京滬高速鐵路徐滬段橋梁設計

許三平

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

京滬高速鐵路徐滬段經過我國經濟發達的華東地區,沿線以平原和低山丘陵區為主。沿線經過黃河、淮河、長江三大水系,位于各水系流域的中下游,地勢平坦,河谷交錯。徐州至池河為黃淮沖積平原及淮河一、二級階地,池河至丹陽段線路通過剝蝕低山丘陵區及長江河谷階地,丹陽至上海段線路通過長江三角洲平原區,均為第四系地層覆蓋,系江河、湖泊、海相沉積形成。

京滬高速鐵路徐州至上海段正線大、中橋總數135座,共 521.9km,占正線建筑長度的 81.2%。,全線超過 50km的橋有 3座,其中丹陽至昆山特大橋全長164.85km,為已知的橋梁中第一長橋。全線跨越的道路、河流多,特殊結構多是京滬高速鐵路橋梁的又一特點,徐滬段正線共計 300余處特殊結構,主要結構有連續梁、連續梁剛構、系桿拱、連續梁拱、道岔梁、鋼門式墩、空間剛構等,其中跨鎮江京杭運河主跨(90+180+90)m連續梁拱為全線時速 350km的第一大跨。

2 常用跨度橋梁合理結構形式研究

目前世界各國、地區高速鐵路橋梁多以箱梁為主,除跨越道路、河流的橋梁外,一般地段橋梁既采用簡支梁,也采用連續梁橋。法國、韓國以連續梁為主,日本和中國臺灣多采用簡支梁。中國大陸的高速鐵路在城市附近往往要把線路抬起來,以橋通過;遇到地質條件稍差的地段,需要以橋代路,橋梁總長占線路比例很大,我國已建成通車的客運專線 40m以下跨度的常用跨度橋梁占橋梁的比例見表1。合理地選擇常用跨度橋梁的結構形式、跨度,對橋梁景觀、工程投資均有很大影響。

表1 客運專線常用跨度橋梁占橋梁比例統計

為了合理確定高速鐵路常用跨度橋梁的合理橋跨、橋式,在高速鐵路研究早期,選擇了有代表性的橋梁,進行了以下比較、分析工作。

2.1 比較工點橋梁設計簡介

(1)濉河特大橋

橋址位于黃淮河沖積平原,地勢平坦開闊,平均墩高 4.5m,設計樁長 36～40m,樁底進入硬塑黏土層。

(2)淮河特大橋

橋址位于黃淮河沖積平原,地形開闊,平均墩高7.5m。設計樁長28～36m,樁底進入混合花崗巖弱風化層。

(3)蘊藻浜特大橋

橋址位于沖湖積平原區,地勢開闊,平均墩高11.75m。設計樁長 54.5～58.0m,樁底進入粉砂、粉土夾粉質黏土層或粉質黏土夾粉砂層。

2.2 各橋跨、橋式技術經濟比較(圖1)

從圖1中可以看出,預制架設 32m簡支箱梁最為經濟,其次是預制架設 24m簡支箱梁。對于(3×10+8)m連續剛架,其經濟指標從蘊藻浜特大橋比較中可知,具有較強的經濟優勢。但考慮到其施工、適用條件等的特殊性,沒有把它作為常用跨度橋梁推薦。

基于以上的研究、分析比較,結合我國客運專線橋梁比重比較高、地質復雜、工期緊張等具體情況,確定了高速鐵路橋梁主要以 32m預制簡支箱梁為主,其他結構在適宜條件下采用的原則,使得 900t簡支箱梁大規模地在高速鐵路、客運專線中運用。同時也節約了工程投資,推動了我國客運專線大噸位箱梁架橋機研制水平的提高。

3 道岔區橋梁研究

3.1 概況

京滬高速鐵路徐滬段共設 13個車站,其中鎮江西站、常州北站、無錫東站、蘇州北站、昆山南站位于高架橋上,還有多條聯絡線在橋上出岔,因此京滬高速鐵路徐滬段有大量的、不同型號的高速無縫道岔布置在橋梁上,其中 18號道岔共 69組,42號道岔共 8組。

橋上道岔采用縱連底座板式無砟軌道無縫道岔在世界上未有先例,存在新的技術特點和難點,道岔區橋梁的設計不再是單純的橋梁設計,必須結合軌道、道岔等一起考慮:考慮無縫道岔、無砟軌道、橋梁之間的相互作用,考慮溫度荷載、牽引力、制動力等軌道力對橋梁的影響;考慮橋梁平面布置、橋梁結構形式、道岔梁及橋墩的剛度等對軌道、道岔的影響。

結合橋梁及道岔受力及變形規律、“車-岔-橋”相互作用特性等因素,道岔區橋梁設計的關鍵及創新點在于:采用合理的橋式方案,減小道岔尤其是尖軌和轍叉處的梁-軌相對位移,確保道岔結構安全,確保軌道平順;道岔梁采用整體性較好的箱梁,適當提高截面豎、橫向剛度,提高梁部的自振頻率,減小活載作用下的梁體撓度及梁端轉角。

3.2 高速鐵路道岔區橋梁設計原則

根據有關科研成果,京滬高速鐵路徐滬段橋上底座縱連板式道岔的主要設計原則如下。

(1)正線道岔應盡可能整組布置在 1聯連續梁上。

(2)客運專線無縫線路道岔的轉轍器部分、轍叉部分不宜跨越 2聯梁。

(3)正線道岔布置連續梁上時,道岔岔頭、岔尾距離梁端應不小于 18m。站線道岔在困難條件下可以在道岔連接部分設置梁縫。

(4)單渡線都應整組設置在 1聯梁上。

(5)客運專線無縫線路道岔區的橋梁結構形式,可行的有:混凝土連續梁、小跨度剛構、跨度為 6～12 m框架橋。

(6)車站咽喉區道岔,除高速正線無縫道岔下需采用連續梁外,其余到發線道岔下可采用簡支梁結構。

(7)為減小梁、軌相對位移及鋼軌附加縱向力,八字渡線區兩聯連續梁之間宜布置 1孔以上簡支梁。

(8)對于連續梁應進行多縱向固定支座方案比選,以減少道岔 -橋梁相互作用和相對位移。橫向固定支座布置的原則為:相鄰梁梁端兩側的鋼軌支點橫向相對位移不應大于 1mm。

3.3 高速鐵路道岔區橋梁設計

根據各道岔工點實際情況,在徐州東站北側道岔區、秦淮河特大橋滬漢蓉聯絡線出岔區、丹陽站南咽喉區采用了多排框架的結構形式;在鎮江西站、常州北站、無錫東站、蘇州北站、昆山南站等高架車站咽喉區、徐州東站南側道岔區、滁河特大橋揚州聯絡線出岔區、蘊藻浜特大橋上海站聯絡線出岔區采用了道岔連續梁結構形式;在宿州東站北側道岔區、徐州東站南咽喉區跨銅山路處采用了道岔連續梁剛構。

結合科研成果,以蘇州高架站為例,從對道岔區橋式布置、結構計算、車 -岔 -橋動力仿真幾個方面進行了研究,研究主要結論如下。

(1)橋式布置

根據車場道岔布置情況結合現場道路、河流、地鐵配套工程等邊界條件,研究渡線區采用 6×32m連續梁、咽喉區采用 4×32m+3×32m連續梁、在八字渡線 2聯連續梁間布置簡支梁,能滿足軌道結構要求。蘇州高架站咽喉區孔跨布置為:1-26.18m非標簡支梁+6×32m連續梁 +2-24m簡支箱梁 +1-32m簡支箱梁 +6×32m連續梁 +2-32m簡支箱梁 +4-32m連續梁 +5-32m簡支箱梁 +站房區橋梁 +4-32m簡支箱梁+1-32m簡支箱梁 +6×34m連續梁 +1-32m簡支箱梁 +(32+40+64+40+32)m連續梁 +2-32m簡支箱梁 +6×32m連續梁 +1-21.87m非標簡支箱梁。

(2)靜力計算

道岔梁按全預應力混凝土構件進行設計,經檢算在各種工況下道岔梁截面應力、強度安全系數、抗裂安全系數均滿足規范要求;ZK靜活載作用下最大撓度值、撓跨比、梁端豎向轉角、后期徐變上拱最大值、相鄰梁梁端兩側的鋼軌支點橫向相對位移均滿足規范和科研相關要求。

(3)動力仿真

橋梁豎向及橫向剛度可以滿足過岔時的要求,各項動力響應值均在容許限值范圍以內,基本上能滿足高速條件下車岔橋動力耦合的要求。車岔橋耦合動力學的研究表明,岔橋相對位置對系統振動響應影響較大,轉轍器或轍叉區位于或接近橋梁撓曲率較大位置上時,岔橋相互作用明顯加強。耦合系統動力分析表明,對于車-岔-橋耦合系統,除進行靜力分析應滿足有關規定的要求外,還應根據具體的道岔結構、運營條件、橋梁結構進行車-岔-橋耦合動力響應分析,以列車運行平穩性、安全性,道岔結構強度及動力響應控制指標為判據,評價相應的橋梁結構是否滿足鋪設道岔的要求。

4 墩型選擇

高速鐵路徐滬段采用了矩形雙柱墩、空心墩、雙線單圓柱形橋墩等,墩型的選用應結合橋梁的地形、地勢、水文條件、立交條件及橋高等具體情況選用。

橋墩頂除通過支座支承梁部外,還有其他附屬功能,如更換支座時千斤頂擺放空間、防止落梁和防止梁部移動設施、檢查或更換支座時工作空間、墩頂排水等(圖2)。

根據高速鐵路特點,橋墩設計從剛度、耐久性、便于施工和養護維修、經濟美觀等角度綜合考慮。鑒于京滬高速鐵路設計多采用預制架設的簡支箱梁,梁高3.05m(高跨比相對較大),而橋墩普遍不高,橋墩外形線條不宜變化太快,因此采用的橋墩墩身一坡到底,橋墩均不設頂帽,結構簡單、施工方便。由于京滬高速鐵路徐滬段大量橋梁墩高一般在 12m以內,考慮到12m以下空心墩施工時較為困難,特意研究了為盡量保持與矩形空心墩外形一致、便于施工的雙柱式矩形橋墩,既減少了橋墩圬工量,也極大地方便了橋墩外模的制作、倒用,墩形簡捷流暢,又可節省工期,受到了參建單位和新聞媒體的一致好評(圖3)。

圖2 橋墩功能示意(單位:cm)

圖3 雙柱式矩形橋墩示意

經過對京滬全線橋墩技術經濟比較,墩高小于 12 m時,雙矩形柱墩也是最優的,橋墩投資分析見圖4(圖中定額基價含基礎、承臺費用)。

圖4 橋墩投資分析

5 高速鐵路橋梁樁基礎極限摩阻力取值的確定

高速鐵路由于行車速度高,對橋梁樁基礎的激振較普通鐵路嚴重,樁基礎在高速鐵路車輛的激振下,其相關設計參數較常規取值有何差異直接關系到行車安全。鑒于軟土地基樁基反應更為敏感,京滬高速早期研究是從深厚軟弱地基樁基礎開展的。

1997年進行了《高速鐵路深厚軟弱地基上橋梁基礎合理形式及設計研究》,采集了蘇錫常地區軟土地質鉆孔土樣,在試驗室內進行模擬軟土樁基動、靜載試驗。室內動力激振試驗研究認為,位于軟土地基的橋梁樁基礎其動承載力將下降,動、靜比值為 0.8左右。

為了更充分地了解軟土地基橋梁樁基長期在高速列車動荷載作用下的工作性狀,在京滬高速徐滬段昆山現場進行了軟土地基橋梁樁基礎單樁豎向動靜載試驗研究工作。結合現場試驗條件,選擇 2種樁徑共 6根試驗樁(均為橋梁工程樁)分 2組進行了試驗加載,2種試樁的參數見表2。并于 2002年 12月正式啟動了現場試驗工作。現場試驗工作于 2003年 10月完成。

表2 試樁參數

通過昆山試驗段橋梁樁基采用激振設備對 2組共6根試驗樁進行動靜載試驗,得出以下結論:(1)由動荷載引起的樁頂沉降量值較小;(2)動荷載循環作用下樁頂動位移幅值較小,且很快能達到穩定;(3)動荷載作用初期,試驗樁樁身上部軟土層樁側摩阻力呈現弱化現象,樁身下部呈現強化現象,弱化的幅值小于強化幅值,動載作用過程中樁身軸力出現重分布現象。

在樁端持力層較好的情況下,軟土地基橋梁樁基礎設計時可以忽略由高密度、高速度列車反復作用下對樁基工后沉降和豎向承載力的影響。

基于以上的試驗研究成果,確定高速鐵路橋梁樁基極限摩阻力取值可以按常規鐵路橋梁取值標準進行。

6 結語

目前京滬高速徐滬段橋梁施工基本完成,多多少少暴露一些設計問題,需要結合施工等因素對設計進行優化、完善,確保設計安全、經濟、合理。

(1)孔跨布置宜綜合考慮城市發展及地方主管部門要求,跨度不宜摳得太緊。由于京滬高速鐵路經過華東經濟發達地區,橋梁長度大,控制工點多,孔跨調整很困難。

(2)基礎埋深不宜超過 0.5m,主要由于施工便道、鉆孔樁施工、承臺開挖等因素,施工完成后,地面比天然地面高,適當抬高承臺可節省墩身及樁基圬工,施工也相對方便。

(3)沒有特別重要的控制點,常用跨度橋梁盡量按等跨布置,必要時可采取改路等措施以減少變跨橋梁,便于架橋機架梁,在架梁通道受限制的控制點,也可采用預制非標簡支梁來疏通架梁通道。

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