符夹铁路青龙山特大桥空间刚架设计

侯 伟

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070)

1 概述

符夹铁路位于安徽省境内，南起符离集，向西北经淮北市、萧县至徐州夹河寨，是陇海、京沪、京九三大路网干线间的联络线。全线按一次双线电化扩能考虑，对既有线进行部分改造，并行既有线增建二线。

青龙山特大桥为符夹铁路扩能工程重要节点桥梁，地处青龙山附近，毗邻S101省道，上跨南北走向的青符铁路联络线(既有线和新建线各1条)。桥梁全长2 795.63 m，承担单条新建符夹左线运营荷载，设计为铁路I级，速度120 km/h。为控制桥位处居民区拆迁工程量，符夹增建线线位靠近既有铁路线，与青符联络线呈较小斜交角度11°，平面圆曲线半径800 m。铁路线相交区域内有两个下穿涵洞，线位平面如图1所示。

图1 线位平面示意

大桥施工结束后新建青符联络左线，大桥施工过程中既有青符联络线沿施工便线运营。

桥址处于黄淮冲积平原，为中软土地基，主要由第四系全新统(Q4al)及第四系上更新统(Q3al)冲洪积形成的黏性土、砂土组成，土层特性自上而下如表1所示。

表1 土层特性

2 桥式方案确定

桥式方案的确定以铁路设计线位为基础，结合桥下净空、施工难易度、施工对邻近铁路运营的影响及桥梁美学等综合考虑。青龙山特大桥施工过程中，既有青符联络线沿施工便线运营，不受桥梁施工干扰。

青龙山特大桥上符夹铁路增建线与斜向下穿的青符联络线在桥跨中间交织，两端逐渐分开。两线中心距超过8 m区域内，大桥采用简支梁结构，桥下无铁路线。

两线中心距小于8 m范围内，下穿青符铁路联络线线间距4.4 m，建筑限界要求净高6.55 m，运营繁忙。大桥结构的选型应在控制结构高度保证桥下建筑净空的同时尽量避免桥梁施工对既有线运营的干扰。本桥位于弯道上，可行的桥式方案有空间刚架、钢桁梁、门式墩简支梁及隐形盖梁连续梁，各方案比选如表2所示。

表2 桥式方案比选

空间刚架结构整体性强，纵横向联合受力，跨越范围一定时结构高度明显小于梁式桥，适用于弯道线路，施工成熟，后期无养护，造价经济。此外，刚架侧墙可根据美学设计开不同形状的孔洞，给下穿铁路线提供采光的同时美化结构外形。因此青龙山特大桥上跨青符线范围内采用空间刚架结构，施工方案用满堂支架现浇。

3 结构设计

空间刚架在我国铁路桥梁中已被多次运用，如合肥至武汉铁路引入合肥枢纽工程跨合九铁路特大桥、京沪高铁(京徐段)北京特大桥等。上述刚架基础形式均为条形承台下接均匀连续布置的单排桩基，结构端部设置大体积异形群桩。

青龙山特大桥空间刚架桥，基础全线采用单排桩基础，端部紧邻简支梁桥桥墩。考虑到刚架处青符联络线下有两个涵洞，刚架桩基采用间断布置，为涵洞预留足够空间。刚架侧墙开孔尺寸在满足结构受力安全和美观的前提下尽量加大，保证下穿线路的通透、减少横向风荷载的作用面积。

用“%”的形式,表示2组治疗效果、不良反应发生情况,并用卡方值检验,在用SPSS20.0软件核对后,当2组社区糖尿病患者的各指标数据有差别时,用P<0.05表示。

3.1 总体布置

空间刚架沿符夹铁路增建线里程增大方向分为5孔，结构全长约106.07 m，孔跨布置为(25.35+21.52+21.41+18.32+19.47)m，宽度16.0～21.2 m。空间刚架立面如图2所示。

符夹增建线在刚架上斜向通过，刚架侧墙边线据青符线运营不受刚架施工干扰所需安全距离确定，在符夹增建线行离刚架区段进一步结合增建线的行车宽度。1～5孔刚架结构理论计算跨径依次为29.14、21、21、19.66、17.64 m，孔跨间设置 3 cm 变形缝。2、3 孔为标准段，平面呈矩形，全宽16.0 m;1、4、5孔为异形段，平面呈四边形，宽度随纵向边线走向变化。空间刚架平面如图3所示，标准段刚架剖面如图4所示。

图2 空间刚架立面(单位:m)

图3 空间刚架平面(单位:m)

图4 标准段刚架剖面(单位:m)

3.2 顶板构造

顶板为 C40钢筋混凝土结构，各孔等厚，为0.90 m，近侧墙处设置0.5 m×1.5 m的梗肋。标准段2、3孔平面纵向长21 m，横向宽16.0 m。异形段1孔顶板平面尺寸:纵向西侧长29.14 m，东侧长24.37 m，横向南侧宽21.2 m，北侧宽16.0 m;东侧外檐设置渐变挑臂，长度1.35～0.525 m。4孔顶板平面尺寸:纵向西侧长19.66 m，东侧长19.5 m，横向南侧宽16 m，北侧宽 18.48 m;西侧外檐设置渐变挑臂，长度0.525～1.155 m。5孔顶板平面尺寸:纵向西侧长17.64 m，东侧长20 m，横向南侧宽18.48 m，北侧宽20.85 m;西侧外檐设置渐变挑臂，长度 1.155～1.35 m。

3.3 侧墙构造

侧墙为 C40钢筋混凝土结构，各孔等厚，为1.0 m，长度与顶板纵向一致。1、2、3孔侧墙西侧高10.5 m，东侧高12.5 m;4、5孔侧墙东、西侧等高，为12 m。侧墙上距顶缘2.5 m处开梯形孔洞，孔洞上缘设半径2 m的圆角。

3.4 基础构造

各孔基础为承台下接单排摩擦桩，均沿刚架纵向布置。桩基采用C35钢筋混凝土，直径根据刚架计算跨径不同分为1.25 m和1.5 m。承台采用C40钢筋混凝土，尺寸据桩基直径按构造要求相应变化。标准段桩基直径1.25 m，承台厚2.5 m。

4 结构分析

空间刚架顶板仅在纵向有侧墙约束，横向自由。桥面荷载根据刚度大小进行传力分配，符夹增建线引起的荷载及结构顶板恒载均先横向传递给侧墙，后纵向传递给侧墙边柱，最后传给基础，符合纵横梁传力体系的假定。

5孔刚架传力原理一致，本次结构分析以标准段刚架为研究对象，采用有限元分析软件Midas Civil进行空间模型计算。各主要构件采用三维梁单元模拟，构件间通过刚臂连接，桩土相互作用采用土弹簧模拟，通过虚拟梁单元建立车道进行顶板上斜向荷载加载。

4.1 计算模型

标准段空间刚架整体模型共263个节点，244个单元，其中虚拟车道梁单元12个。各主要单元计算截面尺寸如下:顶板中部0.9 m×2.0 m，近侧墙处1.4 m×2.0 m;侧墙中部2.5 m×1.0 m;侧墙边柱顶端7.5 m×1.0 m，底端6.0 m×1.0 m。整体模型如图5所示。

图5 标准段刚架计算模型

4.2 主要荷载

4.3 内力计算

标准段空间刚架承台与侧墙间通过面接触传力，承台下桩间距按构造要求设置，结构计算不控制配筋。主要计算构件有顶板、侧墙中部(孔洞上缘)、侧墙边柱(孔洞两边)及桩基，顶板和侧墙中部按受弯构件计算，侧墙边柱和桩基按压弯构件计算。

本次空间刚架侧墙边柱位于结构纵向两端，与顶板及基础固结，结构自重作用下引起较大偏心弯矩使边柱外侧受拉。各控制点计算内力及分析数据如表3～表6所示。

表3 恒载作用下各构件控制点弯矩最值 kN·m

表3显示空间刚架除桩基外各构件不均匀沉降差引起的弯矩占整个恒载弯矩的40%以上，活载对结构上部产生的弯矩占恒载弯矩的20%以上。空间刚架整体刚度大，对不均匀沉降差值敏感。列车活载斜向通过刚架顶部导致各基础受力极不均匀，另场地为中软土，加剧不均匀沉降。为缓解不均匀沉降差引起的结构内力增加，可采用加大桩长，桩基施工完成后对周围地基进行预压和强夯，主体结构完工后延后桥上通车时间等多种措施。

表4 顶板、侧墙中部主要荷载工况下控制点弯矩最值

表5 侧墙边柱主要荷载工况下控制点内力最值

表6 桩基主要荷载工况下控制点内力最值

4.4 强度计算

顶板、侧墙中部强度计算即计算混凝土的压应力、剪应力和钢筋拉应力;侧墙边柱、桩基强度计算仅计算混凝土的压应力和剪应力。构件具体钢筋配置及应力计算结果见表7～表9，受力主筋采用HRB400。

4.5 裂缝计算

各主要计算构件在主力组合作用下控制点截面裂缝计算结果见表10，均满足规范限制0.2 mm的要求。

表7 控制点截面配筋

表8 主力组合作用下控制点截面应力最值 MPa

表9 主力+附加组合作用下控制点截面应力最值 MPa

表10 主力组合作用下各控制点截面裂缝mm

4.6 刚度计算

顶板在列车竖向静活载作用下的竖向挠度为3.988 mm，大于L/800，满足规范要求(L为刚架顶板计算跨径)。

5 结语

上跨既有线的铁路桥梁设计既要考虑上行铁路的行驶安全，又要保证下穿线路的净空要求。小角度跨越多条铁路的工点，上跨桥梁和下穿铁路纵横向交织距离大，一般结构不能满足要求。空间刚架结构在同样跨越跨径的情况下具有结构高度低、整体刚度大、侧墙可打造多种景观需求等优点。青龙山特大桥上跨青符铁路联络线采用空间刚架结构是合理的，且所在桥位处设有两个下穿涵洞，桥位总体布置所需考虑因素复杂，为今后类似情况的桥梁设计提供了宝贵参考，具有一定的实用价值。

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