.886 km。

京沪高速铁路京徐段正线特大、大、中桥131座,框构桥49座,涵洞384座,旅客地道14座,桥梁长度为555.024 km,占正线长度的83%。其中最长桥梁为天津特大桥,桥梁长度为113693.65m。由于该线跨越众多河流、道路、既有铁路,因此特殊结构桥梁多,共计142处特殊结构,主要结构有连续梁、空间刚架、钢箱拱、钢箱系杆拱、道岔梁等。

2 常规结构桥梁

2.1 桥跨布置

为了满足高速铁路列车安全运行和旅客乘坐舒适度的要求,高速铁路桥梁结构应具有安全舒适,构造简洁,设计标准化,便于施工架设和养护维修的特性,并须具有足够的耐久性和良好的动力性能。因此,在孔跨布置梁型选择上采用20、24、32、40 m标准跨度的简支箱梁,(32+48+32)m、(40+56+40)m、(40+64+40)m、(48+80+48)m、(60+100+60)m标准跨度连续箱梁及(12+16+12)m、(16+20+16)m、(18+24+18)m标准跨度的刚构连续梁。

桥跨布置有以下几个特点：一座桥除受控制点影响外,尽量以同一孔径梁跨布置,并以32 m梁跨为主；当桥梁跨越河流的时候,铁路与河流交角大于70°时,以32 m梁为主,当铁路与河流交角小于70°时,根据冲刷计算情况可在河槽范围内采用40 m简支箱梁或大跨度连续箱梁；当跨越一般道路,铁路与道路交角较小时,且道路旁有较大边沟,常规跨度不能满足立交要求,则采用刚构连续梁,以降低路肩高程。

多条客运专线多个典型工点不同桥式施工方法的分析结果表明,在桩基条件下以跨度32 m简支箱梁为最经济的梁型,预制架设为最经济的施工方法。我国客运专线桥梁比重高,地质条件复杂,工期紧张等具体情况,确定了高速铁路桥梁以32 m简支预制箱梁为主,其他结构在适宜的条件下采用的原则。

2.2 墩台选择

2.2.1 桥墩

图1 京沪高速铁路流线形圆端实体桥墩

京沪高速铁路京徐段桥墩采用了流线形圆端实体墩(图1、图2)、圆端形空心桥墩、单圆柱桥墩等,其桥墩设计需要满足几方面的要求：首先必须满足高速铁路的功能性要求,桥墩作为桥梁结构的重要组成部分,必须保证桥梁整体结构的安全、舒适、耐久性和良好的动力性能；其次注重景观效果,桥墩的选型应与梁部流线相匹配,适应桥梁上、下部结构之间景观上衔接的需要；还要易于施工和养护维修,京沪高速铁路桥梁长度长,单座最长桥梁长度达165 km,应根据功能需求分大段选择适宜的墩型,并尽量减少墩型种类,以便于施工组织。

图2 流线形圆端实体桥墩构造(单位：cm)

京沪高速铁路京徐段桥墩类型结合桥梁功能合理选用,流线形圆端实体墩,一般适用于旱桥地段、跨河桥梁铁路与河流斜交角度不大时的有水地段、蓄滞洪区；当桥墩高度超过18 m时,优先采用圆端形空心桥墩；斜交较大的跨河桥梁中,根据防洪评价意见采用单圆柱墩。

2.2.2 桥台

京沪高速铁路京徐段桥台采用一字形桥台,桥台长度为2.5 m,台后填土高度5.0～8.0 m,级差为0.5 m,台身入土深0.0～3.0 m,级差为0.5 m。一字形桥台采用矩形截面,为了便于台后施工,保证台后填料振捣压实,台身后坡采用直墙式；为满足高速铁路大吨位梁体自重及架桥机运、架梁荷载作用,台身前墙采用斜坡式并适当加大前墙伸入桥孔的长度以利于结构受力。

2.3 桥梁基础

2.3.1 承台

承台是将群桩与桥墩台连接为整体,并将桥梁上部荷载传递给桩基的重要构件。由于京沪高速铁路京徐段桥梁基础基本上都是采用钻孔灌注桩,承台尺寸及其配筋的合理取用都直接影响到工程总投资,其经济意义重大,因而对其进行分析研究。

承台尺寸确定的原则是：整体纵横向刚性角接近35°,整体倾斜刚性角小于45°；加台尺寸要大于按整体刚性角计算的尺寸。

承台采用六面配筋,底面纵横向主筋配筋分别采用铁路规范、公路规范和建筑规范(按深梁理论)进行抗弯钢筋的计算,检算截面包括桥墩边缘截面和加台边缘截面,合理取用其计算结果；顶面钢筋的直径不应小于16 mm、间距不应大于15 cm；其余四面按构造要求配筋。

确定了常用跨度4种基本承台,详见表1。

2.3.2 桩基

京沪高速铁路京徐段桥梁桩基布置分为4种基本类型,其桩间距及布置详见表2。

表1 京沪高速铁路京徐段承台及桩基形式

表2 京沪高速铁路京徐段桩基布置

注：表中尺寸单位为cm。

桩身配筋根据计算确定,并满足《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)中关于钻孔桩桩头2.5～3.0倍桩径长度范围内箍筋加密,其间距不应大于10 cm,直径不应小于10 mm,桩身纵向钢筋的配筋率不宜小于0.5%的相关要求。

3 特殊结构桥梁

3.1 桥梁类型

京沪高速铁路京徐段沿线跨越多处大江大河、高速公路、既有铁路,受通航及立交净空、防洪等诸多条件制约,需要桥梁以较大跨度跨越,因此出现了多处特殊结构桥梁(表3)。

3.2 5线空间钢架

本结构位于北京市大兴区,跨越既有京山四线及西黄左线铁路(共5条铁路线)。京山四线及西黄左线均为直线,京沪高速铁路位于半径为4 000 m圆曲线上,与既有5条铁路线夹角20°37′。5条线路中两最外侧铁路线的间距为20.7 m,建筑限界要求净高7.5 m。既有5线铁路为Ⅰ级、电气化铁路,行车密度大,运营十分繁忙。一般桥梁结构如实现跨越5线,跨度至少在180 m以上,且由于曲线影响,桥面需加宽并按照弯梁设计,应有足够的抗弯、抗扭刚度和稳定性。此外,施工时还应尽量避免对既有5线铁路行车的干扰。为满足上述要求,一般桥梁结构难以实现,故采用空间刚架结构(图3)。空间刚架结构具有纵横向跨度大、整体刚度大、建筑高度低、桥跨布置容易等优点。尤其在小角度跨越多条铁路(公路)的工点,受桥下净空要求限制,需要较大跨越能力时,采用空间刚架结构是经济合理的。

表3 京沪高速铁路京徐段特殊结构桥梁汇总

图3 5线空间刚架实景

5线空间刚架结构采用了并排的5榀空间刚架结构一跨跨越5条铁路,各榀刚架跨度方向中心线与桥上线路中心线夹角69°23′。各榀空间刚架为独立结构,位于大、小里程端的刚架均接异型桥墩。顺里程方向划分为1号至5号刚架,京沪高速铁路左线中心线与前后异型墩梁缝、异型墩与刚架接缝以及各榀刚架间接缝之交点的距离为(沿京沪正线方向)：3.54 m(异型桥墩)+26.62 m+26.55 m+26.49 m+26.43 m+26.36 m+5.15 m(异型桥墩)。5线空间刚架立面布置见图4，5线空间刚架平面布置见图5。

图4 5线空间刚架立面布置(单位：cm)

图5 5线空间刚架平面布置(单位：cm)

空间刚架沿既有线纵向分节宽度5-24.9 m,节间缝隙为3 cm。刚架主跨跨度为32.8 m(跨越京山四线及西黄左线),1号、5号刚架侧跨跨度由11.390 m渐变为0 m,侧跨边墙与主跨侧墙角度为21°,承台顶至桥面高16 m。1号与5号、2号与4号刚架分别互为反对称结构,3号刚架自身为反对称结构。

5线空间刚架结构由桥面系、侧墙和基础3部分组成。

桥面系由工字钢横、纵梁与混凝土桥面板构成的钢混结合梁板结构,是重要的承重结构,有较大的强度与刚度。主跨两侧墙为M形孔洞的钢箱混凝土连续刚架墙。纵向长24.9 m,高度15.6 m,墙厚2.5 m。钢箱结构由外墙钢板及横、竖向PBL剪力板组成。基础为了满足较强刚度的需要,采用单排桩基础使相邻刚架之间联系起来,减小了不均匀沉降对空间刚架变形的影响。异型墩下基础直径为1.0 m 、刚架边墙下基础直径为1.25 m和刚架侧墙下基础直径为1.80 m的钢筋混凝土钻孔灌注桩构成。桥跨与侧墙、侧墙与基础均为刚性连接。A、B剖面见图6、图7。

图6 A-A截面(单位：cm)

图7 B-B截面(单位：cm)

5线空间刚架结构为确保高速铁路轨道平顺性进而保证行车安全性和舒适性,在控制变形方面，结构设计时增加了横、竖向限位措施。

3.3 道岔梁

天津特大桥全桥长113.694 km,桥上道岔区采用道岔梁。道岔区孔跨布置包括：

京津联道岔区采用2-(7×32 m)双线变3线连续梁+1-32 m 3线简支箱梁+5×26 m 4线变3线连续梁+3×32 m连续梁3线变双线+4-24 m双线简支箱梁+2-32 m双线简支箱梁；

津沪联道岔区采用2-(7×32 m)双线变3线连续梁+1-32 m 3线简支箱梁+5×26 m 4线变3线连续梁+3×32 m 3线变双线连续梁+4-32 m双线简支箱梁；

天津南站道岔区采用2-(7×32 m)双线变线带渡线连续梁+2-(4×32 m)双线变4线连续梁+4-(5×28) m双线变线连续梁+2-(5-26.8 m)双线变宽异形简支梁+1-24 m双线简支箱梁+1-32 m双线简支箱梁。

3.3.17×32m两线变3线道岔连续梁(图8～图10)

图8 7×32 m预应力混凝土连续道岔梁平面

图9 跨中截面示意

图10 支点截面示意

图14 到发线岔区3幅桥孔跨平面布置

线路由2股道高速正线引出1条联络线,布置42号道岔,道岔区设转辙机,桥上2线变3线,因此桥梁设计采用变宽的连续箱梁结构,跨度为7×32 m,梁全长228.7 m。梁体为单箱双室等高度、变宽的斜腹板箱梁结构,梁高3.05 m,箱梁顶板宽12.0～15.50 m,底板宽5.95～9.17 m,支点处底板每侧加宽0.46 m,顶板厚度30 cm,底板厚度由30 cm变化至60 cm,腹板厚度由50 cm按直线变化至80 cm,梁体在端部和墩顶处共设置了8道横隔板,梁端横隔板厚度1.5 m,中墩墩顶处横隔板厚度2.0 m。为方便检查人员,横隔板上均设过人孔洞。

3.3.25×27m3线变4线道岔连续梁(图11～图13)

图11 5×27 m预应力混凝土连续道岔梁平面

图12 跨中截面示意

图13 支点截面示意

线路由两股道高速正线及1条联络线再引出1条安全线,桥上3线变4线,因此桥梁设计采用变宽的连续箱梁结构,跨度为(25.5+3×27+25.5)m,箱梁顶板宽19.45～21.51 m,底板宽12.65～14.71 m,截面为单箱三室,梁高3.05 m。支点处底板每侧加宽0.46 m,顶板厚度30 cm,底板厚度由30 cm变化至60 cm,腹板厚度由50 cm按直线变化至80 cm,梁体在端部和中支点处共设置了6道横隔板,梁端横隔板厚度1.5 m,中支点处横隔板厚度1.8 m。为方便检查人员,横隔板上均设过人孔洞。联络线、安全线采用有砟轨道,高速正线为无砟轨道。

3.3.3 5×28 m 2线变3线道岔连续梁

京沪高速铁路天津南站(高架车站)在站前咽喉区由正线两股道通过布置4组道岔,扩展为6股道。桥梁横向分别按3幅桥设置,高速正线采用5-28 m切悬臂的异型简支梁,两侧到发现采用变宽的连续箱梁结构,跨度为(27.15+3×28+27.15) m。到发线岔区3幅桥布置见图14。

到发5×28 m预应力混凝土连续道岔梁,梁全长139.9 m。梁体为单箱单室等高度、变宽的斜腹板箱梁结构,梁高3.05 m,箱梁顶板宽12.16～6.03 m,底板宽5.50～4.00 m,顶板厚度35 cm,底板厚度由30 cm变化至60 cm,腹板厚度由50 cm按直线变化至80 cm,梁体在端部和墩顶处共设置了6道横隔板,梁端横隔板厚度1.5 m,墩顶处横隔板厚度1.8 m。到发线岔区连续梁示意见图15～图17。