廣深港客運專線橋梁設計綜述

謝海林

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

廣深港客運專線是我國京港高鐵的重要組成部分。沿線經過廣東省的廣州市、東莞市、深圳市及香港地區,線路跨越的珠江三角洲是一個廣闊平原及交錯的網河區,網河區內水道密布,西北江三角洲網河相互貫通,河網密度達0.81 km/km2,東江三角洲自成一體,河網密度達0.88 km/km2。

廣深港客運專線主要跨越屏山涌(石壁河)、紫坭河、沙灣水道、淺海、蕉門水道、騮崗水道、浮蓮崗水道和獅子洋等河道。

由于地處沿海,受南亞季候風影響,臺風、暴雨及冷峰都比較強烈,造成冬春季節多陰雨并有冷空氣侵襲,雨季長,夏秋汛期多臺風暴雨,對鐵路建筑物,特別是橋梁工程影響大。

本線受臺風、洪水、潮水等自然條件的影響,部分地段上層覆蓋深厚淤泥及淤泥質黏土(厚達20 m),存在砂土液化及軟土震陷,地質條件很差。

線路全長145 km,其中有大中橋梁47座,橋梁總長56.0 km。本線橋梁以簡支箱梁為主,大跨結構主要有連續梁、連續剛構、連續梁拱、拱橋等結構形式,跨越道路交角很小,采用了斜交剛架來滿足交通要求。

2 主要技術標準

(1)鐵路等級：客運專線

(2)設計活載：ZK荷載

(3) 設計行車速度：350 km/h

(4) 線間距：5.0 m

(5)最小曲線半徑：7 000 m

(6)限制坡度：20‰

3 橋梁設計特點

廣深港客運專線技術標準高；沿線地處經濟發達的珠三角,城鎮化水平高；通航河流多；高等級公路多；城鎮規劃多。因線路所經地區具有“二高三多”的特點,而采用了大量復雜的橋梁結構類型,大跨度橋梁也很多。本線的橋梁設計主要有以下特點。

(1)大量采用大跨度預應力混凝土梁

本線多次跨越沿線大江大河及高等級公路,線路的走向影響橋式方案,而客運專線線路設計標準較高,最小曲線半徑為7 000 m,導致鐵路與多處河流與公路的交角很小,個別地方鐵路與公路交叉處幾乎平行,因此長聯大跨度彎連續梁出現較多。具有長聯、大跨、彎梁三大特點的預應力混凝土梁,其梁體的變形是關鍵,在溫度和收縮徐變作用下,梁體的變形如何發展,將對軌道產生嚴重影響。

(2)無縫線路及道岔區橋梁設計

本線一次性鋪設無縫線路,設計中考慮了縱向長軌力、撓曲力、斷軌力的影響,橋墩線剛度對橋上無縫線路縱向力的影響。

道岔區橋梁結構設計的關鍵在于其縱向變形的連續性、剛度均勻性。因此為確保道岔區長期正常運營,對橋式布置和梁部及基礎的變形都進行了嚴格控制。

(3)橋梁結構采用耐久性設計

橋梁結構地處河網化地區,與珠江緊鄰,遭受風浪、水質等多種自然因素的作用,對橋梁結構的耐久性影響較大。近年來對結構尤其是高等級鐵路的耐久性的重視已上升到與結構安全性同等的高度。因此設計中非常重視其結構耐久性,通過采取提高混凝土強度等級,加大橋涵混凝土結構鋼筋的混凝土保護層厚度,橋梁頂面設置防水層和保護層,預埋鋼板采用多元合金共滲或滲鋅+封閉城處理,擋塊及螺栓采用滲鋅處理等一系列措施來保證全線橋梁的結構使用壽命。

4 一般橋梁設計

橋梁孔跨以32 m整孔箱梁為主,24 m和20 m箱梁原則上用于調整孔跨。簡支箱梁以預制架設施工為主,當受地形條件、交通和隧道限界制約,無法運梁等因素限制而無法采用預制架設法施工時,箱梁考慮采用切翼板后架設或現澆施工?？缭胶拥馈⒐沸枰^大跨度跨越時,可采用預應力混凝土連續梁,并盡量采用標準連續梁,當線路與道路、渠道、河流斜交,橋梁凈空受限時,采用了斜交剛架跨越等。

橋臺采用雙線矩形空心臺；橋墩一般采用圓端形空心墩,橋墩高度小于6 m時,采用圓端形實體墩,跨公路、鐵路既有線兩側的橋墩以及水中墩承臺至水面以上1 m范圍采用實體墩。

橋梁基礎類型一般采用樁基礎,對于地質條件較好的部分考慮采用擴大基礎。典型橋梁全橋布置見圖1。

圖1 典型橋梁全橋布置(單位：cm)

5 特殊結構橋梁設計

全線大跨特殊結構較多,結構形式主要有連續梁、連續剛構、連續梁拱、提籃拱、拱橋等,此外為解決線路與高等級道路的立體交叉問題多處采用了斜交剛架,以及橋建合一的3座高架車站,現將具有代表性的橋梁結構介紹如下。

(1)跨越紫坭河和沙灣水道采用104 m+2×168 m+112 m連續剛構

沙灣水道通航論證要求的通航凈空為2-151 m,結合航跡線分布、防洪要求及線路布置的實際情況,主跨采用2-168 m以滿足通航需要,考慮到防洪的需要,左右邊跨分別采用112 m和104 m孔跨。如圖2所示。

通過梁高、薄壁墩厚度、合龍順序和預頂力等的比較,確定了合理的結構尺寸,該梁梁部采用全預應力混凝土結構,主梁截面采用單箱單室直腹板變截面,箱頂寬13.4 m,箱底寬8.0 m,中支點處梁高11.0 m,邊直段及中跨中處梁高6.0 m,梁底緣用拋物線連接。梁部采用C60高強混凝土,縱、橫、豎三向預應力索體系,其中縱、橫索采用φj15.20 mm低松弛高強度預應力鋼絞線,豎向索采用φ32 mm精軋螺紋鋼筋。主梁橋墩采用C50鋼筋混凝土,中主墩為圓形空心墩,墩直徑采用8.5 m,壁厚1.5 m；邊主墩為雙薄壁墩,壁厚2.2 m,橫橋向寬度9.0 m,兩薄壁中心距6.5 m。

圖2 連續剛構立面(單位：cm)

斷面如圖3所示。

圖3 主梁斷面(單位：cm)

本橋跨度大,聯長達553.6 m,為當時時速350 km無砟軌道最大跨度,設計采用雙薄壁墩,中間橋墩為減小對通航及防洪的影響,采用圓形橋墩,很好地解決了連續剛構的剛度分配問題。

(2)跨越騮崗水道采用76 m+160 m+76 m連續梁拱(圖4)

該橋為跨越騮崗水道而設,為滿足了騮崗水道單孔雙向通航的要求,采用了160 m的跨度,因騮崗水道距離車站較近,而橋墩較矮,不宜采用連續剛構,為降低了橋梁高度,采用了連續梁拱組合橋型。

主梁采用單箱雙室變高度箱形截面,跨中及邊支點處梁高4.0 m,中支點處梁高8.5 m,梁高按圓曲線變化。采用縱、橫、豎三向預應力體系。跨中斷面如圖5所示。

圖4 連續梁拱立面(單位：cm)

圖5 跨中斷面(單位：cm)

箱梁頂寬14.2 m,中支點處局部頂寬16.3 m；箱梁頂板厚0.42 m,中支點處加厚至1.02 m；箱梁底寬10.8 m,中支點處局部底寬13.6 m；底板厚度0.35～0.874 m,中支點處加厚至1.40 m。

箱梁采用直腹板,腹板厚分0.40、0.55、0.70 m三種,中支點處邊腹板局部加厚至1.30 m。箱梁共設5道橫隔板。

拱肋采用鋼管混凝土結構,計算跨度L=160.0 m,設計矢高f=32.0 m,矢跨比f/L=1∶5,拱軸線采用二次拋物線,拱肋采用等高度啞鈴形截面,截面高度3.0 m。吊桿順橋向間距9 m,全橋共設15組雙吊桿。

76 m+160 m+76 m連續梁拱結構是預應力混凝土連續梁與鋼管混凝土拱的組合橋型,創國內鐵路連續梁拱組合橋梁跨度新紀錄,是廣深港客運專線的控制工程之一。

(3)跨越蕉門水道采用75 m+2×135 m+75 m連續梁

該橋為跨越蕉門水道而設,因河道與線路的夾角為44°,為滿足雙孔單向通航,采用75 m+2×135 m+75 m連續梁,該連續梁全長421.5 m,為廣深港客運專線的控制工程之一。連續梁平、立面如圖6所示。

通過靜力計算確定了中支點梁高為10 m,跨中梁高為5.8 m,邊支座中心線至梁端0.75 m,邊支座橫橋向中心距6.0 m,中支座橫橋向中心距5.8 m。標準橋寬13.4 m,為單箱單室型箱梁結構,頂板0.45 m,底板厚0.45～1.2 m,腹板厚0.5～0.95 m。中支點橫隔板寬度3.0 m,邊支點橫隔板寬度1.95 m,中跨中橫隔板厚1.0 m。主梁斷面如圖7所示。

圖6 連續梁平、立面(單位：cm)

圖7 主梁斷面(單位：cm)

采用縱、橫、豎三向預應力體系,按預應力混凝土全預應力構件設計。

該連續梁是目前時速350 km客運專線上跨度最大的連續梁。通過靜力計算和動力分析,確定合理的截面尺寸,滿足高速鐵路對大跨度梁在縱橫向剛度的要求,使梁體的剛度在合適的范圍內和通過調整縱向預應力鋼絞線來實現控制工后徐變的量值。

(4)跨越市良路(S362)處采用112 m提籃拱

鐵路跨越市良路(省道)的交角較小,且道路一側為河流,一側山體,采用連續梁需要開挖山體,經比選采用結構剛度大,造型美觀的提籃拱來滿足立交要求。提籃拱立面如圖8所示，跨中斷面如圖9所示。

112 m提籃拱,按尼爾遜體系布置吊桿,采用預應力混凝土系梁。結構橋長116.0 m,計算跨度112.0 m。

拱肋：采用豎置啞鈴形鋼管混凝土截面,按等截面布置,截面h=3.0 m,鋼管直徑為1 200 mm,由厚18 mm的鋼板卷制而成,每根拱肋的2鋼管之間用鋼板焊接形成啞鈴形。兩拱肋拱頂中心距9.19 m,拱腳處中心距16.2 m,拱肋內傾9°,即與水平面的夾角為91°。拱軸線采用懸鏈線,矢高f=22.40 m,m=1.347。鋼管內用C50無收縮混凝土填充,鋼管及鋼板采用Q345q-D和Q235鋼材。

系梁：為單箱三室截面,底板在3.0 m范圍內上抬0.50 m以減小風阻力。橋面箱梁頂寬17.8 m,梁高2.5 m。系梁吊點處設橫梁,橫梁為實體截面,縱向厚度為0.4～0.6 m,中間設進人孔。系梁箱體底板厚度為28 cm,頂板厚度為30 cm,邊腹板厚度為35 cm,中腹板厚度為30 cm。系梁采用C45混凝土。

吊桿：吊桿布置采用尼爾森體系,在吊桿平面內,吊桿水平夾角在52.10°～68.67°；橫橋向水平夾角為81°。吊桿間距為8 m,兩交叉吊桿之間的橫向中心距為341 mm。吊桿均采用127根φ7 mm高強低松弛鍍鋅平行鋼絲束,冷鑄鐓頭錨,索體采用PES(FD)低應力防腐索體,并外包不銹鋼防護。吊桿的疲勞應力幅為75 MPa,在主+附作用下的最大應力幅值為143 MPa。

圖8 提籃拱平、立面(單位：cm)

圖9 提籃拱跨中斷面(單位：cm)

橫撐：兩拱肋之間共設5道橫撐,拱頂處設“X”形撐,拱頂至兩拱腳間設4道“K”形橫撐。橫撐由φ600、φ500和φ360 mm的圓形鋼管組成,鋼管內部不填混凝土,其內外表面均需作防腐處理。

該結構剛度大,造型美觀,不僅能較好滿足高速鐵路的要求,而且解決橋下為路塹形式的高速公路的立交問題。

(5)跨東新高速采用的2-17.5 m斜交剛架

東新高速公路與廣深港客運專線相交處公路里程為K16+203,設計為雙向6車道,鐵路與高速公路交叉角度13.2°,剛架跨越處公路部分為橋梁,部分為路基,其中DK7+373.89～DK7+515.1(對應公路橋梁臺尾里程為K16+240.72,公路設計高程6.136 m)為路基,長度141.21 m,填筑高度4.9 m,路基面寬度為33.5 m；DK7+515.1～DK7+593.75為橋梁,長度為78.65 m。

2-17.5 m異形剛架橋,共由7個跨線異形剛架及2個異形橋臺組成,跨度構成為(樁號前進方向)15.293 m(164號橋臺)+2×24.7 m+30.3 m+33.5 m+30.3 m+2×24.7 m+11.667 m(165號橋臺),全長219.86 m。剛架頂板厚1.2 m,側墻厚1.2 m,剛架高度16.5 m,各側墻開窗位置距承臺頂面4.95～5.4 m,窗口高度3.8 m,凈寬1.5 m,窗間凈距為2.5 m。剛架與簡支梁之間采用異形橋臺連接。斜交剛架平面如圖10所示，斜交剛架斷面如圖11所示。

該結構建筑高度小,結構剛度大,能較好地解決鐵

圖10 斜交剛架平面(單位：cm)

路線路與道路夾角較小的問題,與采用大跨度的連續梁或者連續剛構相比能夠有效地降低線路的高程,節省工程造價。

6 結語

廣深港客運專線橋梁是我國京港客運專線橋梁最為復雜的一段,許多橋梁設計都創造了國內外橋梁結構之最,其中70 m+160 m+76 m連續梁拱和75 m+2×135 m+75 m連續梁的設計入選了中國企業新紀錄；跨越紫坭河和沙灣水道采用104 m+2×168 m+112 m連續剛構橋梁,橋上采用無砟軌道,在時速350 km客運專線尚屬首次；跨東新高速公路采用的2-17.5 m斜交剛架,成功地解決了鐵路與公路交角小的難題。廣深港客運專線針對線路的實際情況,因地制宜所做出的設計嘗試,為我國在河網化地區、城鎮化發達地區的客運專線積累了寶貴的經驗,并具有一定的創新意義。

圖11 斜交剛架斷面(單位：cm)

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