北京市大興國際機場線高架區間總體設計

張付賓,李 輝

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 工程背景

隨著城市基礎設施的不斷發展和地鐵線路的不斷完善，連接中心城區和遠郊區縣或外圍重要交通樞紐的線路將日益增多。特點是距離長，速度快，功能全，定位仍然為城市軌道交通。

我國國內地鐵經過多年的建設，對于時速120 km以下的線路有著較為成熟的建設經驗和運營實例，結構形式和結構體系研究及應用都比較充分，國內關于軌道交通的設計規范也大多是針對設計時速小于120 km的線路。對于設計時速大于120 km的軌道交通項目，目前尚無較為明確的設計規范，應用實例較少。

北京軌道交通大興國際機場線是連接中心城與新機場的軌道交通線路，線路途經大興、豐臺兩個行政區。

大興國際機場線設計時速160 km，是國內城市軌道交通設計時速最快的線路，線路全長41.365 km，含高架段16.2 km，其中7.9 km為與新機場高速公路、團河路、地下綜合管廊等四層共構形式。本工程設計在城市軌道交通相關規范的基礎上，結合相關城際鐵路設計規范，對橋面布置，橋式方案，32 m、24 m系列預應力混凝土雙線并置組合簡支箱梁，與簡支箱梁匹配的獨柱橋墩，共構段兩墩柱和四墩柱橋墩，共構段節點橋梁、抗震分析等進行設計研究，形成了一套與設計時速匹配的設計成果應用到本項目中。

2 主要技術標準

正線數目：雙線，線間距5.0 m；

最小曲線半徑：1 000 m；

設計速度:160 km/h；

設計荷載：車輛型式采用市域型車，列車編組為8輛，車輛最大軸重170 kN，最小軸重80 kN。軸距2.5 m，定距15.7 m，如圖1 所示；

軌道類型：無砟軌道，軌道高度為600 mm；

圖1 列車活載圖示

供電方式：25 kV架空接觸網供電，橋面設接觸網立柱；

抗震設防烈度：8度；

聲屏障：直立式和半封閉式，全線預留直立式聲屏障基礎。

3 橋式選擇

3.1 梁型選擇

為順應工業化、規模化發展，并保證施工質量，國內城市軌道交通高架區間橋梁大多采用簡支結構、預制架設施工。對于T梁、箱梁、槽形梁等上部結構形式，無論從學術研究[2-4]還是工程實踐，箱梁由于具備外形整潔、整體性好，對線路適應性強，便于施工等特點應用最為廣泛。

箱梁分為整孔箱梁和雙線并置小箱梁[5]兩種，結構形式結合沿線地形地貌，交通狀況，線路特點(線間距、道岔設置)，區間長度等因素來確定。在北京市軌道交通建設中，北京首都機場線和亦莊線采用整孔箱梁，其他線路高架橋上部結構采用雙線并置小箱梁。

本線設置兩個梁場，高架范圍內有10條高壓線需要遷改，工期存在不確定因素。如上部結構采用整孔箱梁，由于梁重580 t，梁寬11.4 m，地面運輸和吊裝作業非常困難，須在橋上進行運輸架設，由于高壓線遷改的不確定性，一旦存在斷點，將直接影響全線的運架梁作業。雙線并置小箱梁單片最大梁重259 t，梁寬5.2 m，運輸和架設方式更為靈活，能夠將高壓線遷改對工期的影響降到最低。

經過比選，本線上部結構采用運輸方式更加靈活，對運架設備要求不高的雙線并置小箱梁方案。如圖2所示。

圖2 箱梁型式對比

3.2 跨度選擇

橋梁跨度選擇與設計時速、荷載、經濟指標、跨越能力、施工難易程度等相關。國內鐵路橋梁大多采用32 m跨度[7]，梁高根據設計時速大小有所不同。軌道交通橋梁大多采用30 m跨度，對應梁高大多為1.8 m。實踐表明，軌道交通橋梁跨度和梁高是比較適宜的，經濟上也是合理的[11]，與設計時速也是匹配的。結合鐵路和軌道交通橋梁常用跨度現狀，主要考慮32 m和30 m兩種跨度。經過比選，本線采用32 m跨，主要有以下原因：

(1)DB11/995—2013《城市軌道交通工程設計規范》規定30 m跨度橋墩墩頂縱向水平線剛度限值為260 kN/cm，TB10623—2014《城際鐵路設計規范》規定32 m跨度橋墩墩頂縱向水平線剛度限值為265 kN/cm，兩種跨度線剛度差別較小，對下部結構設計影響不大。

(2)采用32 m跨度除了可以增大跨越能力外，還可以減少下部基礎的數量，經測算可減少8%，經濟性較好。

(3)本線與高速鐵路共走廊，采用與鐵路相同的跨度模數，有利于保證區域內規劃協調統一，橋墩布置不至于凌亂，景觀效果好。

(4)計算分析結果表明，設計時速160 km時，兩種跨度梁高采用2.0 m動力性能優于1.8 m。采用32 m跨時，橋梁的動力響應在容許值以內，列車豎、橫向振動加速度均滿足限值要求；列車的走行安全性均滿足限值要求。列車的乘坐舒適性能達到規定的“良好”標準以上。

4 橋面布置

橋面布置遵循功能齊全，布置緊湊，節能環保原則。滿足軌道、供電、通信、信號、照明、防噪等專業的功能需求。橋面布置應充分利用橋上空間，布局緊湊、整潔，結構受力簡潔、明確。在滿足上述條件的前提下，盡量減少橋面寬度，減少橋梁自重和二期恒載。

橋面布置設計對電纜支架方案、電纜槽方案、疏散平臺布置等分別進行了比較，比較結果如表1、表2所示。

表1 電纜布置方式比較

表2 疏散通道布置方式比較

本線橋梁橋面布置的主要特點：

線間距5.0 m；

強、弱電分開布置；

接觸網供電；

接觸網立柱布置于整體橋面上；

橋面采用中間排水方式。

結合上述特點，最終確定采用電纜槽方案和橋面中間設置疏散通道方案，橋面寬度分別為11.0 m(共構段)和11.4 m(非共構段)。

本線共構段和非共構段橋梁橋面布置如圖3、圖4所示。

圖3 非共構段橋面布置(單位：mm)

圖4 共構段橋面布置(單位：mm)

5 標準段設計

5.1 標準梁設計

5.1.1 結構設計

箱梁結構采用預應力混凝土雙線組合箱梁，采用兩榀預制單箱單室箱梁并置組合構成。橋面寬度分別為11.0 m(共構段)和11.4 m(非共構段)，梁跨類型主要有32.7，24.7 m。箱梁外形采用斜腹板，斜率為1∶4.35。腹板與翼緣板交界處采用圓弧過渡，使得外形更為流暢，受力更為合理。

預制梁體混凝土強度等級為C50，現澆段采用C50補償收縮混凝土。箱梁采用等高截面，最低處梁高2.0 m，為滿足排水要求，橋面設置2%的排水坡。單榀梁底寬1.9 m，箱體中心線處截面頂板厚0.214～0.414 m，底板厚0.22～0.45 m，腹板厚0.28～ 0.45 m，支座橫向中心距1.16 m(圖5)。兩榀梁間現澆橋面板及端橫梁，后澆段橋面板寬度0.6 m，便于疏散通道基礎的設置。支座中心線至梁端為0.45 m。單片梁最大質量為259 t。

圖5 單片小箱梁截面(單位：mm)

5.1.2 預應力體系及布置

鋼絞線采用符合GB/T5224—2014《預應力混凝土用鋼絞線》技術標準的高強度低松弛φ15.20 mm鋼絞線，抗拉強度標準值fpk=1 860 MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa。

各種跨度梁預應力筋采用相同的橫向布置，鋼束橫向布置見圖6，預應力筋在梁端部布置一致，順橋向僅在跨中位置調整鋼束直線段長度。

圖6 預應力筋橫向布置(單位：mm)

5.1.3 吊點布置

為解決吊梁時梁端截面內側混凝土易開裂的問題，對吊孔的數量和布置進行了研究。經計算分析采用8吊孔方案，吊孔相對箱體對稱設置，吊孔處頂板底設楔塊作為吊裝鋼板工作平臺(圖7)。本方案吊裝時在箱梁頂板及腹板內側產生的橫、豎向應力最小，施工方便，可操作性強。

圖7 簡支梁吊點布置(單位：mm)

5.2 獨柱墩設計

非共構段橋墩墩型選擇主要考慮以下因素：結構安全，滿足受力和功能需要；外形美觀，與周圍環境和上部結構相協調；施工方便，工藝成熟，便于質量控制。

高架橋墩的墩形主要有流線形墩、鉆石形、花籃形、蓮花形、雙柱形墩等，墩截面有圓形、矩形、多邊形等多種截面形式[4]。

借鑒相關景觀設計研究[14]并經過比選，本線采用獨柱墩，矩形截面，截面尺寸根據墩高不同而變化，截面四角設圓弧倒角過渡。橋墩正面設置凹槽，便于排水管的設置。墩頂寬度為7.7 m，墩頂側面設置斜坡，與簡支梁腹板坡度大致相同，斜坡段高1.0 m。頂帽底面采用圓弧形式，圓弧段高3.0 m(圖8)。縱向尺寸根據上部簡支梁施工方法和曲線半徑以及墩高而有所不同。

由于上部結構荷載和橫向支座間距較大，為滿足受力要求，墩頂設橫向預應力鋼束，采用交錯單端張拉(圖9)。

圖8 獨柱墩結構(單位：mm)

圖9 墩頂預應力布置(單位：mm)

6 路-軌共構段設計

6.1 節點橋設計

路-軌共構段跨越現狀和規劃道路7處，均以40 m主跨跨越。為滿足橋下凈空及本線凈空的要求，保證下部橫梁高度統一，節點橋跨越規劃道路均采用三跨一聯連續鋼混結合梁結構，主跨為40 m，邊跨為24～35 m。鋼結構為雙箱單室U形、“□”形截面，箱梁上翼緣通過剪力釘與混凝土橋面板連接，橋面板寬均為11.0 m。鋼梁采用等高度結構形式，鋼結構高1.7 m。

鋼梁每隔1.7～4.5 m在箱內設隔板、在兩箱之間設橫梁，為便于結構傳力，橫梁和隔板均在同一位置設置。混凝土橋面寬11.0 m，板厚0.3 m(圖10)。橋面板混凝土采用現場澆筑。

圖10 鋼混結合梁截面(單位：mm)

本橋鋼梁靜活載及溫度組合作用下梁體豎向撓度及撓跨比計算結果見表3。

6.2 下部結構設計

共構墩根據高速公路的寬度分為兩墩柱和四墩柱形式，萁中兩墩柱適用于標準段，四墩柱適用于高速公路匝道區。

表3 結合梁計算結果

6.2.1 兩墩柱共構墩

兩墩柱共構墩高約22 m，兩墩柱上橫梁寬36.5 m，中橫梁寬度為17 m，中橫梁下凈空不小于5.0 m，中橫梁和上橫梁間凈空為10.5 m。接觸網設于上橫梁底(部分位于橋面上)。

橋墩均采用矩形截面，截面尺寸為1.8 m×2.4 m，設圓弧倒角，側面設有凹槽，供公路橋梁集中排水使用。中橫梁采用矩形截面，等高設計，尺寸為2.2 m×2.4 m，和橋墩相接處中橫梁底面設置倒角。上橫梁為矩形截面，變高設計，跨中截面為2.505 m×2.4 m，頂面設2%排水坡。上橫梁底設接觸網吊柱，與橋墩相接處設置倒角。上橫梁懸臂長度為7.95 m，懸臂根部與橋墩相接處采用圓弧過渡(圖11)。

圖11 共構結構斷面(單位：cm)

中橫梁和上橫梁均采用預應力混凝土結構，混凝土強度等級采用C50，橋墩混凝土強度等級采用C45。上橫梁采用兩端張拉，中橫梁采用單端張拉。

共構墩施工順序為：

樁基和承臺施工→支架現澆共構橋墩混凝土→張拉中橫梁第一批預應力鋼束→張拉上蓋梁第一批預應力鋼束→架設軌道梁→張拉中橫梁第二批預應力鋼束→架設公路梁→張拉上蓋梁第二批預應力鋼束→軌道梁、公路梁橋面施工。

計算表明，共構墩的施工順序影響預應力鋼束的張拉順序和張拉力，橫梁均需分兩次張拉預應力鋼束。對應于施工順序的上、中橫梁的預應力鋼束布置如圖12所示。

圖12 共構結構預應力鋼束布置圖(單位：cm)

6.2.2 四墩柱共構墩

在高速公路匝道區，為適應高速公路車道變化以及考慮規劃團河路的布設情況，設置四墩柱共構墩。四墩柱上橫梁寬52.0～58.5 m。中立柱和中橫梁尺寸及布置與雙墩柱相同，中立柱兩側的凹槽移至邊立柱上。邊立柱采用矩形截面，截面尺寸為1.8 m×2.4 m，高20.0 m。邊立柱和中立柱凈距為12.6 m，僅有上橫梁連接。上橫梁采用矩形截面，頂面設置2%的排水坡(圖13)。

圖13 四墩柱共構結構(單位：cm)

四墩柱共構結構預應力鋼束布置及張拉與兩墩柱基本相同。

6.3 抗震分析

共構結構具有主要質量分兩處集中、結構荷載大、結構建筑高度高以及潛在塑性鉸區域多的特點，尤其是橫橋向的抗震危險性突出。根據結構特點，采用基于能力保護原理的延性抗震體系。

抗震設計采用三水準兩階段設計方法，抗震設防類別為重點設防，多遇地震重現期為50年，考慮1.5倍的結構重要性系數。罕遇地震重現期為2475年。抗震設防目標為多遇地震下結構保持彈性，罕遇地震下允許結構發生有限彈塑性變形，并進行能力保護設計。

共構墩設計潛在塑性鉸區域如圖14所示，上、下柱頂、底共設計8個潛在塑性鉸區域，上、下橫梁，墩柱抗剪和基礎為能力保護構件。

圖14 共構橋墩的設計潛在塑性鉸區域

7 結語

北京大興國際機場線是北京市首條時速160 km的軌道交通項目，設計時速、線間距、軌道形式、供電制式等標準與常規軌道交通線路有很大不同。本線高架橋設計根據線路特點和標準，對橋梁橋面布置、簡支梁體系、橋墩、共構結構等進行設計研究，為時速160 km軌道交通高架區間設計提供了工程先例和技術儲備。本項目首次采用四層共構形式，為國內目前體量最大，標準最高，功能最全的共構體系。共構體系能夠節約土地，最大限度的發揮土地綜合效益，順應了環境友好、節能環保的發展要求，有著較為廣闊的發展前景。

北京市大興國際機場線已于2019年9月26日與北京大興國際機場同步開通運營。