城市快速通道跨越鐵路大型編組站橋梁方案比選研究

周　繼，張曉江，田　芳

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢　430063)

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城市快速通道跨越鐵路大型編組站橋梁方案比選研究

周繼，張曉江，田芳

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢430063)

摘要：鄭州市農(nóng)業(yè)路快速通道工程上跨鄭州北鐵路編組站30余股道線及京廣鐵路，同時橋下既有道路下穿鄭州北編組站。橋址處密布框架橋、公路橋，橋梁建設(shè)的可行性墩位少，施工方案影響橋梁方案。研究并選擇合理的橋梁方案對本工程十分必要。通過對橋址處多個可行性墩位的研究，選擇合理的施工方案和孔跨布置方案，進(jìn)而確定4個橋梁方案，再從鐵路安全、技術(shù)、工期、經(jīng)濟(jì)等方面對橋梁方案進(jìn)行詳細(xì)的分析比較，推薦合理的橋梁方案。比選結(jié)果表明：(126+200+126) m雙塔斜拉橋為推薦橋梁方案，該橋梁方案的研究過程及方法可為同類型涉鐵工程設(shè)計提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：鐵路編組站；斜拉橋；橋梁方案；可行性墩位；施工方案

1工程概況

鄭州北編組站始建于1963年，是亞洲最大的列車編組站。該站南北長6 000余m、東西寬800余m，占地5.3 km2。它縱連京廣鐵路線，橫接隴海鐵路線，是我國溝通南北、連接?xùn)|西的交通要沖，素有鐵路“心臟”之稱。

新建農(nóng)業(yè)路快速通道工程在既有農(nóng)業(yè)路上方，沿其走向，上跨鄭州北編組站和京廣鐵路之后，接京廣快速路沙口互通。快速通道跨越區(qū)段位于站場咽喉區(qū)，共有30余條股道，鐵路運營繁忙。

1.1橋址概況

橋址處建筑物較多，且多為鐵路功能性用房。既有農(nóng)業(yè)路現(xiàn)狀為雙向6車道，下穿鄭州北編組站及京廣鐵路區(qū)間范圍建設(shè)有多座框架橋和公路橋，交通繁忙。合理的橋梁方案將是本工程亟需解決的首要問題。

1.2建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

(1)道路等級：城市快速路。

(2)設(shè)計速度：60 km/h。

(3)設(shè)計荷載：城-A級[1]、雙向10車道。

(4)最小凈空：

地面道路≥5.0 m；

鄭州北編組場≥7.96 m(考慮雙層集裝箱[2])；

京廣鐵路≥7.96 m[3](考慮雙層集裝箱)。

(5)平面：直線。

(6)縱斷面：≤4%縱坡。

2橋式方案比選

施工方案決定跨線橋梁的橋式方案[4]。上跨鐵路橋梁施工方法中，較易被鐵路局批準(zhǔn)的施工方法主要有頂推[5]、轉(zhuǎn)體、懸灌和支架拼裝施工，施工方案各有優(yōu)缺點。由于本工程在既有農(nóng)業(yè)路上方，可供轉(zhuǎn)體施工的橋墩位置不理想，且本橋轉(zhuǎn)體半徑約95 m左右，懸臂長度較長，施工時其主梁平行側(cè)與鐵路線沖突，同時既有建筑較多，道路左側(cè)存在一個既有水塔，對建筑和鐵路的影響很大，因此轉(zhuǎn)體施工方案不可行。此外由于鄭北編組站鐵路線密集，可供選擇的支架搭設(shè)及掛籃施工空間十分有限，故懸灌和支架拼裝不能完全適用，本橋主推頂推法施工，其他施工方法必要時輔助施工。

2.1設(shè)計方案(圖1)

根據(jù)鄭北編組站現(xiàn)狀、規(guī)劃情況，考慮新建橋墩基礎(chǔ)與既有鐵路的安全距離，橋址范圍內(nèi)存在7個墩位。依據(jù)橋墩位置與地理環(huán)境的特點，共分5類可行性墩位。其中可行性墩位1和墩位5間距452 m，可行性墩位3距離可行性墩位1和墩位5的距離均為226 m，可行性墩位2和墩位4最遠(yuǎn)間距約200 m。

圖1　可行性墩位平面

兩個邊墩位置(墩位1、5)受到鐵路線和既有建筑的限制，可行性位置已基本固定，據(jù)此主橋橋長定為452 m。同時根據(jù)邊跨比盡量采用0.50～0.60比例的原則，孔跨布置方案1：(126+200+126) m。

編組站中部區(qū)域鐵路線相對較少，具有一定的施工場地條件和靈活的立墩條件。據(jù)此在中跨200 m范圍充分考慮此因素，孔跨布置方案2：126 m+(40+2×60+40) m+126 m。

為盡量減少對鐵路編組站作業(yè)的影響，在編組站范圍內(nèi)利用可行性墩位3的位置，僅設(shè)置1個墩?？卓绮贾梅桨?：(226+226) m。

快速通道下方為既有農(nóng)業(yè)路，兩側(cè)空地有限，鐵路功能性建筑物較多，橋梁方案主要受施工方案的控制，同時考慮跨鐵路橋梁的安全、工期、經(jīng)濟(jì)及景觀等綜合因素，推薦斜拉橋橋型，以下研究出4種橋梁方案：雙塔斜拉橋[6]，矮塔斜拉橋，獨塔斜拉橋，斜塔斜拉橋與梁橋組合結(jié)構(gòu)。

2.1.1雙塔斜拉橋方案(圖2)

本方案為(126+200+126) m雙塔雙索面斜拉橋，采用鋼箱梁主梁，鋼筋混凝土H形橋塔，全橋共設(shè)40對斜拉索，結(jié)構(gòu)體系為半漂浮體系[7]。

圖2　雙塔斜拉橋方案(單位:m)

(1)主梁(圖3)

鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長為9 m，采用雙主梁整幅截面形式，梁高3.5 m，總箱寬48.3 m(不含風(fēng)嘴)。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段縱向每3 m設(shè)一道中橫隔梁，箱室隔板每9 m設(shè)一道，鋼箱梁頂板板厚采用16 mm，底板14 mm，橫隔板厚度14 mm。頂板、底板及腹板均設(shè)置縱向加勁肋，其中頂、底板采用U形肋，頂板肋高280 mm，布置間距600 mm，底板肋高200 mm，間距800 mm；腹板采用U形肋，間距600 mm。

圖3　主梁橫斷面(單位:cm)

(2)橋塔

橋塔采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橫向為雙柱式，承臺頂高程置于編組站現(xiàn)狀地面以下，橋面以下塔柱高度分別為15.4 m和19.2 m，橋面以上塔高50 m。

上塔柱作為索錨區(qū)采用整體矩形空心截面，截面順橋向長度5.0 m，橫橋向?qū)挾?.0 m，縱橫向壁厚為1.2 m；斜拉索錨固點對稱于塔柱中心線設(shè)置，采用混凝土齒塊進(jìn)行錨固；為了承受斜拉索巨大的拉力，索塔錨固區(qū)截面設(shè)置環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束。鋼束彎曲半徑1.5 m，鋼束規(guī)格采用12-Фs15.2 mm鋼絞線，布置間距約35cm。

(3)斜拉索

斜拉索為平行雙索面，共40對，為熱擠聚乙烯雙層護(hù)套的高強(qiáng)度平行鋼絲拉索，公稱直徑φ7 mm，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 670 MPa、成品索彈性模量E≥1.96×105MPa的Ⅱ級松弛鍍鋅平行鋼絲拉索。斜拉索于塔頂張拉，錨點間距1.2 m，拉索錨固于主梁上。雙塔對稱斜拉橋方案拉索長度15.0～100.5 m，斜拉索傾角27°，主梁上索間距9 m。斜拉索的兩端均采用冷鑄錨(張拉端錨具)，施工時在索塔內(nèi)張拉。

(4)施工方法

①于小里程側(cè)搭設(shè)頂推平臺，施工橋塔下部及各橋墩，拼裝鋼箱及導(dǎo)梁，向大里程側(cè)頂推，直到全梁頂推完成；②拆除導(dǎo)梁，落梁至設(shè)計高程，吊裝鋼箱風(fēng)嘴等附屬設(shè)施；③施工橋塔剩余部分及斜拉索張拉，拆除所有支架及臨時設(shè)施，施工二期恒載，完成施工。

2.1.2矮塔斜拉橋方案(圖4)

本方案為(126+200+126) m矮塔混合梁斜拉橋，主梁在左右靠近主墩共80 m范圍采用預(yù)應(yīng)力混凝土主梁，其余邊跨及中跨部分采用鋼箱梁，橋塔采用H形橋塔，塔高跨比為0.125，橋塔均采用混凝土結(jié)構(gòu)，斜拉索采用扇形布置，共36對。結(jié)構(gòu)體系為塔梁固結(jié)，墩塔分離[8]。

圖4　矮塔斜拉橋方案(單位: m)

(1)主梁(圖5)

主梁采用混合梁，混凝土梁采用雙主梁截面，邊梁采用單箱雙室截面，在斜拉索錨固位置處設(shè)橫隔梁，橫隔梁厚度為40 cm，間距6 m。箱梁頂?shù)装搴穸葹?8 cm；邊腹板同時作為斜拉索錨固區(qū)厚度為225 cm，中室腹板厚50 cm，腹板設(shè)置位置與鋼箱梁腹板對應(yīng)?；炷料淞毫焊哂蓸蛩幍? m漸變?yōu)?.5 m。鋼箱梁截面構(gòu)造同雙塔斜拉橋方案鋼箱梁截面。

圖5　混凝土主梁橫斷面(單位:cm)

(2)橋塔

主塔高25 m，上塔柱作為索錨區(qū)采用整體方形實心截面[9]，兩邊箱順橋向長度5.0 m，橫橋向?qū)挾?.0 m，斜拉索錨固采用穿絲管。

(3)鋼混結(jié)合段(圖6)

圖6　鋼混結(jié)合段構(gòu)造(單位:mm)

鋼混結(jié)合段總長度5.4 m，其中鋼混接頭長度2 m，接頭傳力體系采用填充混凝土后承壓式。

鋼箱梁節(jié)段端部設(shè)置多格室結(jié)構(gòu)，在隔室中填充混凝土，通過格室鋼板與混凝土的摩擦力、鋼板與混凝土面直接承壓來傳遞軸力、剪力和彎矩。鋼格室腹板上設(shè)置PBL鍵以提高鋼混結(jié)合段的延性。為了使鋼箱梁與混凝土箱梁結(jié)合緊密，采用預(yù)應(yīng)力鋼筋(鋼絞線)進(jìn)行連接。考慮填充混凝土應(yīng)力分散必要的面積、格室內(nèi)焊接空間、構(gòu)件加工制作可行性等因素，鋼格室高度取646 mm。

為了使鋼箱梁節(jié)段截面特性逐漸過渡，鋼梁頂板、底板U形加勁肋設(shè)置倒T形加勁板進(jìn)行過渡，截面過渡段長度3.4 m。

(4)斜拉索

斜拉索為扇形布置，每個塔柱共設(shè)9對鋼絞線拉索，梁上索間距[10]為6.0 m。塔上豎向索距為 1 m，由事先加工的導(dǎo)向鞍座進(jìn)行控制。斜拉索通過單根轉(zhuǎn)向鋼管(索鞍)穿過索塔，在塔的進(jìn)出口處采用短分絲管(又稱定位圈)結(jié)構(gòu)形式。

(5)施工方法

①施工各橋墩、臨時支墩、跨中鋼支架及頂推平臺，封閉掛籃[11]對稱懸灌混凝土梁段；②于小里程支架上拼裝梁段，安裝導(dǎo)梁，頂推完成鋼箱梁至與混凝土主梁合龍，支架拼裝跨中鋼箱梁；③利用已施工完畢的混凝土箱梁和鋼箱梁，繼續(xù)頂推大里程鋼箱梁；④施工橋塔及斜拉索張拉，拆除所有支架及臨時設(shè)施，施工二期恒載，完成施工。

2.1.3獨塔斜拉橋方案(圖7)

本方案為獨塔雙索面斜拉橋，主橋布置為(226+226) m。橋塔采用H形混凝土橋塔，塔高跨比為0.45，主梁采用鋼箱梁，斜拉索采用扇形布置。梁高3.5 m，鋼箱梁截面構(gòu)造同雙塔斜拉橋方案鋼箱梁截面。全橋共設(shè)48對斜拉索，結(jié)構(gòu)體系為半漂浮體系。

圖7　獨塔斜拉橋方案(單位:m)

(1)橋塔

主塔總高126 m，橋面以下塔柱高度25.5 m，橋面以上塔高100.5 m。

上塔柱作為索錨區(qū)采用矩形空心截面，截面順橋向長度5.0 m，橫橋向?qū)挾?.5 m，縱橫向壁厚為1.2 m；斜拉索錨固點對稱于塔柱中心線設(shè)置，采用齒塊進(jìn)行錨固；為了承受斜拉索巨大的拉力，索塔錨固區(qū)截面設(shè)置環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼束，鋼束彎曲半徑1.5 m，鋼束規(guī)格采用12-Фs15.2 mm鋼絞線，布置間距約35 cm。

(2)斜拉索

斜拉索采用扇形索面，共48對，為熱擠聚乙烯雙層護(hù)套的高強(qiáng)度平行鋼絲拉索，公稱直徑φ7 mm，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 670 MPa、成品索彈性模量E≥1.96×105MPa的Ⅱ級松弛鍍鋅平行鋼絲拉索。斜拉索于塔頂張拉，錨點間距1.2 m，拉索錨固于主梁上。雙塔對稱斜拉橋方案拉索長度73～237 m，斜拉索傾角24°～81°，主梁上索間距9 m。斜拉索的兩端均采用冷鑄錨(張拉端錨具)，施工時在索塔內(nèi)張拉。

(3)施工方法

①于小里程側(cè)搭設(shè)頂推平臺，施工橋塔下部及各橋墩，拼裝鋼箱及導(dǎo)梁，向大里程側(cè)頂推，直到全梁頂推完成；②拆除導(dǎo)梁，落梁至設(shè)計高程，吊裝鋼箱風(fēng)嘴等附屬設(shè)施；③施工橋塔剩余部分及斜拉索張拉，拆除所有支架及臨時設(shè)施，施工二期恒載，完成施工。

2.1.4斜塔斜拉橋+梁橋組合方案(圖8)

本方案共采用三聯(lián)梁，1-126 m斜塔斜拉橋+1-(40+2×60+40) m連續(xù)梁+1-126 m斜塔斜拉橋，全長452 m。126 m斜塔斜拉橋為單跨無背索獨塔斜拉橋，橋塔采用H形橋塔，塔高跨比為0.5，橋塔傾角為70°。主梁及橋塔均采用全鋼結(jié)構(gòu)，斜拉索采用平行布置。(40+2×60+40) m連續(xù)梁采用混凝土結(jié)構(gòu)。約束體系采用塔梁固結(jié)，橋墩處設(shè)置豎向支撐，形成簡支體的獨塔斜拉橋體系?；炷亮喊闯Ｒ?guī)連續(xù)梁約束。

圖8　斜塔斜拉橋+梁橋組合方案(單位:m)

(1)主梁

主梁采用縱橫梁體系，橋面為正交異性板，縱梁布置于橋面兩側(cè)與斜拉索位置相對應(yīng)，縱梁橫向間距43 m，采用焊接鋼箱梁截面。主梁標(biāo)準(zhǔn)段縱梁梁高3.5 m，上、下翼緣板寬度均為3 m。上、下翼板板厚分別為28、32 mm，腹板板厚為20 mm。鋼主梁橫斷面見圖9。

圖9　鋼主梁橫截面(單位:cm)

橫梁為變高度焊接工字形截面，主梁標(biāo)準(zhǔn)段橋中心處梁高3.5 m，上、下翼緣板寬度均為600 mm，上、下翼板板厚分別為36、50 mm，腹板板厚為14 mm。橫梁頂面設(shè)2%雙向橫坡，橫梁布置間距為6.0 m。橫梁與縱梁之間、小縱梁與橫梁之間采用M24高強(qiáng)度螺栓連接。鋼材材質(zhì)均采用Q345qD[12]。

混凝土連續(xù)梁采用雙主梁截面形式，中間利用橫梁連接，邊主梁采用單箱雙室截面，箱梁頂?shù)装搴穸葹?8 cm；中室腹板厚50 cm。橫隔板厚30 cm。梁高由支座處的4 m漸變?yōu)榭缰械?.5 m?；炷林髁簷M截面見圖10。

圖10　混凝土主梁橫截面(單位:cm)

(2)橋塔(圖11)

橋塔采用鋼塔，根據(jù)受力需要，部分節(jié)段灌注混凝土，起壓重和輔助受力作用，截面采用六邊形截面，板厚40 mm，加勁肋厚25 mm，豎向采用5 m一段。

圖11　橋塔橫截面(單位:cm)

(3)斜拉索

每座斜塔斜拉橋含8對斜拉索，斜拉索采用熱擠聚乙烯雙層護(hù)套的高強(qiáng)度平行鋼絲拉索，公稱直徑φ7 mm，抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 670 MPa、成品索彈性模量E≥1.96×105MPa的Ⅱ級松弛鍍鋅平行鋼絲拉索。斜拉索于主梁張拉，錨點間距7 m，拉索錨固于主梁上。

斜拉橋方案拉索長度29～140.5 m，斜拉索傾角25°，主梁上索間距12 m。斜拉索的兩端均采用冷鑄錨(張拉端錨具)，施工時在梁底張拉。

(4)施工方法

①施工各橋墩及臨時支墩，中間地段施工頂推平臺支架；②支架拼裝斜拉橋主梁，安裝導(dǎo)梁，頂推小里程主梁至落梁位置；③支架拼裝斜拉橋主梁，安裝導(dǎo)梁，頂推大里程主梁至落梁位置；④拆除頂推支架，封閉掛籃對稱懸灌混凝土梁段；⑤施工橋塔及斜拉索張拉，拆除所有臨時設(shè)施，施工二期恒載，完成施工。

3方案比選

根據(jù)場地條件，頂推施工方案臨時支墩的設(shè)置，在不影響鐵路編組站正常作業(yè)的情況下，于可行性墩位附近共設(shè)置6個臨時支墩，最大頂推跨度為98 m。經(jīng)計算，結(jié)構(gòu)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。此外，上述4個橋梁方案均通過結(jié)構(gòu)安全計算，方案均可行。

雙塔斜拉橋方案在鐵路編組站內(nèi)僅設(shè)置2個橋塔，大大減少了對鐵路安全和運營的影響，施工便捷，不影響鐵路編組站的正常作業(yè)，施工組織有序可行。

矮塔斜拉橋方案采用混合梁結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)一步降低了梁高，使其在較小的梁高下有更大的跨越能力，同時鋼箱部分可以采用頂推施工，加快了施工進(jìn)度。

獨塔斜拉橋方案在鐵路編組站內(nèi)僅設(shè)置一個橋塔，利用對稱大跨度一次跨越所有鐵路線，對鐵路安全和運營的影響最小。

斜塔斜拉橋+梁橋組合方案充分利用了中跨鐵路線較少，對鐵路干擾小的特點，于中間布置混凝土連續(xù)梁，大大減少了主橋的工程造價，同時采用獨斜塔結(jié)構(gòu)，跨過編組站較大區(qū)域，對跨越鐵路有很好的適應(yīng)性。

各方案優(yōu)缺點比較具體見表1。

表1　各方案優(yōu)缺點比較

4結(jié)論

通過對鄭州農(nóng)業(yè)路上跨鄭州北編組站橋梁方案進(jìn)行充分的技術(shù)比較和安全論證，4個橋梁方案均是合格的備選方案。相對而言，方案1雙塔斜拉橋結(jié)構(gòu)更加合理，體系運用成熟；采用頂推施工，施工方便且風(fēng)險較小，對鐵路和既有建筑的影響小，工期最短；具有較強(qiáng)的技術(shù)先進(jìn)性和良好的經(jīng)濟(jì)性；后期可結(jié)合鄭州文化特點對橋塔景觀性進(jìn)行裝飾美化，突出結(jié)構(gòu)對稱韻律美。因此，推薦采用方案1：(126+200+126) m雙塔斜拉橋。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.CJJ11—2011 城市橋梁設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[2]魏毅強(qiáng).保阜高速公路跨京廣鐵路立交橋梁方案研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013(4)：65-68.

[3]曹全.張涿高速公路臥佛寺連接線永定河大橋方案研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2014，58(1)：72-76.

[4]張池權(quán).上海金山鐵路春申特大橋主橋設(shè)計與施工[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2012(7)：64-68.

[5]張貴明，陳湘林.頂推法施工斜拉橋[J].橋梁建設(shè)，1998(3)：68-71.

[6]周孟波.斜拉橋手冊 [M].北京：人民交通出版社，2003.

[7]范立礎(chǔ).橋梁工程(上、下冊)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[8]羅春林.武九客運專線西南下行聯(lián)絡(luò)線特大橋主橋橋式方案比選[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2015，59(6)：73-79.

[9]楊克鑒，王俊杰.津秦客運專線戴河橋橋式方案設(shè)計[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2007(2)：50-52.

[10]康煒.大西客運專線晉陜黃河特大橋主橋橋式方案比選[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2011(S)：52-57.

[11]左家強(qiáng).太中銀鐵路中寧黃河特大橋橋式方案研究[J].鐵道工程學(xué)報，2013(12)：36-40.

[12]吳沖.現(xiàn)代鋼橋(上冊) [M].北京：人民交通出版社，2006.

Comparison and Research of Urban Expressway Bridge Crossing Over Large Railway Marshalling Yard

ZHOU Ji， ZHANG Xiao-jiang， TIAN Fang

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

Abstract：Nongye road expressway project crosses over the north marshalling yard of more than 30 tracks and Beijing-Guangzhou railway in Zhengzhou， and the existing road under the bridge passes through under the Zhengzhou north marshalling yard. There are many frame bridges and road bridges at the work site and the number of feasible pier location for the bridge is very few， which challenges the construction of the bridge. Thus， it is absolutely necessary to study and choose a reasonable bridge type for the project. The researches on some feasible pier locations and the selection of feasible construction program and span arrangement result in the determination of 4 bridge types， and one reasonable bridge type is recommended after analysis and comparison in terms of railway safety， technology， schedule and economy. The results show that the (126+200+126) m twin tower cable-stayed bridge is the recommended bridge type. The research process and method employed may provide references for the design of similar projects．

Key words：Railway marshalling yard; Cable-stayed bridge: Bridge type; Feasible pier location; Construction program

文章編號：1004-2954(2016)05-0059-05

收稿日期：2015-09-23； 修回日期：2015-11-02

作者簡介：周繼(1986—)，男，工程師， 2011年畢業(yè)于西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院橋梁與隧道工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：435989254@qq.com。

中圖分類號：U448.17

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.013