北京動車段走行線特殊結構橋梁設計

馮利波

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處,天津 300142)

1 基本概況

作為北京樞紐內的檢修基地,北京動車段是我國北方地區動車組檢修基地及京滬高速鐵路北段的檢修中心,對完善樞紐客運設施及動車檢修設施,配套京津城際軌道交通項目的正常運營,及改善首都的環境和形象,具有重要作用和重大意義。北京動車段走行線工程是北京南站和京津城際鐵路及京滬高速鐵路、京廣客運專線、京哈客運專線配套項目,動車段走行線起于北京南站西側,跨京開高速公路、南三環、南四環路及京九、豐雙鐵路后到達動車段。

動車段走行線工程共有京滬高速鐵路正線、京滬高速鐵路動車左右線、京津城際鐵路動車線、京石客運專線動車左右線7條線,其中京滬高速鐵路正線為無砟軌道,設計速度目標值200 km/h,其余5條動車線均采用有砟軌道,設計速度目標值120 km/h。工程共有京滬高速鐵路正線、京滬高速鐵路動車左右線、京津城際鐵路動車線特大橋及京滬高速鐵路動車左右線、京石客運專線動車左右線、京津城際鐵路動車線特大橋等五線特大橋2座,單線特大橋1座,框構5座,涵洞23座。由于本線位于北京市內,為5線并行,跨越眾多市政道路、高速公路、規劃地鐵、既有鐵路等,特殊結構橋梁多,主要技術難點有5線并行800 m小半徑大跨度連續彎梁、400 m小半徑連續彎梁、預應力混凝土框架墩、低高度T梁,非標T梁,5線并行小半徑曲線布置等。

2 橋跨布置及墩臺、基礎選擇

為了滿足高速鐵路列車安全運行和旅客乘坐舒適度的要求,京滬高速鐵路正線橋梁結構采用了20、24、32 m簡支箱梁,京滬高速鐵路動車走行線、京津城際鐵路動車走行線及京石客運專線動車走行線則采用12～32 m簡支T梁,還采用了40 m簡支箱梁、(32+48+32)m連續箱梁,(71+120+71)m連續箱梁,預應力混凝土框架墩等。

由于受場地限制,簡支箱梁采用支架現澆法施工,簡支T梁采用預制架設法施工,連續梁采用懸臂灌注法和支架現澆法施工。

動車段走行線橋墩采用圓端形實體橋墩,根據線路情況,分別設計了單線、雙線及三線墩。簡支箱梁橋臺采用雙線一字形橋臺,簡支T梁橋臺采用了T形橋臺。動車段走行線橋梁采用了鉆孔灌注摩擦樁基礎,圖1為正在施工中的橋梁。

圖1 正在架梁中的動車段走行線橋梁

3 5線并行小半徑曲線橋梁布置

3.1 5線并行徑向布置

北京動車段走行線跨南三環及京開高速公路處位于800 m半徑曲線上,該段橋梁位于三環附近,為保證視野通透及城市景觀的需要,本段曲線橋采用了徑向布置,橋墩位于同一軸線上。曲線內側走行線采用標準跨度簡支T梁,中間京滬高速鐵路正線采用現澆異型跨度簡支箱梁,梁體中心線設計成直線,箱部結構按照直線布置,梁端按照徑向布置,橋面板及橋面系構造按照曲梁曲做；外側走行線采用異型簡支T梁布置；跨越南三環及京開高速公路采用了(71+120+71)m雙線+三線并置大跨度連續彎梁跨越,梁端徑向布置。5線并行徑向橋墩布置平面如圖2所示。

圖2 5線并行徑向橋墩布置平面

3.2 5線并行錯線布置

北京動車段走行線5線跨越豐雙鐵路，位于半徑400 m曲線上,交叉角度小,由于受線路縱斷面的控制,只能選用(32+48+32)m連續梁錯線跨越,因此該段曲線橋均采用了錯線布置法：以豐雙鐵路及橋下道路為控制點,兩側簡支梁分別按平分中矢法進行曲線布置,并通過梁跨調整,在直線段保證橋墩對齊布置。錯線布置時存在一線梁梁端對應另一線梁跨中的情況,而5線間最小間距為5 m,400 m半徑曲線上梁端最大偏移距離達17 cm,為避免相鄰線梁部相互干擾,設計中對部分T梁懸臂進行了局部切除。5線并行錯線橋墩布置平面見圖3。

圖3 5線并行錯線橋墩布置平面

4 特殊結構橋梁

4.1 橋梁類型

北京動車段走行線位于北京市區內,沿線跨越多處高等級公路、既有鐵路及規劃道路、地鐵等,受立交凈空、城市景觀及施工方法等諸多條件制約,設計中采用了許多“量身定制”的特殊結構橋梁(表1)。

表1 動車段走行線橋梁特殊結構匯總

4.2 (71+120+71)m 5線連續箱梁

跨越京開高速公路及南三環路時均采用3跨(71+122+71)m預應力混凝土連續彎梁。其中跨越京開高速公路點在京開高速公路與北京市政路菜戶營南路的連接處,要求凈寬86 m、凈高5 m,線路與其交角117°10′。京開高速公路由雙向6條車道組成,線路跨越處京開高速公路大小里程分別有2車道匝道,橋位兩側靠近京山鐵路以及西黃鐵路。橋梁結構位于800 m半徑的曲線上,共5條線并行,線間距5.0 m,2條線為京滬高速鐵路正線,其余3條為動車走行線,采用(71+120+71)m雙線連續彎梁與(71+120+71)m 3線連續彎梁并置跨越,兩梁橫向懸臂板間距10 cm,梁部構造及布置見圖4、圖5。

圖4 (71+120+71) m雙線+三線預應力混凝土連續箱梁平剖面

圖5 連續箱梁跨中截面示意(單位：cm)

雙線連續箱梁采用有砟軌道,各控制截面的梁高分別為：端支座處及邊跨直線段和跨中處為5.0 m；墩頂處梁高9.0 m,墩底平段長4.8 m,梁高按2.0次拋物線變化；單箱單室直腹板截面。箱梁頂寬11.65 m,底寬7.0 m。

3線連續箱梁上京滬高速鐵路正線采用無砟軌道,京滬高速鐵路動車右線采用有砟軌道,各控制截面的梁高分別為：端支座處及邊跨直線段和跨中處為5.0 m；墩頂處梁高9.0 m,墩底平段長4.8 m,梁高按2.0次拋物線變化；為單箱雙室直腹板截面。箱梁頂寬16.65 m,底寬12.0 m。

箱梁兩側腹板與頂底板相交處均采用圓弧倒角過渡。曲線梁按曲線曲做。梁體輪廓、普通鋼筋、預應力鋼束及管道等均以梁體中心線為對稱線沿徑向根據曲率進行相應調整,支座、橋墩亦按徑向布置。梁體采用三向預應力體系。為便于檢查,橫隔梁設過人孔,梁端處設進人洞。

其中3線連續彎梁上京滬高速鐵路正線采用無砟軌道形式,因此對大跨度彎梁的動力性能、剛度指標、變形控制等要求高,梁部設計撓跨比(中跨)為1/3 444,梁端豎向轉角0.584‰(rad),梁端水平折角0.123‰(rad),設計徐變上拱值0.55 mm。

京開高速公路與南三環位于北京市內,均比較繁忙,因此梁部采用了大跨度支架現澆法施工,既保證了橋下南三環和京開高速車輛的安全、順暢通行,也滿足了工期的需要。

4.3 預應力混凝土框架墩

京津城際動車線、京滬高速鐵路動車左線跨京滬高速鐵路正線、既有京九線及京滬高速鐵路動車右線跨越既有京九線斜角角度為8°～18°,為滿足跨越,需采用框架墩結構,上架設16 m T梁。

為減少施工對既有線干擾,一般跨線框架墩橫梁均采用鋼箱橫梁。鋼橫梁雖然施工簡單,對既有線干擾小,但由于鋼材長期暴露在大氣中,其防腐是控制其使用壽命的關鍵。目前最好的防腐涂裝也需要定期對鋼材進行養護；框架墩下方均為電氣化鐵路,鋼橫梁長期處于高壓電磁環境中會產生靜電,而且走行線尚需跨越京滬高速鐵路正線,在高速鐵路上方作業,對運營后的養護工作造成了極大的困難。

為解決以上難點,設計中考慮采用預應力混凝土橫梁的結構形式,施工完成后基本上不需要進行養護維修,跨既有線橫梁施工采用貝雷梁支架法施工,減少了對既有線的干擾。

該結構橫梁長20、22 m,順橋向寬度2.7 m,橫梁高2.5 m,與墩柱相連接的部分加厚至3.0 m；墩柱高14.5～21.0 m,截面形式為2.5 m×2.5 m矩形；樁基為φ1.0 m鉆孔灌注摩擦樁,承臺方向與既有線方向基本平行。框架墩主要結構尺寸見圖6。

圖6 框架墩立面示意(單位：cm)

橫梁計算結果匯總見表2、表3。

表2 橫梁截面強度計算結果

表3 橫梁正截面抗裂計算結果

同時為滿足橋下凈高,框架墩橫梁上方采用16 m低高度T梁,梁高1.1 m,軌底至梁底建筑高度1.75 m。

4.4 (32+48+32)m小半徑曲線連續彎梁

各動車走行線在豐臺區柳村道口附近5線并行跨越既有豐雙鐵路,斜交角度50°左右,線路曲線半徑400 m,為實現5線跨越豐雙鐵路,采用3跨(32+48+32) m預應力混凝土連續彎梁,橋墩錯線布置。

梁部采用有砟軌道,梁高沿縱向按二次拋物線變化,中支點梁高3.50 m(高跨比為1/13.71),邊支點及跨中梁高2.50 m(高跨比1/19.20)。截面采用單箱單室、變高度、變截面直腹板形式。箱梁頂寬9.0 m,底寬6.60 m。箱梁兩側腹板與頂底板相交處外側均采用圓弧倒角過渡,曲梁曲做布置,支座亦按徑向布置。梁部設計撓跨比(中跨)為1/3 707,梁端下撓轉角0.84‰(rad),梁端反彎轉角0.54‰(rad),設計徐變上拱值9.5 mm。

4.5 5線并行電纜槽

北京動車段各走行線5線并行段每側共需設置通信、信號及電力電纜3個或4個；如按常規將電纜槽設于欄桿外側懸掛,既不美觀,也無法滿足檢查維修需要,同時大風對其影響較大。

設計考慮采用角鋼將人行道進行加寬加高,將電纜槽置于人行道板以下,既滿足了檢修需要,刮風時對其也是有效保護。電纜槽布置見圖7、圖8。

圖7 每側3個電纜槽示意

圖8 每側4個電纜槽示意

5 結語

本線設計中采用的非標箱梁、伸縮T梁及多線電纜槽等在其他項目設計中已得到了廣泛應用。

目前北京動車段已開通運營,京滬高速鐵路也已經開通,走行線橋梁設計突破了常規的設計理念,在滿足功能需要的同時進行了多方面的嘗試和創新,為以后的樞紐多線、小半徑橋梁設計提供了良好的借鑒,也為今后同類的鐵路建設積累了寶貴的經驗。

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