大兴机场线共构结构总体设计研究

2022-03-19张付宾李圣强

城市道桥与防洪 2022年2期

张付宾，李圣强

（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京市 100055）

1 概述

共构结构体系一般为路- 轨共构，类似于铁路公铁两用桥[1]，公路在上，轨道交通在下。目前国内有两条轨道交通采用共构结构, 分别为上海轨道交通1 号线与共和新路一体化工程[2-5]（2003年建成）、宁波轨道交通4 号线与北环路一体化工程[6-10]（2014年建成）。桥墩均布置于道路的中央绿化带内，两桥墩之间不设置地面交通，上层公路均为双向六车道。

大兴国际机场线高架区间全长16.2 km，K16+216.13～K24+107.42 段共计7.9 km 范围内为大兴机场高速公路、大兴机场线、团河路和地下综合管廊四层立体敷设段落，断面布置如图1 所示。共构体系桥墩为“开”字形结构，分为上、中、下三层。上层供高速公路使用，为双向八车道。中层供大兴机场线使用，设计时速160 km。地面层桥墩外侧为团河路，一级公路，设计时速80 km，在两桥墩承台基础之间、地面之下布置有综合管廊。

图1 四层立体共构体系断面图

在高速公路与地面交通互通区域，适应高速公路匝道布置的需要，设置四墩柱共构结构。保持两墩柱结构尺寸不变，墩柱两侧各设上横梁和墩柱。

2 共构结构体系的确定

2.1 方案研究

本工程在下穿京沪高铁后为大兴机场线、高速公路、京雄高铁共走廊段，三线横断面布置影响建设工期、用地、工程投资等，需进行方案比选，确定推荐方案。宁波北环路曾就道路和轨道交通工程的布置形式进行分析研究[6]，这里将其作为本方案研究参照之一。

共走廊段重点研究三个方案，分别为：

方案一：平铺方案，大兴机场线位于机场高速西侧，如图2 所示。

图2 方案一（单位：m）

方案二：大兴机场线位于高速公路路中，如图3所示。

图3 方案二（单位：m）

方案三：大兴机场线与高速公路共构，如图4 所示。

图4 方案三（单位：m）

方案四：大兴机场线与高速公路、高铁共构，如图5 所示。

图5 方案四

方案四对应大兴机场线与高速公路、京雄高铁共结构。机场高速位于上层，大兴机场线和京雄高铁平行布置位于中间层。本方案充分利用了高速公路投影用地，占地最省。

方案四虽然占地最省，但是将轨道交通、铁路、高速公路放在一个结构上，存在协调难度大、景观效果差、后期运营维护困难等特点，鉴于本项目的特点，本方案不列入比选范围。

2.2 方案比选

上述前三个方案，高铁工程独立，且与其他工程距离保持不变。主要研究大兴机场线和高速公路工程的布置和相互关系。上述三种方案均有可实施性，都能满足功能需要，在占地、工程造价、工期等方面各有优缺点。根据实施规划，以11.1 km 长线路结合项目特点进行综合比选。

2.2.1 工程占地

由表1 可以看出，方案三征地面积最多可节省316.35 hm2，征地费最多节省4.745 亿元。

表1 共走廊段工程占地比较

2.2.2 工程投资

由表2 可以看出，方案三（共构方案）和方案一（平铺方案）在工程建设费上差异较大，在11.1 km的共构段非共构方案比共构方案工程建设费节省3.18 亿元。方案三根据新机场高速公路的需要，与地面道路立交互通，桥面加宽，共构墩的宽度随之加大。方案三高速公路立交区域投资需增加1.5 亿元。

表2 工程投资比较

2.2.3 建设工期比较

方案一施工时互不影响，施工方便。

方案二施工时会相互干扰，需做好组织，协调要求和难度较大。

方案三施工时高速公路梁体需桥墩施工完方可施工，高速公路和轨道交通梁体架设需做好协调，施工时序较为明确。

2.3 方案确定

方案三在占地方面优势最大，征用土地费用可节省4.745 亿元。在工程投资方面，共构结构多花费4.68 亿元。建设工期方面，方案三比其他方案慢2～3 个月。

采用方案三可显著节约土地资源，土地综合利用率最大化，能够带来更好的社会效益和经济效益。建设后期，共走廊范围内布置综合管廊。如果采用方案一或方案二，均需重新征用土地。方案三可以将综合管廊布置于共构结构投影范围内，无须重新征地。

综合以上分析研究，部分共走廊段采用路- 轨共构方案。

3 共构结构方案研究

3.1 共构结构断面确定

共构结构在地面以上一般为双层结构，公路交通在上，轨道交通在下。根据公路和地面绿化带宽度，断面形式为“Y”字形和“H”字形[5-6]。

上海共和新路高架桥墩采用“Y”字形，公路为双向六车道，宽25.5 m。下墩柱外侧宽度为9.5 m，内侧净宽为6.9 m。上墩柱桥墩采用1∶3 坡度，上下墩柱截面尺寸保持统一。

宁波轨道交通4 号线与北环快速路共构结构桥墩采用“H”字形。北环快速路为双向六车道，宽25 m。墩柱外侧宽度为12.0 m，内侧净宽为9.1 m。上下墩柱截面尺寸保持统一。

“Y”字形下墩柱外侧宽度更小，对地面绿化带宽度要求较低。“H”字形下墩柱外侧宽度较大，对绿化带宽度要求高，但对上层公路纵、平面变化适应性好。

本线共构结构对应高速公路为双向八车道，宽38 m。轨道交通桥面宽度为11.4 m，总体设计阶段考虑在两墩柱之间设置规划团河路，一级公路，双向四车道，净宽需17.0 m。共构段占7.9 km，轨道交通和高速公路在共构段南北两侧分离，结构形式需适应高速公路纵段和平面的变化。

综合以上因素，大兴机场线共构段采用“H”（开）字形断面。

3.2 设计规范研究选用

共构结构分别承担着高速公路和轨道交通项目，分别对应不同的设计规范。

高速公路梁采用预制混凝土小箱梁，简支结构，桥面连续，汽车荷载采用公路—Ⅰ级。新机场线采用预制箱梁，简支结构；活载采用市域列车活载，8 辆编组。

高速公路和轨道交通设计分别对应《公路桥涵设计通用规范》（以下简称“公规”）和《铁路桥涵设计规范》（以下简称“铁规”）。前者采用基于“极限状态设计理论”的“荷载系数法”的设计方法[3]；后者按“容许应力法”设计。两种设计理论有着差异，对于共同承受公路桥梁及地铁高架荷载的下立柱及基础，有必要综合考虑安全性与经济性，对两种设计方法加以研究、分析比对。

按照不同工程对应的结构位置，各构件采用的规范见表3。

表3 设计规范采用

对于下层墩柱、承台和桩基础，按照公规和铁规分别进行计算分析。

按照公规计算下部结构，即按照极限状态法设计。其基本思路是将列车活载（一种特殊车辆与铁规中的附加力）作为可变作用考虑，铁规中的特殊荷载作为偶然作用考虑。其荷载组合分项系数按照规范选取。

按照铁规计算下部结构，即按容许应力法设计。其基本思路是将公路活载作为主力活载考虑。

分别对应不同荷载组合和系数的选取，最终计算结果见表4。

表4 主要计算结果

计算表明，按铁规计算所得配筋率比公规高约7%，地震力大约6%。结构的刚度、位移均满足现行规范要求。

通过对比分析可知，按铁规计算所得配筋率比公规高约7%，因此公路梁、上盖梁、上层墩柱采用公规设计，轨道梁、下盖梁、下层墩柱采用铁规设计。该设计方案经济可行。

抗震设计推荐采用《城市轨道交通结构抗震设计规范》计算。

4 双墩柱结构研究

4.1 截面确定

双墩柱共构桥墩结构截面由地面交通的宽度和净空，轨道交通限界、梁宽，高速公路宽度共同决定。

共构方案确定后，规划团河路位于地面层两墩柱之间，双向四车道，考虑道路宽度和安全距离，净宽17 m，净空5.5 m。建设过程中，道路移至墩柱外侧，墩柱间宽度保持不变，作为综合管廊通道。

轨道交通位于中间层，桥宽11.4 m（包括栏板），支座+支撑垫石高0.5 m，梁高2.0 m，轨道高度0.6 m，建筑限界7.25 m，净空按10.5 m 考虑。

高速公路设计为双向八车道，上横梁宽度为36.5 m。

根据受力需要，桥墩尺寸横向宽度为1.8 m，中横梁高度为2.2 m，上横梁高为2.505 m（最高点）。由此，标准双墩柱共构结构的截面尺寸确定：高22.5 m（最小），顶宽36.5 m，底宽20.6 m，中横梁高9.5 m（最小）。

4.2 上横梁截面

共构桥墩上横梁宽36.5 m，中间向两侧设置横向排水坡，坡度为2%，截面最高为2.505 m，纵向宽度为2.4 m。悬臂长7.95 m，变高度，由根部截面高2.65 m 变化为最外侧截面高1.5 m。悬臂和墩柱采用圆弧过渡。上横梁对应24 片公路简支小箱梁和支座。采用预应力混凝土结构，混凝土等级为C50。上横梁体量较大，考虑实心和空心两种方案进行比选。

空心方案考虑以下因素：

（1）公路桥梁垫石、混凝土挡块的钢筋预埋和抗震挡块锚栓预埋长度。

（2）横梁预应力钢束的布置。

预应力钢束分为三排，每排4 根。为满足钢筋长度和预应力钢束布置要求，空心横断面如图6 所示。

图6 上横梁空心方案

空心设置范围为上横梁两悬臂根部之间。空心和实心方案对比情况见表5。

表5 空心和实心方案对比

采用空心截面可以节省10%混凝土用量，上部公路梁恒载反力为2230.7 t，上横梁自重占比为20.4%，空心截面自重节省重量占比为2.6%，占总荷载（恒载+ 活载）的2%。在成桥状态下，上横梁跨中截面上下缘压应力分别相差1.0 MPa 和1.3 MPa。

采用空心截面可以节省部分混凝土，减少自重，在相同的预应力钢束作用下，空心方案有更好的应力储备。但增加施工工序，增加模板，降低工效，综合效益不显著。故最终采用方案一（实心方案）。

4.3 施工方案

共构桥墩高至少22.5 m，上横梁重量571.6 t，桥墩高，体量大。上海共和新路曾对施工方案进行分析研究[4，10]。结合本工程特点对施工方案进行了研究和比选：装配式和满堂支架+钢管支架现浇。

共构结构上横梁进行装配式方案研究，如图7所示，墩顶上横梁段长17.25 m 采用预制结构，为不对称截面。预制段吊重276 t，不平衡弯矩为514.0 kN·m。桥墩最低为22.5 m，需500 t 以上履带吊设备，对设备要求较高，设备供应与工期压力存在较大的矛盾，经济性没有优势。

图7 共构结构上横梁装配式方案（单位：cm）

支架现浇是比较成熟的施工方案，中横梁高8.5 m 左右，采用满堂支架。上横梁采用钢管立柱+贝雷梁，在桥墩内外两侧设两排钢管立柱，钢管顶设贝雷梁（见图8）。本方案工艺成熟，搭设方便，施工灵活，安全可靠，对设备要求低，经济性较好，在经济性、安全性和适应性上有较大优势。

图8 结构施工支架方案（单位：mm）

4.4 施工顺序对结构的影响

共构结构中横梁和上横梁采用预应力混凝土结构，预应力均采用二次张拉。受工期和现场施工条件影响，梁体分别采用架桥机架设和履带吊吊装方式。架梁作业方式和工序对结构带来不同的影响。

施工顺序一：下墩柱及中横梁施工完成后，张拉中横梁预应力，架设轨道梁，然后施工上墩柱及上横梁，架设公路梁。

施工顺序二：共构桥墩整体浇筑完成，部分张拉中横梁和上横梁预应力钢束后，进行梁体架设作业。

两种工序结构主要截面应力情况见表6。

表6 主要计算结果（成桥阶段）

经计算分析表明，两种施工工序对中横梁、上横梁应力影响不大，横梁应力损失最大约0.3 MPa，工序二成桥后横梁竖向变形相对较小，中横梁恒载挠度最大相差0.6 mm。

5 四墩柱方案研究

四墩柱结构保持双墩柱结构型式、尺寸和墩间距不变，在团河路外侧增设一墩柱和上横梁，不设中横梁（见图9）。四墩柱上横梁最宽为58.5 m，墩高与双柱墩保持一致。

图9 四墩柱结构方案

本设计对最外侧两墩柱和横梁的连接方式进行研究，考虑两个方案：支座连接和墩梁固结。

支座连接是指在外侧墩柱顶设置横向活动支座。支座具有调高调平功能，墩柱和横梁通过支座连接。上横梁在温度力作用下横向伸缩不受约束，墩柱和上横梁之间不会产生附加内力。支座竖向的调高调平功能，可以解决由于基础不均匀沉降产生的附加内力，使得整个结构的受力特性更接近双墩柱结构，结构受力更加简洁。

墩梁固结是指将外侧墩柱和上横梁混凝土浇筑在一起，温度变化、基础沉降等均会影响整体结构内力，受力特性更为复杂。

针对上述两种方案进行计算分析，并对基础沉降和温度变化影响进行分析比较，计算结果见表7。

表7 计算结果对比单位：MP a

对比结果表明，基础不均匀变位工况下，两种方案对上横梁上下缘应力影响不大，应力最大相差10.3%。受墩顶约束的影响，墩梁固结方案在墩顶产生最大为1.68 MPa 拉应力。温度力作用下，墩梁固结方案中上横梁产生0.99 MPa 拉应力，墩顶拉应力为1.81 MPa。成桥状态下，上横梁上下缘和墩顶为受压状态，上横梁最大压应力为9.45 MPa，墩顶最大压应力为5.36 MPa。

两种方案在各工况下，上横梁应力影响较小，墩梁固结方案在基础变位和温度力作用下，最大会产生2.67 MPa 的压应力，可通过加强配筋等结构措施来减少影响。如采用支座连接方案，运营阶段会带来支座维护等工作，且对景观不利，故最终采用墩梁固结方案。