京沈客运专线(109.8+170+170+90.8) m V撑连续梁设计

康景亮

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300142)



京沈客运专线(109.8+170+170+90.8) m V撑连续梁设计

康景亮

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142)

为实现京沈客运专线对京承高速公路与机场北高速互通区的跨越，京沈客运专线温榆河特大桥采用(109.8+170+170+90.8) m V撑连续梁结构体系。通过介绍温榆河特大桥V撑连续梁的工程概况及该箱梁与V撑构造特点、内力分析情况、预应力体系及钢束布设、动力分析的成果等，论证V撑连续梁方案的可行性，为高速铁路大跨结构的设计提供有益的参考。

客运专线铁路；铁路桥；连续梁；V撑；设计

1　工程概况

京沈客运专线北京枢纽段桥址区地形较平坦，地势起伏不大，期间多为城市用地和林地。该段线路两侧建筑物较多，跨越温榆河、机场北线互通匝道等路段。在昌平区东侧，京沈客运专线下钻机场南线后，逐渐并向京承高速向北，此处燃气管线距离京承高速较近，与京沈客运专线交叉干扰严重，为保证安全距离，该处客运专线线位只能向东侧偏移，平面线路方案调整为跨越京承高速公路与机场北高速互通区，因此温榆河特大桥的线位只能从互通中间穿越。但由于布置受各交叉控制点及施工场地等因素制约，无法采用较小跨度的桥式，经对大跨连续梁，矮塔斜拉桥，连续梁加劲拱桥等方案综合比选，决定采用(109.5+170+170+90) m V撑连续梁进行跨越(图1)。

图1　桥梁立面布置(单位：cm)

图2　主梁截面布置(单位：cm)

V形支撑桥梁结构受力比较合理，当线路跨越道路和通航河流，桥下净高受到限制且需要布置较大的跨度时，采用V形支撑连续梁可减小桥梁计算跨径，从而减小截面尺寸，提高桥梁竖向刚度，增强结构稳定性[1-7]。

1.1主要技术标准

京沈客运专线正线数目为双线，线间距5.0 m；设计最高行车速度250 km/h；设计活载为ZK活载；轨道类型是有砟轨道；线路平面为直线，纵断面坡度为2.8‰。

1.2主要设计荷载和荷载组合

主要设计荷载包括恒载、活载、附加力、施工荷载以及特殊荷载。其中恒载主要是结构自重和二期恒载，包括钢轨、扣件、轨道板，以及防水层、保护层、人行道栏杆、电缆槽盖板及竖墙等附属设施重力、基础不均匀沉降。活载主要是列车荷载、横向摇摆力、人行道活载。附加力包括风力、桥跨结构整体升降温、体系温差、日照温差。施工荷载中挂篮、施工机具、人群等施工荷载按1 300 kN考虑，悬浇混凝土节段周期按8 d/节段计。特殊荷载主要考虑列车脱轨荷载和地震力的作用[8-10]。

荷载组合分别以主力、主力+附加力进行组合，取最不利组合进行设计，并对特殊荷载进行检算。

2　主体结构简介

参照已有V撑连续梁设计资料以及客运专线常用大跨结构的设计方案，结合本桥所处特殊地理位置、要求一定景观性等特点，参照文献[4-15]，本桥对梁高和顶、底板厚，V撑角度进行了比选，对该桥主要结构构造进行介绍。

2.1箱梁构造特点

本桥箱梁全长541.6 m，计算跨度为(109.8+170+170+90) m，边支座中心线至梁端1.0 m。V撑支点及其内部范围主梁梁高10.0 m，中跨跨中10 m直线段、小里程侧梁端30.8 m直线段和大里程侧梁端10.8 m直线段梁高均6.0 m，梁底下缘按二次抛物线变化。

截面采用单箱单室、变高度变截面直腹板形式(图2)。箱梁顶宽12.6 m，底宽7.4 m。顶板厚度除中、边支点处局部变厚至1.35 m和0.75 m外，其余均为0.45 m；腹板厚0.5～0.9 m，按折线变化；底板厚由跨中附近的0.5 m按二次抛物线变化至根部的1.5 m，梁端附近为0.8 m，横隔板设有孔洞，供检查人员通过。全联在V撑支点、中跨跨中和边支点等处共设置10道横隔板，梁端横隔板厚2.05 m，V撑支点处横隔板厚为3.0 m，中跨跨中横隔板厚0.8 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，箱梁悬臂板下设置通长的滴水槽。

全联梁部共分104个节段，其中有2个边跨现浇段、3个V撑现浇段、1个边跨合龙段和2个中跨合龙段，其余为挂篮悬浇段。V撑处现浇梁段长43 m，小里程侧边跨现浇节段长为16.8 m，大里程侧边跨现浇节段长为6.8 m，合龙段长均为2.0 m。

梁体和V撑采用C55混凝土，封端采用C55补偿收缩混凝土。

2.2预应力体系

主梁采用三向预应力体系。主梁顶、底板及腹板内布置纵向预应力钢束。主梁顶板、V撑顶部主梁横隔板内设置横向预应力钢束，主梁腹板内设置竖向预应力筋。

纵、横向预应力钢束采用抗拉强度标准值为1 860 MPa的高强低松弛钢绞线，公称直径15.2 mm。管道形成采用金属波纹管成孔。锚固体系采用自锚式拉丝体系，并采用与之配套的千斤顶设备[11]。

V撑斜腿顶横梁附近竖向预应力钢束采用抗拉强度标准值为1 860 MPa的高强低松弛钢绞线，公称直径15.2 mm，管道形成采用金属波纹管成孔。锚固体系采用自锚式拉丝体系[12]。

除V撑斜腿顶横隔板附近外，其余位置处的竖向预应力钢筋均采用φ32 mm预应力混凝土用螺纹钢筋，型号PSB830，抗拉强度标准值为830 MPa，管道形成采用内径55 mm铁皮管成孔。

2.3V撑构造特点

V撑(图3)斜腿及底座采用普通钢筋混凝土结构，斜腿顶部与主梁固结，底部通过底座连接，底座底部设2×2共4个支座。斜腿水平倾角为55°，V撑斜腿及底座竖向总高10.5 m，横桥向宽均为7.4 m，其截面形式均为实心矩形。V撑底座高3.0 m，斜腿厚度最薄为3.927 m，与主梁相交的内外侧均用圆弧过渡。

图3　V撑构造(单位：cm)

2.4支座

采用LXQZ球形钢支座，1号墩沿横向布置2个支座，支座墩位15 000 kN，间距5.9 m；5号墩沿横向布置2个支座，支座墩位10 000 kN，间距5.9 m。2～4号墩为V撑底部，每个墩布置4个支座，支座吨位80 000 kN，横向间距4.8 m，纵向间距15 m，固定墩设置于3号墩底。支座具体的布置见图4。

图4　支座布置(单位：cm)

2.5施工方法

全联梁部共分104个节段，其中有2个边跨现浇段(20，21节段)、3个V撑现浇段(0号段)、1个边跨合龙段(17节段)和2个中跨合龙段(17节段)，其余为挂篮悬浇段(1～16，18，19节段，其中18、19节段需待中跨合龙后再悬浇)。V撑处现浇梁段长43 m，小里程侧边跨现浇节段长为16.8 m，大里程侧边跨现浇节段长为6.8 m，合龙段长均为2.0 m。具体施工步骤如下。

步骤Ⅰ：1～5号墩墩身施工完毕至墩顶，在2～4号墩旁施工临时支墩和现浇支架等，在支墩(支架)上立模现浇V撑、箱梁0号块。并将V撑系梁分别与2～4号墩附近的临时墩临时固结。

步骤Ⅱ：①拆除2～4号墩墩顶现浇支架，在V撑顶部箱梁0号块上安装挂篮。②在挂篮上悬臂对称浇筑箱梁1～16、1′～16′号节段，预埋相应预埋件。

步骤Ⅲ：①对称拆除悬臂浇筑梁段两中跨的挂篮，保留两边跨挂蓝，安装两个中跨跨中临时刚性连接构造，张拉临时纵向合龙钢束，解除2、4号墩处的临时约束，安装正式支座。②用悬吊支架现浇中跨合龙段17号箱梁节段，预埋相应预埋件。③同时张拉并锚固两个中跨纵向预应力束及横向、竖向预应力筋。④补充张拉并锚固临时纵向合龙钢束，拆除3号墩的临时约束，安装正式支座。

步骤Ⅳ：移动小里程侧边孔挂篮至16节段，挂篮上悬臂浇筑完成18、19号箱梁节段、预埋相应预埋件，张拉纵向预应力束及横向、竖向预应力筋。完成后拆除两边跨挂篮。

步骤Ⅴ：①适时在1、5号墩旁搭设支架并预压，安装边墩支座，并将1号墩纵向活动支座临时锁定。②在边跨支架上现浇边跨现浇20号、21号梁段。

步骤Ⅵ：①安装小里程侧边孔临时刚性连接构造，并临时张拉合龙钢束，解除1号墩纵向活动支座的临时锁定。②现浇边跨合龙段17′，预埋相应预埋件，养生。③待混凝土强度和弹性模量达到设计要求后，张拉并锚固纵向预应力束及横向、竖向预应力筋。④补充临时张拉合龙钢束至设计值。⑤拆除边孔现浇支架。

步骤Ⅶ：①存梁60 d后进行桥面铺设等二期恒载工作。②完成主梁施工。

V形墩连续刚构桥施工的重点是形成下部构造薄壁V形墩与上部构造0号块的稳定三角构造。

施工V撑和主梁0号块混凝土时，应当在V撑斜腿和箱梁内设置临时水平预应力钢束或水平拉杆，并根据现场条件确定其张拉力值，确定临时预应力粗钢筋张拉力的原则：墩顶承受上部构造0号块梁体荷载前后，V形支撑根部内外侧混凝土拉应力不超限，并严格控制其不出现裂纹。施工时浇筑0号块的支架不能直接支撑在V形墩斜腿上，以避免V形支撑处于不利的受力状态。V撑及其顶部0号块箱梁混凝土应连续浇筑，一次整体灌注成型[13-15]。施工阶段编号示意见图5。

图5　施工阶段编号示意

3　结构受力分析

3.1全桥整体计算

全桥整体计算利用有限元软件Midas-civil模拟结构施工、运营等不同的阶段，计算结构在恒载、活载、预应力、温度、混凝土收缩徐变、支座沉降、制动力等荷载作用下的强度、应力及变形等。全桥模型如图6所示。利用Midas软件建立空间实体模型，分析结构的各个方向的振型模态，对结构进行动力特性分析及抗震计算。

图6　有限元模型

经计算，主梁上翼缘最大正应力为14.35 MPa，下翼缘最大正应力为13.89 MPa，最大剪应力为3.76 MPa，均符合要求，主梁主要计算结果见表1，结构自振特性及频率见表2。

表1　主梁主要应力计算结果　MPa

表2　结构自振特性

3.2V撑底座局部应力分析

图7　局部分析模型范围(单位：cm)

V撑连续梁桥全桥整体纵向分析不能反映V撑与箱梁连接部分的真实应力状态，应建立局部实体有限元模型进一步研究该连接部分的应力分布情况。局部计算主要分为从整体计算模型中提取内力，利用结构力学原理对桥墩控制截面进行普通钢筋的配筋计算，取主梁64 m范围梁段(图7)建立有限元模型，利用有限元软件ANSYS进行网格划分后形成有限元模型，模型共计70余万个单元，如图8所示。

图8　V撑有限元模型

将模型分为3个部分V2，V4，V8，如图9所示，考察V撑与箱梁连接部分则选取V4提取结果应力，考察V撑底座板则选取V8提取结果应力，重点关注图中A、B、C、D4个位置的应力状况，其中：A点为V撑与箱梁连接部分外侧；B点为V撑与箱梁连接部分内侧；C点为V撑与底座板相交处；D、E点为支座内侧边缘。

图9　应力位置

通过局部建模分析计算得出，B处、C处、同侧两支座之间等位置主拉应力在3种组合工况下超过规范限值，在B处、C处、同侧两支座之间等位置需要加强配筋；此外，支座边缘处主压应力有应力集中现象，主压应力超过规范限值，需要做加强处理。

3.3支座选取及敏感性分析

由于本桥两边跨跨度不同，所以对于2，3，4号墩各个墩底的4个支座，受力并不均匀，横向两支座较为接近，本桥选取支座时按照支反力最大值进行包络选取。

另外，由于每个V撑墩底都有4个支座，本桥对支座沉降量有较高要求，故对此支座相对位移值进行了敏感性分析。通过计算得出，施工过程中需加强V撑底座支座处支点变位的监控，必须保证施工过程中每个V撑底座的4个支点中，任一点与其余3点的沉降差不大于1 mm。

4　结语

相对于大跨连续梁，V撑连续梁将支点伸入了主跨跨径，缩短了有效跨径，有效地减小了跨中正弯矩及支点处的负弯矩，有效降低了梁高，节约了材料，具有较好的经济性；相对于连续梁加劲拱，V撑连续梁方案减少了对施工场地的占用，降低了施工期间对机场北线立交桥交通的影响；而相对于矮塔斜拉桥方案，V撑连续梁方案能够有效降低造价；此外，V形撑支撑桥梁以其上部构造轻巧，线条流畅，桥型美观，整体结构受力合理，造价经济等优点，已经被广泛应用于桥梁设计当中[11]。

本文通过介绍京沈客运专线温榆河特大桥(109.5+170+170+90) m V撑连续梁桥箱梁与V撑构造特点、内力分析、预应力体系及钢束布设、动力分析的成果等，为高速铁路大跨结构的设计提供有益的参考。

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Design of (109.8+170+170+90.8) m V-Support Continuous Beams on Beijing-Shenyang Dedicated Passenger Railway

KANG Jing-liang

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China)

To across over Beijing-Chengde expressway and the interchange area of Airport North expressway，a (109.8+170+170+90.8) m V supporting continuous beam system is used in Wenyu River Bridge，a super large bridge located on Beijing-Shenyang dedicated passenger railway line.In this paper，the structural characteristics of the box girder and V support，the internal force analysis results，the prestressed system and dynamic analysis results are introduced，which provide

for the design of long-span structures of high-speed railway.

Dedicated passenger railway line; Railway bridge; Continuous beam; V support; Design

2016-03-09；

2016-03-29

康景亮(1982—)，男，工程师，2009年毕业于北京交通大学桥梁工程专业，工学硕士，主要从事桥梁工程设计与研究工作。E-mail：55452396@qq.com。

1004-2954(2016)10-0062-05

U448.21+5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.015