北京市軌道交通大興線高架橋設(shè)計

王 冰

(中鐵五院集團(tuán)有限公司橋梁設(shè)計院，北京 102600)

1 工程概述

1.1 大興地鐵項目總概況

北京軌道交通大興線工程項目(簡稱大興地鐵)是北京周邊區(qū)域長遠(yuǎn)規(guī)劃發(fā)展的重要組成部分。該工程南起南兆路，北接地鐵4號線的馬家樓站，并與4號線實行貫通運(yùn)營，是北京市軌道交通中的主干線、南北交通大動脈。該工程的建設(shè)將大幅度縮短大興新城與市中心的時間、空間距離，對于整個大興新城的建設(shè)具有十分重大的意義。

該項目線路全長約22.51 km，總投資80億元，沿線共設(shè)11座車站，其中西紅門站為高架車站，新宮(南苑西)站至西紅門站區(qū)間，高架區(qū)段長3 167.12 m，西紅門站至高米店北(五環(huán)路)站區(qū)間，高架區(qū)段長338.86 m。該高架橋區(qū)段為此次工程設(shè)計范圍。

1.2 橋梁工程概況

大興地鐵沿線高架橋共40聯(lián)，包括115個墩臺，結(jié)構(gòu)類型主要有以下幾種:

(1)全線普遍采用的常規(guī)梁跨為雙線3×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，部分區(qū)間跨徑采用2×25 m、2×27 m、2×30 m、3×25 m、3×26 m、3×28 m、(25+30+25)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，共27處;

(2)跨越主要道路采用(30+45+30)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁、(38+58+38)m及(40+64+40)m連續(xù)剛構(gòu)，共7處;

(3)在小角度跨越道路、重要管線或布跨困難時，采用框架式橋墩，共2處;

(4)在施工條件受限時，采用3×30 m鋼混結(jié)合連續(xù)梁，1-45 m鋼混結(jié)合簡支梁，共3處;

(5)跨越京開高速公路采用了(52+85+52)m V形支承鋼混結(jié)合連續(xù)剛構(gòu)橋。

1.3 沿線地形地貌及地質(zhì)情況

大興地鐵高架橋區(qū)間段位于永定河沖洪積扇的中上部，屬于平原地貌，本區(qū)間段沿興華大街行進(jìn)，沿線地形平坦，地面高程相差不大。高架區(qū)內(nèi)無河流。沿線無活動性斷裂，第四紀(jì)覆蓋層厚度大于50 m，場地穩(wěn)定性好，不存在不良地質(zhì)作用和特殊巖土，適宜修建地鐵工程。工程場區(qū)地面以下11～12 m以上以素填土、粉土和砂土為主，以下為分布穩(wěn)定的卵礫石土，偶夾砂土薄層，可作為良好的樁端持力層。本區(qū)段僅在西紅門站至高米店北(五環(huán)路)站區(qū)間存在軟弱下臥層。

本場地抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度為0.20g，在遇地震基本烈度Ⅷ度時，20 m深度范圍內(nèi)的粉土和砂土層均不液化。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)正線數(shù)目:雙線;高架線路直線標(biāo)準(zhǔn)段區(qū)間線間距4.2 m(中間設(shè)疏散平臺)。

(2)軌距:1435 mm，采用60 kg/m鋼軌。

(3)軌道建筑高度:采用減振道床55 cm(含鋼軌高度)。

(4)設(shè)計最高行車速度:80 km/h。

(5)最大坡度:26‰。

(6)最小曲線半徑:400 m。

(7)電動車組:車輛為國產(chǎn)B型4軸電動車組，車輛編組為6輛，軸重14.1 t。

(8)牽引種類:電力。

(9)受電方式:接觸軌上部受電。

(10)橋梁使用年限:100年。

(11)地震烈度:Ⅷ度。

3 橋梁總體設(shè)計原則

3.1 高架橋跨度布置原則

由于大興地鐵高架橋沿線路網(wǎng)發(fā)達(dá)，所跨越的城市道路、公路較多，地下管線密布，在橋梁設(shè)計時，需充分考慮既有及規(guī)劃道路和地下管線的影響，施工對橋下道路的干擾等諸多因素。因此橋梁跨度的布置尤為重要。

(1)大興地鐵高架橋結(jié)構(gòu)形式主要以3×30 m連續(xù)梁為主，除受控制點影響外，盡量按等跨布置，1座橋盡量以同一梁跨布置。1聯(lián)橋一般采用2～3跨，以保證結(jié)構(gòu)具有較好的剛度。

(2)橋梁斜交過路時，盡量采用較大跨度通過，并可通過調(diào)整控制工點跨度，使控制工點以外的孔跨一致，實現(xiàn)設(shè)計施工標(biāo)準(zhǔn)化。

(3)如受凈空限制或施工條件控制時，可采用結(jié)合梁方案，采用吊裝施工或拖拉法施工，能夠最大限度地減少施工對道路正常運(yùn)營的干擾。

(4)跨越一般公(道)路，當(dāng)橋梁與道路交角較小時，且道路旁有較大邊溝，常用跨度不能滿足立交要求，可采用剛構(gòu)連續(xù)梁。

(5)跨路時亦可采用小跨梁配框架墩的橋梁方案來解決小角度立體交叉問題，可滿足道路現(xiàn)狀及規(guī)劃要求，建成后對道路無影響，施工周期短，缺點是美觀性欠佳。

3.2 常用跨度主要橋式方案比選

3.2.1 等高度連續(xù)箱梁

結(jié)合實際工程特點，大興線高架橋常規(guī)橋型采用了較為經(jīng)濟(jì)的、跨度在25～30 m等高度連續(xù)箱梁方案，與簡支箱梁方案相比，具有如下優(yōu)點:

(1)等高度連續(xù)箱梁整體性好，耐久性強(qiáng)，行車舒適，平順性好，有利于改善行車條件;

(2)橋墩處不需要設(shè)置過多伸縮縫，梁長伸展，加上梁高一致，整個橋梁外形簡潔優(yōu)美，線條流暢;

(3)可以大量減少錨具的使用，施工更為方便，同時降低工程費(fèi)用;

(4)采用等高度連續(xù)梁體系，由于在橋墩支點處負(fù)彎矩的存在，使得其跨中正彎矩同簡支梁體系的跨中正彎矩相比顯著減小，這就意味著可以節(jié)省上部結(jié)構(gòu)的材料數(shù)量，減輕梁體自重，也使得下部結(jié)構(gòu)橋墩部分的工程數(shù)量相應(yīng)減少;

(5)采用多孔橋支架立模、現(xiàn)場連續(xù)澆筑的方法施工，較為經(jīng)濟(jì)，能有效加快施工進(jìn)度，橋梁整體性好，結(jié)構(gòu)的耐久性強(qiáng)。

在大興線的設(shè)計過程中，25～30 m非標(biāo)準(zhǔn)跨度的箱梁在小半徑曲線上和控制工點調(diào)整墩位上最為靈活。本線均采用支架現(xiàn)澆法施工，不需要大型施工設(shè)備、不受場地的限制、對現(xiàn)狀公路影響小，也能使得梁體平、立面都能做成圓順的曲線，配合梁底和橋墩的流線形，達(dá)到了很好的景觀效果。圖1為大興線標(biāo)準(zhǔn)箱梁斷面示意圖。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)箱梁斷面示意(單位:cm)

3.2.2 小跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)

小跨度連續(xù)剛構(gòu)是國外高速鐵路積極推廣應(yīng)用的一種橋梁結(jié)構(gòu)形式，在日本新干線上應(yīng)用廣泛。大興地鐵高架橋在特殊地段多采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)方案，與預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁方案相比，具有如下優(yōu)點:

(1)從結(jié)構(gòu)受力方面可以降低梁部支點處的負(fù)彎矩和跨中的正彎矩，減小梁的豎向撓度，降低梁高;

(2)抗震性能好，可以避免大噸位抗震支座以及防震落梁的設(shè)置;

(3)連續(xù)梁的聯(lián)長，受無縫線路的鋪設(shè)條件和固定墩的設(shè)計控制，固定墩和樁基礎(chǔ)尺寸大大加大。采用連續(xù)剛構(gòu)，可由連續(xù)剛構(gòu)墩共同承擔(dān)縱向水平力(制動力和無縫線路的長鋼軌作用力)，減少主墩內(nèi)力，對下部受力及結(jié)構(gòu)尺寸較為有利。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)橋型梁部施工方法

在大興地鐵高架橋設(shè)計過程中，為減少對地面道路交通的影響，縮短施工工期，降低對正常城市生活的干擾，對施工方法做了充分的考慮，相鄰兩聯(lián)連續(xù)梁施工必須先施工預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，然后再施工與其相鄰的鋼混結(jié)合梁，車站結(jié)構(gòu)在梁部結(jié)構(gòu)施工之后施工。

為了保證相鄰預(yù)應(yīng)力混凝土梁能同時施工，本工程預(yù)應(yīng)力梁采用了A型、B型以及AB型3種梁型。A型梁必須先施工，為給后施工的B型梁留出千斤頂張拉空間，A型梁端橫梁腹板之間的混凝土在B型梁張拉完畢后再澆筑。為了保證A型梁鋼束張拉時腹板的穩(wěn)定和強(qiáng)度，在2條腹板間設(shè)橫向聯(lián)系鋼筋或橫梁鋼筋部分不截斷，對于切斷的部分鋼筋，在B型梁每張拉完1束后，按施工規(guī)范要求進(jìn)行焊接，然后再依次張拉其他鋼束(階段一)。B型梁張拉完畢后再澆筑A型梁未澆筑的混凝土(階段二)。如果A型梁的鄰跨不需要張拉空間，取消預(yù)留槽口，A型梁應(yīng)一次澆筑完成。為了滿足沖突情況下的梁的施工，設(shè)計了AB型梁，該梁型一端同A型梁，一端同B型梁，施工方法及順序與A型梁和B型梁相同。詳見圖2。

圖2 梁端預(yù)留張拉槽口示意(單位:cm)

4 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 墩身截面尺寸的確定

本項目屬于城市高架輕軌，對景觀和功能性要求較高，無論采用何種墩型都要體現(xiàn)出線條流暢。再者就是墩身的結(jié)構(gòu)形式、橋墩高度、橫向?qū)挾鹊拇笮蚨栈炷恋嫩毓ち?，縱、橫向剛度都有影響。大興地鐵高架橋因采用無縫線路，橋墩的縱向線剛度還決定著無縫線路長鋼軌的穩(wěn)定性、強(qiáng)度是否滿足自身要求，剛度過小，長鋼軌受力超限，墩身檢算也不容易通過;剛度過大則不經(jīng)濟(jì)。對于橋墩來說，在墩身高度及厚度一定的條件下，橫向?qū)挾茸兓瘜v向剛度的影響遠(yuǎn)小于縱向厚度的變化，為了保證橋墩的合理剛度，綜合考慮墩高及類型，選擇不同截面尺寸。大興地鐵高架橋墩身截面尺寸見表1、表2。

表1 活動墩及聯(lián)間墩墩身尺寸

表2 固定墩墩身尺寸

大興地鐵高架橋橋墩設(shè)計時在滿足最小剛度的情況下盡量采用較小截面，當(dāng)制動墩控制截面尺寸時，適當(dāng)提高混凝土強(qiáng)度，降低截面尺寸，使沿線橋墩尺寸盡量一致或均勻變化，以滿足景觀的要求。

大興地鐵高架橋常用跨度橋梁的橋墩一般采用實體板式墩，與公路夾角較小時采用框架墩。在選擇橋墩形式時，根據(jù)全線特點及墩與梁的協(xié)調(diào)性、統(tǒng)一性，采用單箱單室斜腹板箱梁配“Y”形板式獨(dú)柱墩，為了保證梁底與墩身截面平順銜接，采用圓曲線過渡，同時橋墩正面外側(cè)還設(shè)計了10 cm深的裝飾槽，使橋墩更為美觀，達(dá)到了很好的景觀效果。標(biāo)準(zhǔn)橋墩結(jié)構(gòu)示意見圖3。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)橋墩結(jié)構(gòu)示意(單位:cm)

4.2 基礎(chǔ)設(shè)計

該高架橋區(qū)段地質(zhì)條件較好，標(biāo)準(zhǔn)段基礎(chǔ)采用4根φ100 cm鉆孔灌注摩擦樁。承臺厚度為2.0 m，平面尺寸為5.0 m×5.0 m，基礎(chǔ)埋深一般在0.5～1.0 m，采用明挖法施工，承臺均采用六面配筋?；A(chǔ)設(shè)計需要綜合考慮剛度、長鋼軌縱向力及地震力的影響。特殊工點根據(jù)實際情況需要特殊設(shè)計。

5 抗震設(shè)計原則及方法

根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50111—2006)，在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計計算中，對重要橋梁，在多遇地震作用下，水平地震基本加速度a值應(yīng)乘以重要性系數(shù)1.4，由于本高架區(qū)段位于北京地區(qū)，交通繁忙，客流量大，由此設(shè)計中考慮1.4倍重要性系數(shù)。

本高架區(qū)段位于高烈度地震區(qū)，下部結(jié)構(gòu)按能力保護(hù)設(shè)計原則進(jìn)行抗震設(shè)計。為削弱地震力對樁基礎(chǔ)的不利影響，本工程選擇較為纖細(xì)的墩身構(gòu)造，使墩底形成塑性鉸，設(shè)計時墩身主筋全截面配筋率以不超過4%控制，并通過精細(xì)設(shè)計橋梁墩身塑性鉸區(qū)域內(nèi)的箍筋，利用箍筋來約束混凝土，來大大提高墩身塑性鉸區(qū)域的變形能力，確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件不發(fā)生脆性破壞。但是，一旦結(jié)構(gòu)發(fā)生非延性的破壞模式，如墩身抗剪能力不足，發(fā)生剪切破壞，這時就很難形成預(yù)期的塑性鉸，不能發(fā)揮墩柱的延性能力。因此有必要在非延性破壞模式和設(shè)計的延性破壞模式之間建立一合適的強(qiáng)度限界，以確保結(jié)構(gòu)不發(fā)生非延性破壞。

本工程地震力采用反應(yīng)譜法進(jìn)行計算，通過建立高架橋梁結(jié)構(gòu)空間力學(xué)模型，考慮地基土的約束效應(yīng)，計算分析高架橋的非線性地震響應(yīng)。地震力分別按有車、無車進(jìn)行計算，并與結(jié)構(gòu)重力進(jìn)行最不利組合。有車時，順橋方向由于車輪作用，地面運(yùn)動的加速度很難傳遞于列車，因此縱向不計活載引起的水平地震力;橫橋方向考慮車架有彈簧，對橫向振動有一定的消能作用，而且地震的主要震動方向不一定與橫向一致，因此橫向只計入50%活載引起的地震力。

由于本線地震烈度較高，在設(shè)計中加強(qiáng)抗震能力分析，對鋼筋混凝土橋墩進(jìn)行罕遇地震作用下的延性設(shè)計，根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50111—2006)附錄F所示的簡化計算方法，對橋墩結(jié)構(gòu)的非線性位移延性比進(jìn)行驗算。對于剛構(gòu)橋等特殊工點下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行最大位移分析，運(yùn)用Midas建立有限元計算模型，在橋墩墩頂、墩底部分范圍內(nèi)設(shè)置FEMA塑性鉸，采用在墩頂施加集中力的側(cè)向荷載模式進(jìn)行Pushover分析計算，得到基底剪力與墩頂控制位移的關(guān)系曲線，將能力曲線(基底剪力-墩頂位移關(guān)系曲線)轉(zhuǎn)化為能力譜，建立結(jié)構(gòu)需求譜曲線，得到性能點及屈服位移，驗算橋墩結(jié)構(gòu)的非線性位移延性比。

6 設(shè)計中注意的問題

本線特殊橋型如連續(xù)剛構(gòu)，其下部結(jié)構(gòu)承受較大的水平力作用 (溫度力、收縮徐變、制動力、長鋼軌的縱向力、斷軌力、地震力以及汽車的撞擊力)，如果墩身剛度設(shè)計過大，墩底承載能力很難計算通過，對梁部的受力也較為不利。大興地鐵高架橋多座連續(xù)剛構(gòu)計算分析表明，往往梁部受力不控制設(shè)計，而墩身截面尺寸、配筋及基礎(chǔ)設(shè)計成為連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計的控制關(guān)鍵所在，可通過改變體系轉(zhuǎn)換順序、合龍前施加推力、調(diào)整合龍溫度等方式優(yōu)化墩身截面內(nèi)力，減小或抵消混凝土收縮、徐變對主墩產(chǎn)生的次內(nèi)力的不利影響。

本線為無縫線路，荷載組合較多，加上孔跨式樣繁多，基礎(chǔ)情況差別較大，部分區(qū)段位于小半徑曲線上，使得設(shè)計難度加大，設(shè)計中很難統(tǒng)一，工作量增多。于是利用高效配套設(shè)計軟件進(jìn)行批量計算分析成為提高高架輕軌設(shè)計效率的關(guān)鍵。

7 結(jié)語

我國目前在建和擬建的城市軌道交通線路越來越多，地鐵高架橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計在很多方面都不同于公路橋和鐵路橋，如受載方式、橋梁的變形允許范圍等均有它自身的特點。本線設(shè)計時充分考慮了其結(jié)構(gòu)特點，在選擇橋型時根據(jù)適用、美觀、經(jīng)濟(jì)合理以及設(shè)計施工的難易程度等因素進(jìn)行了綜合分析，以確定最終工程實施方案，并對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了充分的研究。由于目前國內(nèi)還沒有軌道交通高架橋梁的設(shè)計規(guī)范，所以具體設(shè)計時還存在一些問題亟待解決。

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