马朝旭

(中国铁路设计集团有限公司, 天津 300308)

关键字:高速铁路;桥式;连续槽型梁;简支拱

1 工程概况

1.1 桥址概况

郑济高铁跨越京台高速公路位于济南西站南侧约2 km处,跨越处为京台高速匝道互通连接济南经十西路,跨越处为6线并行,郑济高铁并行京沪高铁分左、右线分别跨越京台高速匝道、地铁M3及经十西路和市政管线.跨越处高速匝道为2车道,路肩宽度11 m,路基填高约1 m,边坡间距14 m,净空要求为净宽12 m×净高5.5 m,经十西路为双向6车道,路基宽50 m,净空要求为净宽60 m×净高5.5 m,左、右线与高速匝道交叉右角分别为49°和38°,京沪高铁跨越京台高速匝道及经十西路采用(96+96) m下承式简支钢箱拱.桥址示意图如图1所示.

图1 郑济高铁跨越京台高速公路匝道桥址

1.2 主要技术标准

1) 线路级别:单线,设计速度目标值采用160 km/h.

2) 轨道标准:铺设无缝线路,钢轨60 kg/m.

3) 轨道类型及轨道高度:有砟轨道,轨顶(内轨轨面)至梁顶0.836 m.

4) 设计荷载:ZK活载[1-2].

5) 线路平纵断面:本桥位于R=12 000 m的曲线和i=13.5‰的纵坡上.

1.3 桥式方案设计

首先,由于跨越京台高速公路处距离济南西站较近,受线路纵断面及高速公路净高控制,跨越处结构高度不能大于2.5 m;其次,跨越处控制因素包括高速匝道、市政道路、地铁M3线、自来水管及军用光缆,承台距离控制点的间距要求苛刻;最后,既有京沪高铁采用(96+96) m下承式简支钢箱拱跨越高速匝道,桥梁跨度应尽量与京沪高铁对孔.综上,研究采用连续槽型梁和连续槽型梁拱+简支拱2种方案.

2 连续槽型梁方案

2.1 桥式方案分析

左、右线跨越市政道路及高速匝道坡脚间距离约118 m和202 m,研究采用80 m左右的跨度分别跨越市政道路及高速匝道,结合其他控制因素左线采用(48+80+80+48)m连续槽型梁、右线采用(48+80+80+80+48) m 连续槽型梁.

槽型梁的结构截面形式按主梁划分主要有I形、Γ形、箱形.箱形槽型梁抗弯、抗扭刚度大,跨度较大时适宜采用,并且箱型结构的箱体内空间也为附属设施和维修养护通道的设置提供了空间[3-4].本桥槽型梁采用单箱双室变高度箱形截面,连续槽形梁支座中心线至梁端0.75 m,梁长48.75+80+80+48.75 m,如图2～3所示.梁顶全宽9.0 m,底板宽度8.0 m,梁高4.0～7.0 m.梁顶由支点向跨中按圆曲线变化,曲线半径为232.76 m.箱内边腹板宽度按0.5～0.9 m变化,箱内中腹板宽度按0.3～0.7 m变化,箱内顶、底板厚度均按0.35～0.7 m变化.边腹板与底板相交处采用R=0.2 m圆弧倒角过渡.主梁箱外腹板厚度0.5 m,在中墩顶腹板外侧局部加厚至0.8 m,上翼缘宽1.5 m.箱内顶板顶面形成2%的横向流水坡,支点处设置横梁.

图2 左线连续槽型梁总布置(单位：cm)

图3 (48+80+80+48)m连续槽型梁截面(单位：cm)

2.2 模型介绍及主要计算结果

整体模型采用空间有限元程序BSAS计算,如图4所示,按照规范及设计标准进行加载,主梁用梁单元模拟,共采用132个梁单元,全桥共用133个节点,支点处节点与主梁节点弹性连接(刚性).中心墩墩顶处为固定支座,其余墩顶处均为活动支座;环框计算选取跨中和梁端标准段,按规范要求简化为支承在主梁腹板中心线下缘的箱形框架,沿顺桥向取单位长度的主梁梁体将之简化成框架,采用Midas Civil梁单元进行建模计算;全桥稳定性计算采用空间有限元程序Midas Civil计算,共132个梁单元,屈曲分析时考虑钢束预应力荷载.主要计算结果如下:

1) 边跨跨中位置静活载作用下挠度为5.7 mm,挠跨比1/8425,主跨跨中位置静活载作用下挠度为16.79 mm,挠跨比1/4764,满足限值1/2121要求.

图4 (48+80+80+48)m连续槽型梁(BSAS模型)

2) 由于列车静活载所引起的梁端转角,梁体下挠时为0.39%,梁体反弯时为0.39%,满足不大于2%的规范要求.

3) 主梁箱型截面上混凝土最大正应力17.2 MPa,主梁强度安全系数2.2以上,抗列安全系数1.2以上.

4) 梁单元屈曲分析屈曲特征值最小稳定系数为547.6,跨中位置发生横向屈曲变形,腹板稳定性满足不小于4的规范要求.

5) 实体单元屈曲分析屈曲特征值最小稳定系数为19.10,主要为中跨跨中位置发生竖向屈曲变形,腹板稳定性满足不小于4的规范要求,中墩墩顶腹板局部加厚段未发生失稳.

2.3 施工方案

连续槽形梁采用支架现浇分段施工,主要施工步骤如图5所示.

1) 基础和桥墩施工后对支架基础硬化处理,搭设梁体现浇支架,并进行预压.

2) 在支架上分段浇筑节段梁体及张拉相应钢束,浇筑顺序如下:A2、A4、A5节段梁体→A3梁体→A3＇梁体→A1梁体.

3) 拆除满堂支架.

4) 停梁,施工桥面附属设施.

图5 (48+80+80+48)m施工节段划分步骤

3 连续槽型梁拱+简支拱方案

3.1 桥式方案分析

设计过程考虑结构高度受纵断面控制,下承式梁拱组合桥梁受力明确,构造简洁,刚度大,跨越能力强[5-6].按照承台边缘距离地铁M3线满足2.5倍盾构直径间距确定小里程主墩位置,大里程主墩承台满足距离高速匝道坡脚间距要求基础上尽量增大承台距离市政管线距离,同时尽量与京沪高铁96+96 m下承式简支钢箱拱对孔,研究左线跨越经十西路及匝道采用(54+90+54)m连续槽型梁拱桥.同理,右线也按照上述原则布设主跨,鉴于市政道路路边距离高速匝道坡脚距离约80 m,因此研究右线跨越经十西路及匝道分别采用96 m简支拱桥和80 m简支拱桥,简支拱之间采用标准跨度简支梁调跨，平面布置方案如图6所示.

3.2 主拱结构

(54+90+54)m连续槽型梁拱主跨90 m,梁全长199.6 m,支点至梁端0.8 m.主梁采用单箱双室变高度直腹板箱形截面,中支点处梁高5.4 m,边跨直线段和跨中直线段梁高为3.0 m,直线段长度分别为15.8 m和12 m,主梁箱外腹板按二次抛物线变化.主梁顶宽10.24 m,顶板厚0.36～0.48 m,边、中支点附近顶板加厚为0.48 m.主梁底宽9.4 m,底板厚度为0.36～0.5 m,边、中支点底板加厚为0.5 m.主梁箱外腹板采用箱型截面,顶板厚0.6 m,底板厚0.48 m,边、中支点处采用实心截面.拱肋采用竖直平行钢管混凝土哑铃拱,从桥面开始起拱,两拱肋中心距6.9 m,计算跨度为90 m,矢跨比为f/L=1/5,拱肋立面矢高18 m,采用二次抛物线.拱肋高2.6 m,拱管直径1.08 m,腹板壁厚16 mm,拱肋钢管及腹腔内灌注混凝土.拱肋间设置5道桁架式横撑,横撑为空钢管,内部不填充混凝土.吊杆采用整束挤压钢绞线,吊杆纵向间距9.0 m,共设8对纵向双吊杆.吊杆上端穿过拱肋,锚于拱肋上缘张拉底座,下端锚于吊点主梁箱外腹板处固定底座.梁拱布置如图7所示.

图6 连续槽型梁拱+简支拱方案平面布置

图7 (54+90+54)m连续槽型梁拱总布置(单位：cm)

96 m下承式简支拱拱肋计算跨度为96.0 m,拱肋矢高19.2 m,矢跨比为f/L=1∶5,拱肋采用二次抛物线.拱肋在横桥向内倾5°呈提篮式,2榀拱肋拱顶中心距7.5 m. 拱肋横断面采用哑铃形钢管混凝土截面,截面高h=2.8 m,拱肋的两钢管之间用厚16 mm的腹板连接,拱肋之间设1道一字撑和4道K撑.吊杆采用平行布置,间距5 m,全桥共设15对吊杆.主梁为双向预应力结构,端横梁和中间横梁为预应力结构,拱脚为钢筋混凝土结构.

3.3 施工方案

(54+90+54)m连续槽型梁拱主梁采用支架现浇施工,拱肋在桥面矮支架原位拼装.主梁分段现浇划分为5个节段,拱脚与相邻节段一次浇筑成型.主梁施工时预埋吊杆下锚箱预埋件,矮支架分阶段拼装拱肋[7].

96 m下承式简支拱采用先梁后拱的施工方法,梁部采用满布支架施工,跨越既有道路部分采用贝雷架,拱肋钢管在梁部上搭设支架安装.主梁采用分段现浇法施工,将其划分为3个现浇段,由中间向两端方向对称施工,拱脚与相邻节段一次浇筑成型,拱肋合龙完成后张拉吊杆.96 m下承式简支拱跨中断面如图8所示.

4 桥式方案对比

对左、右线跨越京台高速公路匝道按照上述2个桥式方案分别从技术、经济、美观、施工和运营养护等方面进行综合比较,对比结果见表1.

图8 96 m下承式简支拱跨中断面(单位：cm)

表1 桥式方案综合比较分析

5 结论

1) 由于线路临近京沪高铁,跨越处市政立交控制桥跨的布设,桥式方案比选困难,左线采用(48+80+80+48)m连续槽型梁,右线采用(48+80+80+80+48)m连续槽型梁的桥跨布置可较好地满足跨越处高速匝道、市政道路和地铁M3的控制边界.

2) 连续槽形梁具有较好的动力性能和稳定性,跨度较大时适宜采用,刚度、梁端转角和屈曲特征值稳定系数等各项指标均满足规范要求;槽型梁箱形结构构造简单,箱梁外腹板由支点向跨中按圆曲线变化,曲线造型美观,与既有桥景观协调;技术成熟、经济性好、施工技术可靠、应用广泛.

3) 经过以上综合比选,采用连续槽型梁是本桥的最佳方案,可为类似工程设计施工提供参考.