北京动车段走行线特殊结构桥梁设计

2012-01-22冯利波

铁道标准设计 2012年3期

冯利波

(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

作为北京枢纽内的检修基地,北京动车段是我国北方地区动车组检修基地及京沪高速铁路北段的检修中心,对完善枢纽客运设施及动车检修设施,配套京津城际轨道交通项目的正常运营,及改善首都的环境和形象,具有重要作用和重大意义。北京动车段走行线工程是北京南站和京津城际铁路及京沪高速铁路、京广客运专线、京哈客运专线配套项目,动车段走行线起于北京南站西侧,跨京开高速公路、南三环、南四环路及京九、丰双铁路后到达动车段。

动车段走行线工程共有京沪高速铁路正线、京沪高速铁路动车左右线、京津城际铁路动车线、京石客运专线动车左右线7条线,其中京沪高速铁路正线为无砟轨道,设计速度目标值200 km/h,其余5条动车线均采用有砟轨道,设计速度目标值120 km/h。工程共有京沪高速铁路正线、京沪高速铁路动车左右线、京津城际铁路动车线特大桥及京沪高速铁路动车左右线、京石客运专线动车左右线、京津城际铁路动车线特大桥等五线特大桥2座,单线特大桥1座,框构5座,涵洞23座。由于本线位于北京市内,为5线并行,跨越众多市政道路、高速公路、规划地铁、既有铁路等,特殊结构桥梁多,主要技术难点有5线并行800 m小半径大跨度连续弯梁、400 m小半径连续弯梁、预应力混凝土框架墩、低高度T梁,非标T梁,5线并行小半径曲线布置等。

2 桥跨布置及墩台、基础选择

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,京沪高速铁路正线桥梁结构采用了20、24、32 m简支箱梁,京沪高速铁路动车走行线、京津城际铁路动车走行线及京石客运专线动车走行线则采用12～32 m简支T梁,还采用了40 m简支箱梁、(32+48+32)m连续箱梁,(71+120+71)m连续箱梁,预应力混凝土框架墩等。

由于受场地限制,简支箱梁采用支架现浇法施工,简支T梁采用预制架设法施工,连续梁采用悬臂灌注法和支架现浇法施工。

动车段走行线桥墩采用圆端形实体桥墩,根据线路情况,分别设计了单线、双线及三线墩。简支箱梁桥台采用双线一字形桥台,简支T梁桥台采用了T形桥台。动车段走行线桥梁采用了钻孔灌注摩擦桩基础,图1为正在施工中的桥梁。

图1 正在架梁中的动车段走行线桥梁

3 5线并行小半径曲线桥梁布置

3.1 5线并行径向布置

北京动车段走行线跨南三环及京开高速公路处位于800 m半径曲线上,该段桥梁位于三环附近,为保证视野通透及城市景观的需要,本段曲线桥采用了径向布置,桥墩位于同一轴线上。曲线内侧走行线采用标准跨度简支T梁,中间京沪高速铁路正线采用现浇异型跨度简支箱梁,梁体中心线设计成直线,箱部结构按照直线布置,梁端按照径向布置,桥面板及桥面系构造按照曲梁曲做；外侧走行线采用异型简支T梁布置；跨越南三环及京开高速公路采用了(71+120+71)m双线+三线并置大跨度连续弯梁跨越,梁端径向布置。5线并行径向桥墩布置平面如图2所示。

图2 5线并行径向桥墩布置平面

3.2 5线并行错线布置

北京动车段走行线5线跨越丰双铁路，位于半径400 m曲线上,交叉角度小,由于受线路纵断面的控制,只能选用(32+48+32)m连续梁错线跨越,因此该段曲线桥均采用了错线布置法：以丰双铁路及桥下道路为控制点,两侧简支梁分别按平分中矢法进行曲线布置,并通过梁跨调整,在直线段保证桥墩对齐布置。错线布置时存在一线梁梁端对应另一线梁跨中的情况,而5线间最小间距为5 m,400 m半径曲线上梁端最大偏移距离达17 cm,为避免相邻线梁部相互干扰,设计中对部分T梁悬臂进行了局部切除。5线并行错线桥墩布置平面见图3。

图3 5线并行错线桥墩布置平面

4 特殊结构桥梁

4.1 桥梁类型

北京动车段走行线位于北京市区内,沿线跨越多处高等级公路、既有铁路及规划道路、地铁等,受立交净空、城市景观及施工方法等诸多条件制约,设计中采用了许多“量身定制”的特殊结构桥梁(表1)。

表1 动车段走行线桥梁特殊结构汇总

4.2 (71+120+71)m 5线连续箱梁

跨越京开高速公路及南三环路时均采用3跨(71+122+71)m预应力混凝土连续弯梁。其中跨越京开高速公路点在京开高速公路与北京市政路菜户营南路的连接处,要求净宽86 m、净高5 m,线路与其交角117°10′。京开高速公路由双向6条车道组成,线路跨越处京开高速公路大小里程分别有2车道匝道,桥位两侧靠近京山铁路以及西黄铁路。桥梁结构位于800 m半径的曲线上,共5条线并行,线间距5.0 m,2条线为京沪高速铁路正线,其余3条为动车走行线,采用(71+120+71)m双线连续弯梁与(71+120+71)m 3线连续弯梁并置跨越,两梁横向悬臂板间距10 cm,梁部构造及布置见图4、图5。

图4 (71+120+71) m双线+三线预应力混凝土连续箱梁平剖面

图5 连续箱梁跨中截面示意(单位：cm)

双线连续箱梁采用有砟轨道,各控制截面的梁高分别为：端支座处及边跨直线段和跨中处为5.0 m；墩顶处梁高9.0 m,墩底平段长4.8 m,梁高按2.0次抛物线变化；单箱单室直腹板截面。箱梁顶宽11.65 m,底宽7.0 m。

3线连续箱梁上京沪高速铁路正线采用无砟轨道,京沪高速铁路动车右线采用有砟轨道,各控制截面的梁高分别为：端支座处及边跨直线段和跨中处为5.0 m；墩顶处梁高9.0 m,墩底平段长4.8 m,梁高按2.0次抛物线变化；为单箱双室直腹板截面。箱梁顶宽16.65 m,底宽12.0 m。

箱梁两侧腹板与顶底板相交处均采用圆弧倒角过渡。曲线梁按曲线曲做。梁体轮廓、普通钢筋、预应力钢束及管道等均以梁体中心线为对称线沿径向根据曲率进行相应调整,支座、桥墩亦按径向布置。梁体采用三向预应力体系。为便于检查,横隔梁设过人孔,梁端处设进人洞。

其中3线连续弯梁上京沪高速铁路正线采用无砟轨道形式,因此对大跨度弯梁的动力性能、刚度指标、变形控制等要求高,梁部设计挠跨比(中跨)为1/3 444,梁端竖向转角0.584‰(rad),梁端水平折角0.123‰(rad),设计徐变上拱值0.55 mm。

京开高速公路与南三环位于北京市内,均比较繁忙,因此梁部采用了大跨度支架现浇法施工,既保证了桥下南三环和京开高速车辆的安全、顺畅通行,也满足了工期的需要。

4.3 预应力混凝土框架墩

京津城际动车线、京沪高速铁路动车左线跨京沪高速铁路正线、既有京九线及京沪高速铁路动车右线跨越既有京九线斜角角度为8°～18°,为满足跨越,需采用框架墩结构,上架设16 m T梁。

为减少施工对既有线干扰,一般跨线框架墩横梁均采用钢箱横梁。钢横梁虽然施工简单,对既有线干扰小,但由于钢材长期暴露在大气中,其防腐是控制其使用寿命的关键。目前最好的防腐涂装也需要定期对钢材进行养护；框架墩下方均为电气化铁路,钢横梁长期处于高压电磁环境中会产生静电,而且走行线尚需跨越京沪高速铁路正线,在高速铁路上方作业,对运营后的养护工作造成了极大的困难。

为解决以上难点,设计中考虑采用预应力混凝土横梁的结构形式,施工完成后基本上不需要进行养护维修,跨既有线横梁施工采用贝雷梁支架法施工,减少了对既有线的干扰。

该结构横梁长20、22 m,顺桥向宽度2.7 m,横梁高2.5 m,与墩柱相连接的部分加厚至3.0 m；墩柱高14.5～21.0 m,截面形式为2.5 m×2.5 m矩形；桩基为φ1.0 m钻孔灌注摩擦桩,承台方向与既有线方向基本平行。框架墩主要结构尺寸见图6。

图6 框架墩立面示意(单位：cm)

横梁计算结果汇总见表2、表3。

表2 横梁截面强度计算结果

表3 横梁正截面抗裂计算结果

同时为满足桥下净高,框架墩横梁上方采用16 m低高度T梁,梁高1.1 m,轨底至梁底建筑高度1.75 m。

4.4 (32+48+32)m小半径曲线连续弯梁

各动车走行线在丰台区柳村道口附近5线并行跨越既有丰双铁路,斜交角度50°左右,线路曲线半径400 m,为实现5线跨越丰双铁路,采用3跨(32+48+32) m预应力混凝土连续弯梁,桥墩错线布置。

梁部采用有砟轨道,梁高沿纵向按二次抛物线变化,中支点梁高3.50 m(高跨比为1/13.71),边支点及跨中梁高2.50 m(高跨比1/19.20)。截面采用单箱单室、变高度、变截面直腹板形式。箱梁顶宽9.0 m,底宽6.60 m。箱梁两侧腹板与顶底板相交处外侧均采用圆弧倒角过渡,曲梁曲做布置,支座亦按径向布置。梁部设计挠跨比(中跨)为1/3 707,梁端下挠转角0.84‰(rad),梁端反弯转角0.54‰(rad),设计徐变上拱值9.5 mm。