北京鐵路樞紐豐臺站改建工程112 m六線鋼箱疊合拱橋設計

李恩良，張 上，施 威

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

1 工程概況

北京鐵路樞紐豐臺站改建工程從豐臺站至西咽喉區段落采用雙層車場重疊布置方案。地面層為普速場。上層為高速盡頭式車場，設計為高架站，從車站內向西銜接京廣客專.京石城際及動車運用所，平面為六線布置，自北至南依次為京廣客專聯絡線上下行線.動車運用所出入段線上下行線.京石城際鐵路上下行線，設計采用多組高架柱網平臺單元跨越地面層的普通車場及咽喉區，并將線路引過北京西四環路后，逐漸降低縱斷面與地面層站線股道進行綜合布置。

改建線路于J3K9+923.63處跨越北京西四環路，跨越處西四環路為1-(15+2×18+15)m既有框構中橋，道路分隔帶寬約2 m，立交要求為寬66 m×高4.5 m，交叉右角為106°38′。改建工程普速場站線利用既有線框構中橋跨越北京西四環路，高架場線路考慮城市景觀效果，采用新建1孔112 m六線簡支鋼箱拱橋方案跨越北京西四環路，并在拱橋兩側設置兩孔簡支板梁與高架柱網平臺銜接。跨越點高架層的平.立面布置見圖1。

圖1 橋梁跨越北京西四環路處平.立面布置(單位：m)

橋址為暖溫帶大陸性亞濕潤季風氣候，春季干旱多風.夏季炎熱多雨.秋季秋高氣爽.冬季寒冷干燥的氣候特點。歷年平均氣溫13.1 ℃，歷年極端最高氣溫41.9 ℃，歷年極端最低氣溫-17 ℃，歷年最大風速13.9 m/s。地震動峰值加速度為0.2g，地震基本烈度為Ⅷ度。

2 主要技術標準及原則

2.1 技術標準

(1)鐵路等級：高速鐵路。

(2)線路數目：六線。

(3)設計速度：90 km/h。

(4)線路間距：8.0 m+5.0 m+5.0 m+5.0 m+8.0 m。

(5)平縱斷面：平面位于直線上，縱斷面位于0‰的平坡上。

(6)軌道類型：有砟軌道，軌面至梁頂最低點處高度為814 mm。

2.2 設計荷載

(1)恒載：鋼結構容重按78.5 kN/m3計算，二期恒載為480 kN/m。

(2)活載：采用ZK活載，按以下3種組合包絡計算[1]。

組合1：任意兩線ZK活載×100%。

組合2：京廣.京石四線中任意三線ZK活載×75%+一線空車×75%(或不加空車)。

組合3：京廣.京石四線ZK活載×75%+一線空車×75%(或不加空車)。

(3)搖擺力：按雙線搖擺力施加。

(4)制動力或牽引力：按四線制動力或牽引力設計，同時考慮75%的折減系數。

(5)疲勞荷載：縱梁疲勞計算采用最不利單線ZK活載加載，并乘以多線系數。吊桿及橫梁疲勞計算按一線ZK加載，其他線采用荷載圖式中均布荷載加載[2-3]。

(6)其他荷載：按規范相應條文及相關規定辦理。

2.3 主要材料

縱梁腹板.上拱肋下板.下拱肋上板采用Q370qE-Z25，其余主體構件采用Q370qE。橋面鋼板采用不銹鋼復合鋼板321-Q370qE。

3 結構設計

3.1 結構形式

主橋整體結構形式為六線簡支鋼箱系桿疊合拱橋[4-6]，計算跨度112 m。兩個拱肋拱頂中心高差為6.0 m，豎向設置聯桿，在拱腳處合二而一，兩拱弦線高差為2.0 m。兩榀拱肋橫向中心距為23.2 m，拱間設置5道桁式橫撐，縱向設置15對剛性吊桿，縱梁兼做系桿。

橋面全寬38.6 m，采用密布橫梁正交異性橋面板體系[7-9]。橫向布置六線鐵路，兩拱間通行四線，兩拱外側懸挑兩線[10-11]，線間距為8.0 m+5.0 m+5.0 m+5.0 m+8.0 m。橋面設置多向1%的橫坡，以利于橋面排水。主體結構立面及橫向布置分別見圖2.圖3。

圖2 跨度112 m六線鋼箱拱立面布置(單位：m)

圖3 跨度112 m六線鋼箱拱跨中橫斷面布置(單位：m)

3.2 拱肋

拱軸線均采用拋物線，上拱肋矢跨比1∶4.57，矢高24.5 m；下拱肋矢跨比1∶5.46，矢高20.5 m，拱肋采用鋼箱截面。

上拱肋截面內高1 600 mm，內寬1 600 mm，上下翼緣板厚分36.40 mm兩種，腹板分36.40.44 mm三種。下拱肋內高1 200 mm，內寬1 600 mm，截面上下翼緣板厚20 mm，腹板厚32 mm。拱肋內部設置加勁肋及橫隔板。豎桿采用箱形截面，內高800 mm，內寬1 600 mm。

3.3 縱梁

縱梁采用箱形等高截面，內高3 500 mm，內寬1 600 mm。上下翼板厚度采用40.28 mm兩種，腹板厚度采用44.32 mm兩種。截面內設置加勁肋及橫隔板，拱腳段根據支座布置及傳力要求加密隔板。除節段拼接頭兩側各1.5 m范圍外，其他區域采用氣密設計，拼接頭下翼緣板設置600 mm×300 mm的進人洞。

3.4 橋面結構

行車道區域橋面設置U形縱肋，根據相關研究橫向間距采用600 mm[8，12-13]；端橫梁采用箱形截面，內寬2 200 mm，內高3 500 mm，板厚32 mm，橋面板兼做頂板。

主.次橫梁均采用倒T形截面。主橫梁腹板為3 500 mm×24 mm，翼緣板為800 mm×32 mm；次橫梁腹板為2 750 mm×20 mm，翼緣板為600 mm×28 mm。橫梁懸挑段端部3 m范圍內采用變高形式，并在橫梁端部沿橋長方向設置波浪造型擋板以加強景觀效果。

3.5 吊桿

吊桿均采用工字形截面，翼緣板厚32 mm，腹板厚20 mm。1號.1′號吊桿采用等高等寬截面，翼緣板寬800 mm，腹板高1 600 mm；其余吊桿縱橫向均進行線形變高，翼緣板寬度由800 mm變至660 mm，腹板寬度由1 600 mm變至1 200 mm。在腹板上設置間距1 800 mm的過風孔，以減小風振效應[14-16]。

3.6 橫撐

橫撐上下弦桿采用箱形截面，兩弦桿間距隨拱肋高度變化，腹桿采用工字形截面。

3.7 梁端牛腿及橫向限位

為適應梁端軌道橫向變形要求，在端橫梁外側設置牛腿作為鄰跨支承[17]，并在端橫梁底板中心設置橫向限位裝置。

3.8 連接設計

從行車安全.施工便利及結構受力方面考慮，全橋除橫撐分段與拱肋的連接.拱肋分段間連接.端橫梁分段與拱腳間連接.縱梁分段頂板連接采用焊接外，其余分段間均采用高強螺栓連接。

3.9 防腐設計

鋼結構外表面采用第7套涂裝體系，內表面除構件氣密空間外均采用第4套涂裝體系。高強度螺栓連接摩擦面采用無機富鋅防銹防滑涂裝[18]。

3.10 指導性施工方案設計

橋址處情況復雜，既有線需進行多次便線導改，從確保運營線路的安全考慮，制定了“先旁位拼裝，再橫移，最后前后導梁配合縱向頂推到位”的施工方案[19-20]。

4 結構計算分析

4.1 計算模型

采用Midas Civil軟件建立模型進行施工階段分析，以最后施工階段的內力作為成橋內力。拱肋.橫撐.縱梁.橫梁及吊桿離散成梁單元，橋面板離散成板單元；橋面板與縱橫梁之間采用彈性連接(剛性)進行模擬，支座采用一般支撐進行模擬，有限元模型見圖4。

圖4 全橋有限元模型

4.2 整體分析結果

(1)梁端轉角：縱梁端部.橋面板中心端部.懸挑車道端部的轉角分別為1.164‰.1.177‰.1.197‰，均滿足規范要求。

(2)撓跨比：結構豎向.橫向撓度及撓跨比檢算結果見表1，表1中數據表明結構豎向.橫向撓跨比均滿足規范要求，結構具有良好的剛度。

表1 簡支拱撓度計算結果

(3)溫度變形：活動端縱向伸縮范圍為-61～69 mm，橫向最外側車道中心伸縮范圍為-8～9 mm，能夠滿足軌道專業要求。

(4)自振頻率：結構一階豎向自振頻率為1.484 Hz，滿足規范要求。

(5)支反力：恒載工況為41 904 kN，活載工況最大為9 279 kN。

(6)主要構件內力：橋面結構為密布橫梁體系，參與主橋整體受力作用較小，簡支拱的主要受力構件為拱肋.縱梁.吊桿，其內力見圖5～圖8。圖中數據表明：

圖5 拱肋軸力

圖6 縱梁軸力

圖7 縱梁彎矩

圖8 吊桿軸力

拱肋基本為軸壓構件，上.下拱肋最大軸壓力分別為34 364.17 723 kN，最大值均在拱腳區域，上拱肋受力約為下拱肋的1.94倍。

縱梁主要為拉彎構件，最大軸拉力為28 861 kN，出現在梁端區域；縱梁彎矩均為正值，最大為16 901 kN·m，出現在距離梁端約11 m區域。

吊桿均承受軸拉力，1號.1′號吊桿力較大，為4 415 kN，其余吊桿受力較為均勻，最大值均在3 390 kN左右。

(7)構件強度檢算：對結構各個部分構件均進行了強度檢算，結果見表2。表2中數據表明結構各個部分受力安全，能夠滿足規范要求。

表2 簡支拱桿件強度檢算結果 MPa

4.3 局部分析結果

縱梁.拱肋在拱腳段落交匯，內部板肋.C肋.環肋.頂梁裝置加勁板等各種加勁肋板較多，構造復雜，受力相對復雜。為確保拱腳段落受力安全，對拱腳建立了精細化有限元模型進行恒載.主力.主力+附加力等多工況的局部受力分析，最不利工況受力結果見圖9.圖10，從圖9.圖10可得以下結論。

圖9 拱腳等效應力云圖1

圖10 拱腳等效應力云圖2

(1)拱腳區域傳力途徑較為明確，上拱肋受力相對較大。除支座區域的加勁肋板受力較大外，其他區域的加勁肋板受力相對較小。

(2)在各種工況作用下，拱腳分段在縱梁底板支座區域存在局部應力集中現象，最大有效應力為263 MPa，但區域很小；其他區域受力相對均勻，最大約為165 MPa，拱腳受力安全。

5 創新點及技術難點

(1)通過對車輛的出入站時段.車站運營調度方案等參數進行綜合分析，確定了六線拱橋的活載加載方式及折減系數等關鍵設計參數。

(2)針對六線超寬橋面，采用兩拱間通行四線，兩拱外側懸挑兩線的橋面布置方案，減小了橋面結構的橫向跨度和拱肋的側移效應，改善了結構的受力狀態。

(3)在端橫梁外側設置牛腿作為鄰跨支承，并在端橫梁底板中心設置橫向限位裝置，解決了梁端多線軌道的變形適應性問題。

(4)采用了不銹鋼復合鋼板作為橋面板，并在其上直接鋪設道砟，不再設置混凝土道砟槽板，有效減小了二期荷載，減少了工程投資。

(5)采用了先拼裝.后橫移.再頂推到位的施工方案，頂推時采用前后導梁設計，有效地適應了復雜現場邊界條件，并保證了結構安全。

6 結語

該橋是我國乃至世界上首座六線鐵路簡支鋼箱拱橋，經過大量的比選研究，確定了“拱間通行四線，兩拱外側懸挑兩線”的簡支疊合拱橋的結構體系及活載加載組合，改善了結構的受力狀態；梁端采用橫向限位及牛腿構造與鄰跨銜接，解決了多線軌道梁端變形適應性問題；主橋采用自重輕盈的鋼結構及步履頂推的施工方案，有利于高烈度震區下部結構的抗震設計及復雜橋址的快速化.模塊化.環保化施工；結合橋址周邊環境對主橋開展了景觀設計，實現了結構美觀和受力合理的和諧統一。該橋的設計建設將為我國多線鐵路橋梁的建造和發展提供多方面的經驗參考。