張付賓,李 輝
(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)
隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施的不斷發(fā)展和地鐵線路的不斷完善,連接中心城區(qū)和遠(yuǎn)郊區(qū)縣或外圍重要交通樞紐的線路將日益增多。特點(diǎn)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(nèi)地鐵經(jīng)過多年的建設(shè),對(duì)于時(shí)速120 km以下的線路有著較為成熟的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)營實(shí)例,結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系研究及應(yīng)用都比較充分,國內(nèi)關(guān)于軌道交通的設(shè)計(jì)規(guī)范也大多是針對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)速小于120 km的線路。對(duì)于設(shè)計(jì)時(shí)速大于120 km的軌道交通項(xiàng)目,目前尚無較為明確的設(shè)計(jì)規(guī)范,應(yīng)用實(shí)例較少。
北京軌道交通大興國際機(jī)場(chǎng)線是連接中心城與新機(jī)場(chǎng)的軌道交通線路,線路途經(jīng)大興、豐臺(tái)兩個(gè)行政區(qū)。
大興國際機(jī)場(chǎng)線設(shè)計(jì)時(shí)速160 km,是國內(nèi)城市軌道交通設(shè)計(jì)時(shí)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(jī)場(chǎng)高速公路、團(tuán)河路、地下綜合管廊等四層共構(gòu)形式。本工程設(shè)計(jì)在城市軌道交通相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上,結(jié)合相關(guān)城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范,對(duì)橋面布置,橋式方案,32 m、24 m系列預(yù)應(yīng)力混凝土雙線并置組合簡(jiǎn)支箱梁,與簡(jiǎn)支箱梁匹配的獨(dú)柱橋墩,共構(gòu)段兩墩柱和四墩柱橋墩,共構(gòu)段節(jié)點(diǎn)橋梁、抗震分析等進(jìn)行設(shè)計(jì)研究,形成了一套與設(shè)計(jì)時(shí)速匹配的設(shè)計(jì)成果應(yīng)用到本項(xiàng)目中。
正線數(shù)目:雙線,線間距5.0 m;
最小曲線半徑:1 000 m;
設(shè)計(jì)速度:160 km/h;
設(shè)計(jì)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(wǎng)供電,橋面設(shè)接觸網(wǎng)立柱;
抗震設(shè)防烈度:8度;
聲屏障:直立式和半封閉式,全線預(yù)留直立式聲屏障基礎(chǔ)。
為順應(yīng)工業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展,并保證施工質(zhì)量,國內(nèi)城市軌道交通高架區(qū)間橋梁大多采用簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)、預(yù)制架設(shè)施工。對(duì)于T梁、箱梁、槽形梁等上部結(jié)構(gòu)形式,無論從學(xué)術(shù)研究[2-4]還是工程實(shí)踐,箱梁由于具備外形整潔、整體性好,對(duì)線路適應(yīng)性強(qiáng),便于施工等特點(diǎn)應(yīng)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(jié)構(gòu)形式結(jié)合沿線地形地貌,交通狀況,線路特點(diǎn)(線間距、道岔設(shè)置),區(qū)間長度等因素來確定。在北京市軌道交通建設(shè)中,北京首都機(jī)場(chǎng)線和亦莊線采用整孔箱梁,其他線路高架橋上部結(jié)構(gòu)采用雙線并置小箱梁。
本線設(shè)置兩個(gè)梁場(chǎng),高架范圍內(nèi)有10條高壓線需要遷改,工期存在不確定因素。如上部結(jié)構(gòu)采用整孔箱梁,由于梁重580 t,梁寬11.4 m,地面運(yùn)輸和吊裝作業(yè)非常困難,須在橋上進(jìn)行運(yùn)輸架設(shè),由于高壓線遷改的不確定性,一旦存在斷點(diǎn),將直接影響全線的運(yùn)架梁作業(yè)。雙線并置小箱梁?jiǎn)纹畲罅褐?59 t,梁寬5.2 m,運(yùn)輸和架設(shè)方式更為靈活,能夠?qū)⒏邏壕€遷改對(duì)工期的影響降到最低。
經(jīng)過比選,本線上部結(jié)構(gòu)采用運(yùn)輸方式更加靈活,對(duì)運(yùn)架設(shè)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(duì)比
橋梁跨度選擇與設(shè)計(jì)時(shí)速、荷載、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、跨越能力、施工難易程度等相關(guān)。國內(nèi)鐵路橋梁大多采用32 m跨度[7],梁高根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)速大小有所不同。軌道交通橋梁大多采用30 m跨度,對(duì)應(yīng)梁高大多為1.8 m。實(shí)踐表明,軌道交通橋梁跨度和梁高是比較適宜的,經(jīng)濟(jì)上也是合理的[11],與設(shè)計(jì)時(shí)速也是匹配的。結(jié)合鐵路和軌道交通橋梁常用跨度現(xiàn)狀,主要考慮32 m和30 m兩種跨度。經(jīng)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(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)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(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)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(duì)下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(chǔ)的數(shù)量,經(jīng)測(cè)算可減少8%,經(jīng)濟(jì)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(shù),有利于保證區(qū)域內(nèi)規(guī)劃協(xié)調(diào)統(tǒng)一,橋墩布置不至于凌亂,景觀效果好。
(4)計(jì)算分析結(jié)果表明,設(shè)計(jì)時(shí)速160 km時(shí),兩種跨度梁高采用2.0 m動(dòng)力性能優(yōu)于1.8 m。采用32 m跨時(shí),橋梁的動(dòng)力響應(yīng)在容許值以內(nèi),列車豎、橫向振動(dòng)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(dá)到規(guī)定的“良好”標(biāo)準(zhǔn)以上。
橋面布置遵循功能齊全,布置緊湊,節(jié)能環(huán)保原則。滿足軌道、供電、通信、信號(hào)、照明、防噪等專業(yè)的功能需求。橋面布置應(yīng)充分利用橋上空間,布局緊湊、整潔,結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)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(shè)計(jì)對(duì)電纜支架方案、電纜槽方案、疏散平臺(tái)布置等分別進(jìn)行了比較,比較結(jié)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(diǎn):
線間距5.0 m;
強(qiáng)、弱電分開布置;
接觸網(wǎng)供電;
接觸網(wǎng)立柱布置于整體橋面上;
橋面采用中間排水方式。
結(jié)合上述特點(diǎn),最終確定采用電纜槽方案和橋面中間設(shè)置疏散通道方案,橋面寬度分別為11.0 m(共構(gòu)段)和11.4 m(非共構(gòu)段)。
本線共構(gòu)段和非共構(gòu)段橋梁橋面布置如圖3、圖4所示。
圖3 非共構(gòu)段橋面布置(單位:mm)
圖4 共構(gòu)段橋面布置(單位:mm)
5.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
箱梁結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土雙線組合箱梁,采用兩榀預(yù)制單箱單室箱梁并置組合構(gòu)成。橋面寬度分別為11.0 m(共構(gòu)段)和11.4 m(非共構(gòu)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(yù)制梁體混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50,現(xiàn)澆段采用C50補(bǔ)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(shè)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(xiàn)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(chǔ)的設(shè)置。支座中心線至梁端為0.45 m。單片梁最大質(zhì)量為259 t。
圖5 單片小箱梁截面(單位:mm)
5.1.2 預(yù)應(yīng)力體系及布置
鋼絞線采用符合GB/T5224—2014《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的高強(qiáng)度低松弛φ15.20 mm鋼絞線,抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1 860 MPa,彈性模量Ep=1.95×105MPa。
各種跨度梁預(yù)應(yīng)力筋采用相同的橫向布置,鋼束橫向布置見圖6,預(yù)應(yīng)力筋在梁端部布置一致,順橋向僅在跨中位置調(diào)整鋼束直線段長度。
圖6 預(yù)應(yīng)力筋橫向布置(單位:mm)
5.1.3 吊點(diǎn)布置
為解決吊梁時(shí)梁端截面內(nèi)側(cè)混凝土易開裂的問題,對(duì)吊孔的數(shù)量和布置進(jìn)行了研究。經(jīng)計(jì)算分析采用8吊孔方案,吊孔相對(duì)箱體對(duì)稱設(shè)置,吊孔處頂板底設(shè)楔塊作為吊裝鋼板工作平臺(tái)(圖7)。本方案吊裝時(shí)在箱梁頂板及腹板內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的橫、豎向應(yīng)力最小,施工方便,可操作性強(qiáng)。
圖7 簡(jiǎn)支梁吊點(diǎn)布置(單位:mm)
非共構(gòu)段橋墩墩型選擇主要考慮以下因素:結(jié)構(gòu)安全,滿足受力和功能需要;外形美觀,與周圍環(huán)境和上部結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào);施工方便,工藝成熟,便于質(zhì)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(guān)景觀設(shè)計(jì)研究[14]并經(jīng)過比選,本線采用獨(dú)柱墩,矩形截面,截面尺寸根據(jù)墩高不同而變化,截面四角設(shè)圓弧倒角過渡。橋墩正面設(shè)置凹槽,便于排水管的設(shè)置。墩頂寬度為7.7 m,墩頂側(cè)面設(shè)置斜坡,與簡(jiǎn)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)??v向尺寸根據(jù)上部簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)荷載和橫向支座間距較大,為滿足受力要求,墩頂設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力鋼束,采用交錯(cuò)單端張拉(圖9)。
圖8 獨(dú)柱墩結(jié)構(gòu)(單位:mm)
圖9 墩頂預(yù)應(yīng)力布置(單位:mm)
路-軌共構(gòu)段跨越現(xiàn)狀和規(guī)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(tǒng)一,節(jié)點(diǎn)橋跨越規(guī)劃道路均采用三跨一聯(lián)連續(xù)鋼混結(jié)合梁結(jié)構(gòu),主跨為40 m,邊跨為24~35 m。鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式,鋼結(jié)構(gòu)高1.7 m。
鋼梁每隔1.7~4.5 m在箱內(nèi)設(shè)隔板、在兩箱之間設(shè)橫梁,為便于結(jié)構(gòu)傳力,橫梁和隔板均在同一位置設(shè)置?;炷翗蛎鎸?1.0 m,板厚0.3 m(圖10)。橋面板混凝土采用現(xiàn)場(chǎng)澆筑。
圖10 鋼混結(jié)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(jì)算結(jié)果見表3。
共構(gòu)墩根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)段,四墩柱適用于高速公路匝道區(qū)。
表3 結(jié)合梁計(jì)算結(jié)果
6.2.1 兩墩柱共構(gòu)墩
兩墩柱共構(gòu)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(wǎng)設(shè)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(shè)圓弧倒角,側(cè)面設(shè)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(shè)計(jì),尺寸為2.2 m×2.4 m,和橋墩相接處中橫梁底面設(shè)置倒角。上橫梁為矩形截面,變高設(shè)計(jì),跨中截面為2.505 m×2.4 m,頂面設(shè)2%排水坡。上橫梁底設(shè)接觸網(wǎng)吊柱,與橋墩相接處設(shè)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(gòu)結(jié)構(gòu)斷面(單位:cm)
中橫梁和上橫梁均采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C50,橋墩混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C45。上橫梁采用兩端張拉,中橫梁采用單端張拉。
共構(gòu)墩施工順序?yàn)椋?/p>
樁基和承臺(tái)施工→支架現(xiàn)澆共構(gòu)橋墩混凝土→張拉中橫梁第一批預(yù)應(yīng)力鋼束→張拉上蓋梁第一批預(yù)應(yīng)力鋼束→架設(shè)軌道梁→張拉中橫梁第二批預(yù)應(yīng)力鋼束→架設(shè)公路梁→張拉上蓋梁第二批預(yù)應(yīng)力鋼束→軌道梁、公路梁橋面施工。
計(jì)算表明,共構(gòu)墩的施工順序影響預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉順序和張拉力,橫梁均需分兩次張拉預(yù)應(yīng)力鋼束。對(duì)應(yīng)于施工順序的上、中橫梁的預(yù)應(yīng)力鋼束布置如圖12所示。
圖12 共構(gòu)結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼束布置圖(單位:cm)
6.2.2 四墩柱共構(gòu)墩
在高速公路匝道區(qū),為適應(yīng)高速公路車道變化以及考慮規(guī)劃團(tuán)河路的布設(shè)情況,設(shè)置四墩柱共構(gòu)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(cè)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(shè)置2%的排水坡(圖13)。
圖13 四墩柱共構(gòu)結(jié)構(gòu)(單位:cm)
四墩柱共構(gòu)結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力鋼束布置及張拉與兩墩柱基本相同。
共構(gòu)結(jié)構(gòu)具有主要質(zhì)量分兩處集中、結(jié)構(gòu)荷載大、結(jié)構(gòu)建筑高度高以及潛在塑性鉸區(qū)域多的特點(diǎn),尤其是橫橋向的抗震危險(xiǎn)性突出。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用基于能力保護(hù)原理的延性抗震體系。
抗震設(shè)計(jì)采用三水準(zhǔn)兩階段設(shè)計(jì)方法,抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防,多遇地震重現(xiàn)期為50年,考慮1.5倍的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。罕遇地震重現(xiàn)期為2475年。抗震設(shè)防目標(biāo)為多遇地震下結(jié)構(gòu)保持彈性,罕遇地震下允許結(jié)構(gòu)發(fā)生有限彈塑性變形,并進(jìn)行能力保護(hù)設(shè)計(jì)。
共構(gòu)墩設(shè)計(jì)潛在塑性鉸區(qū)域如圖14所示,上、下柱頂、底共設(shè)計(jì)8個(gè)潛在塑性鉸區(qū)域,上、下橫梁,墩柱抗剪和基礎(chǔ)為能力保護(hù)構(gòu)件。
圖14 共構(gòu)橋墩的設(shè)計(jì)潛在塑性鉸區(qū)域
北京大興國際機(jī)場(chǎng)線是北京市首條時(shí)速160 km的軌道交通項(xiàng)目,設(shè)計(jì)時(shí)速、線間距、軌道形式、供電制式等標(biāo)準(zhǔn)與常規(guī)軌道交通線路有很大不同。本線高架橋設(shè)計(jì)根據(jù)線路特點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn),對(duì)橋梁橋面布置、簡(jiǎn)支梁體系、橋墩、共構(gòu)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行設(shè)計(jì)研究,為時(shí)速160 km軌道交通高架區(qū)間設(shè)計(jì)提供了工程先例和技術(shù)儲(chǔ)備。本項(xiàng)目首次采用四層共構(gòu)形式,為國內(nèi)目前體量最大,標(biāo)準(zhǔn)最高,功能最全的共構(gòu)體系。共構(gòu)體系能夠節(jié)約土地,最大限度的發(fā)揮土地綜合效益,順應(yīng)了環(huán)境友好、節(jié)能環(huán)保的發(fā)展要求,有著較為廣闊的發(fā)展前景。
北京市大興國際機(jī)場(chǎng)線已于2019年9月26日與北京大興國際機(jī)場(chǎng)同步開通運(yùn)營。