李 伟

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

随着国家和各地区经济发展、新型城镇化快速推进以及产业结构优化转移，高速铁路、城际铁路、城市轨道交通等各类点对点快速交通模式逐步打造贯通各大中心城市的铁路网络。由此，不可避免的产生与既有铁路交叉立交的情况，上跨既有铁路桥梁立交设计和施工方案不仅应安全、经济、合理、美观，更应特别注意避免或减小施工及后期维养对运营铁路的影响。

目前中等跨度跨线桥常采用钢结构纵向顶推或连续梁平转法施工，对于大跨跨线桥在有条件的情况下较多采用搭设辅助墩顶推、加劲T梁转体后合龙，或采用大结构转体[1-5]和预设轨道推拉施工[6-7]。郑万客专联络线采用(32+138+138+32) m混凝土独塔斜拉桥，结合支架现浇转体施工方法上跨郑西客专[4]。现为最重转体桥梁的河北保定乐凯大街南延工程采用(145+240+110) m高低塔斜拉桥一次跨越京广铁路等21条铁路线，单铰最大转体质量达4.6万t，最大悬臂长135 m，仅用时70 min就完成高塔侧转体52.4°、低塔侧转体67.4°，极大地减小了施工对下方铁路运营的影响[5]。集包第二双线古城湾特大桥主桥1孔132 m简支钢桁梁采用搭设临时墩铺设滑道后无平衡重顶推平转法跨越既有京包双线铁路[6]。西成高铁132 m再分式简支钢桁梁上跨西宝高铁及福银高速公路采用与铁路平行拼装钢桁梁后进行横移顶推就位的施工方案[7]。

公路大跨跨线桥已有较多工程案例分析和研究，但铁路大跨跨线桥研究较少。以广佛江珠城际铁路立交主桥为背景，分析及探讨适合跨越多线铁路的大跨铁路桥梁设计和施工方案选型，可供今后类似项目借鉴参考。

2 工程概况

新建铁路广佛江珠线位于珠江西岸，贯穿广州、佛山、江门、珠海，线路自广州市引出接入珠机城际珠海机场站，线路全长约160 km。本立交主桥为线路经三眼桥车站后跨越贵广、南广和广茂五线铁路而设，位于直线上，是新建广佛江珠城际铁路的重点控制工程之一。桥址位于佛山市，地貌单元为海陆交互相沉积平原，地形平坦。

2.1 桥址现状

线路在桥位处由北向南依次跨越铁路河涌和五线铁路。铁路河涌有常流水，宽约12 m，两侧为自然边坡。河涌大里程侧依次跨越南广铁路下行线、贵广高铁下行线、贵广高铁上行线、南广铁路上行线和广茂铁路，线间距依次为5.3，4.4，5.3，5.3 m。铁路路基段两侧挡墙控制线宽约90 m。铁路区域两侧均有混凝土栏杆，北侧为厂房，南侧为平整空地，如图1所示。

图1 桥址现场平面

2.2 桥跨布设控制条件

(1)受接入车站影响，线路与既有铁路交角仅26°。桥位处有5条铁路线，为电气化铁路，铁路线间距较小，贵广为客运专线。线路中间不能设置桥墩和临时墩。

(2)受线路纵断面高程控制，轨面至既有铁路接触网顶距离为7.4 m，考虑安全及施工高度后，跨铁路桥梁结构高度不宜大于6.4 m。

(3)按铁路部门要求在铁路限界内不能施工作业(包括悬臂浇筑和合龙)，基础不能侵入既有铁路坡脚和路基边沟。

(4)道旁河涌沿铁路走行，常年有水，河道较宽，改移困难较大。

综合考虑铁路斜交角度、立交净空、既有河涌等因素，并结合铁路运营安全及施工方法需要，必须采用大跨度桥梁转体施工方法一孔跨过所有铁路股道和河涌，跨径不小于160 m。

3 主要技术标准

(1)铁路等级:城际铁路。

(2)正线数目:双线。

(3)线间距：4 m。

(4)速度目标值:200 km/h。

(5)轨道类型:无砟轨道。

(6)设计活载:ZC活载。

(7)地震动峰值加速度：0.10g；地震动反应特征周期：0.35 s。

(8)既有线技术标准：贵广铁路为时速350 km双线客运专线；南广铁路为时速250 km双线Ⅰ级客货共线铁路；广茂铁路为时速120 km单线客货共线铁路(原广三铁路部分)。

4 桥型设计方案

4.1 总体设计思路

根据桥位环境控制条件，基于“安全、适用、经济、美观”的主要设计原则，桥式方案且需重点考虑小角度斜交26°一跨跨越五线铁路和铁路坑涌、大跨跨线桥桥型合理设计、施工方案安全便利可行、施工期间及后期管养对铁路安全运营影响小等因素。由于贵广、南广高铁处受线路纵断面高程控制，常规T构加劲转体方案难以满足立交净空要求，且线路上方合龙对运营高铁线影响较大，结合跨度、净空和转体等控制要求，综合分析比选了独塔混合梁斜拉桥和简支钢桁梁两个方案。

4.2 方案1：独塔混合梁斜拉桥

我国自1980年在四川省金川县曾达桥首次采用斜拉桥转体施工以来，至今已有很多大跨跨线桥工程采用这一方法[8]，如绥芬河斜拉桥[9]、唐山二环路斜拉桥[10]等，但铁路桥梁领域应用较少[4，11]，铁路独塔混合梁斜拉桥转体方案更无先例。混合梁斜拉桥主跨采用钢梁，边跨采用预应力混凝土梁，不仅能合理利用两种材料的特性，有效提高跨越能力，而且经济效益相对显著，特别对于转体斜拉桥，在有效平衡两侧重力的同时，可减小一侧悬臂跨度和施工空间，施工便利性增强[12-13]。方案1根据桥址环境及布跨条件，采用(32+170+50+40+32) m钢-混混合梁独塔斜拉桥，其中170 m主跨一跨跨越五线铁路和河涌，(176.5+50+43.75) m采用平转法施工。全桥总体布置如图2所示。

图2 立面布置(单位：m)

本方案桥全长326 m，为非对称独塔双索面钢-混凝土混合梁斜拉桥。根据结构刚度、受力和转体施工需要，主跨和边跨侧分别设置1个和2个辅助墩，桥两侧接入32 m简支梁。主塔边跨侧采用预应力混凝土箱梁，桥塔主跨侧至梁端采用带风嘴的钢箱梁，钢混结合段位于桥塔偏向主跨侧15 m处。结构体系采用塔梁分离的固结形式，塔墩一体，塔梁之间设固定支座，横向设置抗风支座，其余边墩及辅助墩顶设纵向活动球钢支座。

(1)主梁

主梁采用等高箱梁，中心梁高4.5 m，梁顶宽14.5 m。主梁截面如图3所示。预应力混凝土箱梁采用单箱三室截面，三向预应力体系。标准横截面顶板、底板厚均为40 cm，直腹板厚50 cm，每7 m与斜拉索位置对应设1道厚50 cm的半高横梁。桥塔和墩顶各设置1道横隔梁，厚2.5～3.5 m。

图3 主梁横断面(单位：cm)

钢箱梁采用封闭式单箱五室截面，外露面积小，维养工作量小，外轮廓尺寸与混凝土箱梁相同，中间三室与混凝土梁对应，两侧单室兼作风嘴。钢箱梁为正交异性板结构，由顶板、斜底板、底板、竖腹板及斜腹板围封而成。根据受力和刚度过渡要求，钢箱梁分3个区、8个梁段类型，在不同区段采用不同的板厚。钢箱梁顶、底板厚20～30 mm，纵向设U形加劲肋，中纵腹板厚24～30 mm，边纵腹板连接锚拉板厚30 mm。钢箱梁标准节段长15 m，每隔5 m设1道实腹横隔板，2.5 m采用横肋加劲。

结合段全长10.5 m，包含3.5 m钢-混结合段、4 m钢-混过渡段及3 m钢梁过渡段，采用梯形渐变式填充混凝土前后承压板接头，通过将钢箱梁端部顶板、底板和腹板做成双壁板，使填充的混凝土通过PBL剪力板、纵横向预应力钢束及普通钢筋等与紧邻的混凝土箱梁有效连接。

(2)桥塔

桥塔上塔柱采用H形造型，中塔柱外倾，桥面以下内收为钻石形，如图4所示。

图4 桥塔构造(单位：cm)

桥塔全高113 m(含塔尖)，桥面以上塔高91 m，高跨比为0.54，最外侧斜拉索水平夹角28.3°。桥塔纵向宽度由塔顶7 m线性加宽至11 m再至塔底19 m，上塔柱顺桥向壁厚1.2 m，中塔柱壁厚1.2～1.5 m。上、中塔柱横桥向宽均为4 m，壁厚1 m。下塔柱为实体异形棱台。上塔柱和中塔柱在交接处设上横梁，宽7 m，高4 m，壁厚0.5 m。

(3)斜拉索

斜拉索为竖直扇形双索面体系，横向间距13 m，与上塔柱相同。为便于拉索运输、张拉和后期更换，采用抗拉标准强度1 860 MPa钢绞线索体。斜拉索在桥塔上锚固间距为2～3 m，在钢箱梁上15 m，在混凝土梁上7 m，最长斜拉索179.5 m，最短67.1 m，根据索力不同，共采用M250-61、M250-73、M250-85、M250-91四种规格的斜拉索。为避免拉索后期更换和张拉影响铁路运营，锚固端均设置于主梁顶面，桥塔侧为张拉端。索塔通过钢锚箱连接。考虑斜拉索内倾角为0°，索与混凝土主梁锚固采用钢拉板，与钢拉板焊接的工字钢梁预埋于混凝土主梁边腹板中，通过PBL键、剪力钉等措施传递索力。索与钢箱梁锚固亦采用钢拉板方式，钢拉板为边腹板的外延。

(4)下部结构

桥塔基础设计考虑转体施工要求并最大限度降低对铁路路基的影响，承台采用内切圆半径15.9 m的正六边形，厚度6 m，承台与下塔柱之间设置半径14.6 m、厚2 m的圆盘，用于设置转体球铰。桥塔采用22根φ3 m的桩基础，由内向外环形布置，要求桩端后压浆，以减小桩基的沉降量。辅助墩及边墩均采用圆端形实体桥墩，墩高14.5～18.5 m，矩形布置桩基础。

(5)施工方案

总体施工方案采用旁位支架局部转体后结合法，转体示意如图5所示。

图5 转体施工方案示意(单位：m)

具体施工步骤如下:施工基础、承台、桥墩和桥塔，预埋塔底转体球铰；在沿既有铁路线北侧支架上拼装需转体部分钢梁、钢混结合段并分段浇筑混凝土主梁；安装拉索并调至转体索力，临时固结塔梁准备转体；转体完成后继续拼装剩余钢箱主梁及现浇混凝土主梁；施工桥面系，调整索力，完成全桥施工。全桥施工总工期预计约24个月。

转体体系由上转盘、下转盘、球铰、撑角、滑道和牵引系统组成[14]，设置于下塔柱与下承台之间。该方案转体施工有三大特点：转体质量大(球铰达3.5万t，φ5.1 m)、转体悬臂长度大(长176.5 m)，转体桥塔高度高(113 m)。

4.3 方案2：简支钢桁梁

简支钢桁梁结构轻盈、通透，刚度大，结构高度小，适合桥下净空受限的情况[15-17]。1982年日本在东海道支线桥(跨径62.4 m的单线铁路简支钢桁梁跨线桥)设置承重轨道梁，单侧转体跨越桥下铁路[18]。结合本桥桥址建设环境，本方案采用160 m简支钢桁梁一跨跨越五线铁路和河涌[19]，采用布设轨道梁3次转体法施工。

(1)结构设计

本方案桥全长162.3 m，计算跨径160 m，支点距梁端1 m。主桁采用三角形腹杆体系，桁高18 m，高跨比1/8.9，桁宽13 m，宽跨比1/12.3。主桁纵向共12个节间，节间距除两端为13 m外均为13.4 m。主桥立面布置和断面布置分别如图6、图7所示。

图6 简支钢桁梁立面布置(单位：m)

图7 主桁断面布置(单位：mm)

主桁上下弦杆均采焊接箱形截面，竖板高2 000 mm，内宽1 400 mm，板厚16～46 mm。腹杆采用箱形及H形截面，箱形截面高1 398 mm，内宽1 000 mm，板厚16～40 mm；H形截面高1 398 mm，外宽1 000 mm，板厚16～20 mm。为保证结构整体稳定及受力合理，在弦杆间分别设置交叉式上下平纵联，截面为焊接工字形。为增强横向刚度且使主桁受力均匀，全桥设桥门架2道，中间等距设横向联结4道，均采用桁架式结构。

桥面系采用不结合纵横梁体系，由纵梁、横梁和混凝土桥面板组成。横向设置4根工字形纵梁，间距2 m，梁高1 500 mm，设2道断缝，在每段纵梁中部设制动联结系。横梁梁高2 000 mm，端横梁处为单箱双室截面，纵梁断开处为单箱单室截面，其余为工字形截面，每2道横梁间设3道纵梁横联。桥面板沿纵向分块预制，每个预制桥面板设4个27 cm×27 cm的方孔，采用9个剪力钉填充环氧砂浆与纵梁连接。

桥墩采用圆端形，15根φ2 m桩基础。

(2)施工方案

总体施工方案采用布设轨道梁3次转体法，具体施工步骤如下:施工主桥和轨道梁基础、承台、桥墩及转体系统；沿既有线外拼装轨道梁并顺时针转体77°至设计位置；主墩墩顶安装转体系统，在主墩与轨道梁临时墩间拼装钢桁梁；在轨道梁上沿滑道推拉钢桁梁完成转体；将轨道梁反向转体至原位，并拆除轨道梁及墩身，同时完成主桥桥面系及附属工程施工。全桥施工总工期预计约28个月。施工示意如图8所示。

图8 钢桁梁转体施工方案示意(单位：m)

本方案钢桁梁需在轨道梁上沿滑道完成转体施工。轨道梁设计为2×58 m钢箱梁T构。钢箱梁采用单箱单室截面，梁高3.5 m，箱顶宽10 m，底宽6.4 m，顶板加劲采用U肋及板肋，底板采用T肋。轨道梁转体采用2 000 t的RPC球铰转体系统，球铰安装于轨道梁上、下承台之间。钢桁梁转体采用3 000 t的RPC球铰的转体系统，球铰安装于主墩墩顶，并在轨道梁上设置转体滑道，钢桁梁沿轨道逆时针转体26°至设计位置。

5 方案比选

经计算分析，方案1、方案2主梁静活载最大竖向位移分别为101 mm和59 mm，对应挠跨比为1/1 683和1/2 712，在列车摇摆力、风力、温度力的作用下，主梁最大横向位移分别为5 mm和16 mm，对应挠跨比为1/34 000和1/10 000，方案1梁端转角为0.16‰，均满足TB 10623—2014《城际铁路设计规范》限值要求。方案2梁端转角达1.3‰，由轨道专业设置活动过渡梁以满足轨道要求[7]。

方案1结构形式新颖，外形高耸美观，方案2结构形式简洁，建筑高度低，根据计算分析和国内外建设经验，以上两个方案在技术和施工上均可行。本文主要对其在景观效果、技术创新、施工难度、对既有线干扰、后期维修养护和经济性能方面进行综合比选[20]，见表1。方案2建筑高度低，适合净空受限的情况，竖向刚度较好，采用混凝土桥面对无砟轨道的适应性较好，整体经济性能较优，但其梁端转角达1.3‰需设置过渡梁，且施工步骤多，难度大，施工期间对铁路既有线运营的影响较大，安全风险高[21]，后期跨线涂装、维修、养护较方案1更为不便。

表1 方案比较

6 结论

广佛江珠跨五线铁路立交主桥建桥条件复杂，斜交角度小，净空、孔跨、施工、维养等方面受限条件较多，本文提出独塔混合梁斜拉桥和简支钢桁梁两个方案均技术可行，且在铁路桥梁领域有一定的创新性。(32+170+50+40+32) m钢-混混合梁独塔斜拉桥方案能适应桥址环境及要求，桥式布置合理、结构受力明确，可一次转体到位，施工便利安全，对运营铁路影响小，创新性地采用混合梁充分发挥钢混两种材料性能，大幅减小转体跨度和重力。简支钢桁架建筑高度小，自重轻，经济性较优，可采用布设轨道梁3次转体法在不便设立辅助墩顶推时施工，但对铁路既有线运营的影响较大，安全风险高。经综合比选，广佛江珠跨五线铁路立交主桥方案推荐采用独塔混合梁斜拉桥桥式方案。