广深港客运专线桥梁设计综述

2012-01-22谢海林

铁道标准设计 2012年3期

谢海林

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

广深港客运专线是我国京港高铁的重要组成部分。沿线经过广东省的广州市、东莞市、深圳市及香港地区,线路跨越的珠江三角洲是一个广阔平原及交错的网河区,网河区内水道密布,西北江三角洲网河相互贯通,河网密度达0.81 km/km2,东江三角洲自成一体,河网密度达0.88 km/km2。

广深港客运专线主要跨越屏山涌(石壁河)、紫坭河、沙湾水道、浅海、蕉门水道、骝岗水道、浮莲岗水道和狮子洋等河道。

由于地处沿海,受南亚季候风影响,台风、暴雨及冷峰都比较强烈,造成冬春季节多阴雨并有冷空气侵袭,雨季长,夏秋汛期多台风暴雨,对铁路建筑物,特别是桥梁工程影响大。

本线受台风、洪水、潮水等自然条件的影响,部分地段上层覆盖深厚淤泥及淤泥质黏土(厚达20 m),存在砂土液化及软土震陷,地质条件很差。

线路全长145 km,其中有大中桥梁47座,桥梁总长56.0 km。本线桥梁以简支箱梁为主,大跨结构主要有连续梁、连续刚构、连续梁拱、拱桥等结构形式,跨越道路交角很小,采用了斜交刚架来满足交通要求。

2 主要技术标准

(1)铁路等级：客运专线

(2)设计活载：ZK荷载

(3) 设计行车速度：350 km/h

(4) 线间距：5.0 m

(5)最小曲线半径：7 000 m

(6)限制坡度：20‰

3 桥梁设计特点

广深港客运专线技术标准高；沿线地处经济发达的珠三角,城镇化水平高；通航河流多；高等级公路多；城镇规划多。因线路所经地区具有“二高三多”的特点,而采用了大量复杂的桥梁结构类型,大跨度桥梁也很多。本线的桥梁设计主要有以下特点。

(1)大量采用大跨度预应力混凝土梁

本线多次跨越沿线大江大河及高等级公路,线路的走向影响桥式方案,而客运专线线路设计标准较高,最小曲线半径为7 000 m,导致铁路与多处河流与公路的交角很小,个别地方铁路与公路交叉处几乎平行,因此长联大跨度弯连续梁出现较多。具有长联、大跨、弯梁三大特点的预应力混凝土梁,其梁体的变形是关键,在温度和收缩徐变作用下,梁体的变形如何发展,将对轨道产生严重影响。

(2)无缝线路及道岔区桥梁设计

本线一次性铺设无缝线路,设计中考虑了纵向长轨力、挠曲力、断轨力的影响,桥墩线刚度对桥上无缝线路纵向力的影响。

道岔区桥梁结构设计的关键在于其纵向变形的连续性、刚度均匀性。因此为确保道岔区长期正常运营,对桥式布置和梁部及基础的变形都进行了严格控制。

(3)桥梁结构采用耐久性设计

桥梁结构地处河网化地区,与珠江紧邻,遭受风浪、水质等多种自然因素的作用,对桥梁结构的耐久性影响较大。近年来对结构尤其是高等级铁路的耐久性的重视已上升到与结构安全性同等的高度。因此设计中非常重视其结构耐久性,通过采取提高混凝土强度等级,加大桥涵混凝土结构钢筋的混凝土保护层厚度,桥梁顶面设置防水层和保护层,预埋钢板采用多元合金共渗或渗锌+封闭城处理,挡块及螺栓采用渗锌处理等一系列措施来保证全线桥梁的结构使用寿命。

4 一般桥梁设计

桥梁孔跨以32 m整孔箱梁为主,24 m和20 m箱梁原则上用于调整孔跨。简支箱梁以预制架设施工为主,当受地形条件、交通和隧道限界制约,无法运梁等因素限制而无法采用预制架设法施工时,箱梁考虑采用切翼板后架设或现浇施工。跨越河道、公路需要较大跨度跨越时,可采用预应力混凝土连续梁,并尽量采用标准连续梁,当线路与道路、渠道、河流斜交,桥梁净空受限时,采用了斜交刚架跨越等。

桥台采用双线矩形空心台；桥墩一般采用圆端形空心墩,桥墩高度小于6 m时,采用圆端形实体墩,跨公路、铁路既有线两侧的桥墩以及水中墩承台至水面以上1 m范围采用实体墩。

桥梁基础类型一般采用桩基础,对于地质条件较好的部分考虑采用扩大基础。典型桥梁全桥布置见图1。

图1 典型桥梁全桥布置(单位：cm)

5 特殊结构桥梁设计

全线大跨特殊结构较多,结构形式主要有连续梁、连续刚构、连续梁拱、提篮拱、拱桥等,此外为解决线路与高等级道路的立体交叉问题多处采用了斜交刚架,以及桥建合一的3座高架车站,现将具有代表性的桥梁结构介绍如下。

(1)跨越紫坭河和沙湾水道采用104 m+2×168 m+112 m连续刚构

沙湾水道通航论证要求的通航净空为2-151 m,结合航迹线分布、防洪要求及线路布置的实际情况,主跨采用2-168 m以满足通航需要,考虑到防洪的需要,左右边跨分别采用112 m和104 m孔跨。如图2所示。

通过梁高、薄壁墩厚度、合龙顺序和预顶力等的比较,确定了合理的结构尺寸,该梁梁部采用全预应力混凝土结构,主梁截面采用单箱单室直腹板变截面,箱顶宽13.4 m,箱底宽8.0 m,中支点处梁高11.0 m,边直段及中跨中处梁高6.0 m,梁底缘用抛物线连接。梁部采用C60高强混凝土,纵、横、竖三向预应力索体系,其中纵、横索采用φj15.20 mm低松弛高强度预应力钢绞线,竖向索采用φ32 mm精轧螺纹钢筋。主梁桥墩采用C50钢筋混凝土,中主墩为圆形空心墩,墩直径采用8.5 m,壁厚1.5 m；边主墩为双薄壁墩,壁厚2.2 m,横桥向宽度9.0 m,两薄壁中心距6.5 m。

图2 连续刚构立面(单位：cm)

断面如图3所示。

图3 主梁断面(单位：cm)

本桥跨度大,联长达553.6 m,为当时时速350 km无砟轨道最大跨度,设计采用双薄壁墩,中间桥墩为减小对通航及防洪的影响,采用圆形桥墩,很好地解决了连续刚构的刚度分配问题。

(2)跨越骝岗水道采用76 m+160 m+76 m连续梁拱(图4)

该桥为跨越骝岗水道而设,为满足了骝岗水道单孔双向通航的要求,采用了160 m的跨度,因骝岗水道距离车站较近,而桥墩较矮,不宜采用连续刚构,为降低了桥梁高度,采用了连续梁拱组合桥型。

主梁采用单箱双室变高度箱形截面,跨中及边支点处梁高4.0 m,中支点处梁高8.5 m,梁高按圆曲线变化。采用纵、横、竖三向预应力体系。跨中断面如图5所示。

图4 连续梁拱立面(单位：cm)

图5 跨中断面(单位：cm)

箱梁顶宽14.2 m,中支点处局部顶宽16.3 m；箱梁顶板厚0.42 m,中支点处加厚至1.02 m；箱梁底宽10.8 m,中支点处局部底宽13.6 m；底板厚度0.35～0.874 m,中支点处加厚至1.40 m。

箱梁采用直腹板,腹板厚分0.40、0.55、0.70 m三种,中支点处边腹板局部加厚至1.30 m。箱梁共设5道横隔板。

拱肋采用钢管混凝土结构,计算跨度L=160.0 m,设计矢高f=32.0 m,矢跨比f/L=1∶5,拱轴线采用二次抛物线,拱肋采用等高度哑铃形截面,截面高度3.0 m。吊杆顺桥向间距9 m,全桥共设15组双吊杆。

76 m+160 m+76 m连续梁拱结构是预应力混凝土连续梁与钢管混凝土拱的组合桥型,创国内铁路连续梁拱组合桥梁跨度新纪录,是广深港客运专线的控制工程之一。

(3)跨越蕉门水道采用75 m+2×135 m+75 m连续梁

该桥为跨越蕉门水道而设,因河道与线路的夹角为44°,为满足双孔单向通航,采用75 m+2×135 m+75 m连续梁,该连续梁全长421.5 m,为广深港客运专线的控制工程之一。连续梁平、立面如图6所示。

通过静力计算确定了中支点梁高为10 m,跨中梁高为5.8 m,边支座中心线至梁端0.75 m,边支座横桥向中心距6.0 m,中支座横桥向中心距5.8 m。标准桥宽13.4 m,为单箱单室型箱梁结构,顶板0.45 m,底板厚0.45～1.2 m,腹板厚0.5～0.95 m。中支点横隔板宽度3.0 m,边支点横隔板宽度1.95 m,中跨中横隔板厚1.0 m。主梁断面如图7所示。

图6 连续梁平、立面(单位：cm)

图7 主梁断面(单位：cm)

采用纵、横、竖三向预应力体系,按预应力混凝土全预应力构件设计。

该连续梁是目前时速350 km客运专线上跨度最大的连续梁。通过静力计算和动力分析,确定合理的截面尺寸,满足高速铁路对大跨度梁在纵横向刚度的要求,使梁体的刚度在合适的范围内和通过调整纵向预应力钢绞线来实现控制工后徐变的量值。

(4)跨越市良路(S362)处采用112 m提篮拱

铁路跨越市良路(省道)的交角较小,且道路一侧为河流,一侧山体,采用连续梁需要开挖山体,经比选采用结构刚度大,造型美观的提篮拱来满足立交要求。提篮拱立面如图8所示，跨中断面如图9所示。

112 m提篮拱,按尼尔逊体系布置吊杆,采用预应力混凝土系梁。结构桥长116.0 m,计算跨度112.0 m。

拱肋：采用竖置哑铃形钢管混凝土截面,按等截面布置,截面h=3.0 m,钢管直径为1 200 mm,由厚18 mm的钢板卷制而成,每根拱肋的2钢管之间用钢板焊接形成哑铃形。两拱肋拱顶中心距9.19 m,拱脚处中心距16.2 m,拱肋内倾9°,即与水平面的夹角为91°。拱轴线采用悬链线,矢高f=22.40 m,m=1.347。钢管内用C50无收缩混凝土填充,钢管及钢板采用Q345q-D和Q235钢材。

系梁：为单箱三室截面,底板在3.0 m范围内上抬0.50 m以减小风阻力。桥面箱梁顶宽17.8 m,梁高2.5 m。系梁吊点处设横梁,横梁为实体截面,纵向厚度为0.4～0.6 m,中间设进人孔。系梁箱体底板厚度为28 cm,顶板厚度为30 cm,边腹板厚度为35 cm,中腹板厚度为30 cm。系梁采用C45混凝土。

吊杆：吊杆布置采用尼尔森体系,在吊杆平面内,吊杆水平夹角在52.10°～68.67°；横桥向水平夹角为81°。吊杆间距为8 m,两交叉吊杆之间的横向中心距为341 mm。吊杆均采用127根φ7 mm高强低松弛镀锌平行钢丝束,冷铸镦头锚,索体采用PES(FD)低应力防腐索体,并外包不锈钢防护。吊杆的疲劳应力幅为75 MPa,在主+附作用下的最大应力幅值为143 MPa。

图8 提篮拱平、立面(单位：cm)

图9 提篮拱跨中断面(单位：cm)

横撑：两拱肋之间共设5道横撑,拱顶处设“X”形撑,拱顶至两拱脚间设4道“K”形横撑。横撑由φ600、φ500和φ360 mm的圆形钢管组成,钢管内部不填混凝土,其内外表面均需作防腐处理。

该结构刚度大,造型美观,不仅能较好满足高速铁路的要求,而且解决桥下为路堑形式的高速公路的立交问题。

(5)跨东新高速采用的2-17.5 m斜交刚架

东新高速公路与广深港客运专线相交处公路里程为K16+203,设计为双向6车道,铁路与高速公路交叉角度13.2°,刚架跨越处公路部分为桥梁,部分为路基,其中DK7+373.89～DK7+515.1(对应公路桥梁台尾里程为K16+240.72,公路设计高程6.136 m)为路基,长度141.21 m,填筑高度4.9 m,路基面宽度为33.5 m；DK7+515.1～DK7+593.75为桥梁,长度为78.65 m。

2-17.5 m异形刚架桥,共由7个跨线异形刚架及2个异形桥台组成,跨度构成为(桩号前进方向)15.293 m(164号桥台)+2×24.7 m+30.3 m+33.5 m+30.3 m+2×24.7 m+11.667 m(165号桥台),全长219.86 m。刚架顶板厚1.2 m,侧墙厚1.2 m,刚架高度16.5 m,各侧墙开窗位置距承台顶面4.95～5.4 m,窗口高度3.8 m,净宽1.5 m,窗间净距为2.5 m。刚架与简支梁之间采用异形桥台连接。斜交刚架平面如图10所示，斜交刚架断面如图11所示。

该结构建筑高度小,结构刚度大,能较好地解决铁

图10 斜交刚架平面(单位：cm)

路线路与道路夹角较小的问题,与采用大跨度的连续梁或者连续刚构相比能够有效地降低线路的高程,节省工程造价。

6 结语

广深港客运专线桥梁是我国京港客运专线桥梁最为复杂的一段,许多桥梁设计都创造了国内外桥梁结构之最,其中70 m+160 m+76 m连续梁拱和75 m+2×135 m+75 m连续梁的设计入选了中国企业新纪录；跨越紫坭河和沙湾水道采用104 m+2×168 m+112 m连续刚构桥梁,桥上采用无砟轨道,在时速350 km客运专线尚属首次；跨东新高速公路采用的2-17.5 m斜交刚架,成功地解决了铁路与公路交角小的难题。广深港客运专线针对线路的实际情况,因地制宜所做出的设计尝试,为我国在河网化地区、城镇化发达地区的客运专线积累了宝贵的经验,并具有一定的创新意义。