大興機場線共構(gòu)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計研究

張付賓，李圣強

（中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京市 100055）

1 概述

共構(gòu)結(jié)構(gòu)體系一般為路- 軌共構(gòu)，類似于鐵路公鐵兩用橋[1]，公路在上，軌道交通在下。目前國內(nèi)有兩條軌道交通采用共構(gòu)結(jié)構(gòu), 分別為上海軌道交通1 號線與共和新路一體化工程[2-5]（2003年建成）、寧波軌道交通4 號線與北環(huán)路一體化工程[6-10]（2014年建成）。橋墩均布置于道路的中央綠化帶內(nèi)，兩橋墩之間不設(shè)置地面交通，上層公路均為雙向六車道。

大興國際機場線高架區(qū)間全長16.2 km，K16+216.13～K24+107.42 段共計7.9 km 范圍內(nèi)為大興機場高速公路、大興機場線、團河路和地下綜合管廊四層立體敷設(shè)段落，斷面布置如圖1 所示。共構(gòu)體系橋墩為“開”字形結(jié)構(gòu)，分為上、中、下三層。上層供高速公路使用，為雙向八車道。中層供大興機場線使用，設(shè)計時速160 km。地面層橋墩外側(cè)為團河路，一級公路，設(shè)計時速80 km，在兩橋墩承臺基礎(chǔ)之間、地面之下布置有綜合管廊。

圖1 四層立體共構(gòu)體系斷面圖

在高速公路與地面交通互通區(qū)域，適應(yīng)高速公路匝道布置的需要，設(shè)置四墩柱共構(gòu)結(jié)構(gòu)。保持兩墩柱結(jié)構(gòu)尺寸不變，墩柱兩側(cè)各設(shè)上橫梁和墩柱。

2 共構(gòu)結(jié)構(gòu)體系的確定

2.1 方案研究

本工程在下穿京滬高鐵后為大興機場線、高速公路、京雄高鐵共走廊段，三線橫斷面布置影響建設(shè)工期、用地、工程投資等，需進行方案比選，確定推薦方案。寧波北環(huán)路曾就道路和軌道交通工程的布置形式進行分析研究[6]，這里將其作為本方案研究參照之一。

共走廊段重點研究三個方案，分別為：

方案一：平鋪方案，大興機場線位于機場高速西側(cè)，如圖2 所示。

圖2 方案一（單位：m）

方案二：大興機場線位于高速公路路中，如圖3所示。

圖3 方案二（單位：m）

方案三：大興機場線與高速公路共構(gòu)，如圖4 所示。

圖4 方案三（單位：m）

方案四：大興機場線與高速公路、高鐵共構(gòu)，如圖5 所示。

圖5 方案四

方案四對應(yīng)大興機場線與高速公路、京雄高鐵共結(jié)構(gòu)。機場高速位于上層，大興機場線和京雄高鐵平行布置位于中間層。本方案充分利用了高速公路投影用地，占地最省。

方案四雖然占地最省，但是將軌道交通、鐵路、高速公路放在一個結(jié)構(gòu)上，存在協(xié)調(diào)難度大、景觀效果差、后期運營維護困難等特點，鑒于本項目的特點，本方案不列入比選范圍。

2.2 方案比選

上述前三個方案，高鐵工程獨立，且與其他工程距離保持不變。主要研究大興機場線和高速公路工程的布置和相互關(guān)系。上述三種方案均有可實施性，都能滿足功能需要，在占地、工程造價、工期等方面各有優(yōu)缺點。根據(jù)實施規(guī)劃，以11.1 km 長線路結(jié)合項目特點進行綜合比選。

2.2.1 工程占地

由表1 可以看出，方案三征地面積最多可節(jié)省316.35 hm2，征地費最多節(jié)省4.745 億元。

表1 共走廊段工程占地比較

2.2.2 工程投資

由表2 可以看出，方案三（共構(gòu)方案）和方案一（平鋪方案）在工程建設(shè)費上差異較大，在11.1 km的共構(gòu)段非共構(gòu)方案比共構(gòu)方案工程建設(shè)費節(jié)省3.18 億元。方案三根據(jù)新機場高速公路的需要，與地面道路立交互通，橋面加寬，共構(gòu)墩的寬度隨之加大。方案三高速公路立交區(qū)域投資需增加1.5 億元。

表2 工程投資比較

2.2.3 建設(shè)工期比較

方案一施工時互不影響，施工方便。

方案二施工時會相互干擾，需做好組織，協(xié)調(diào)要求和難度較大。

方案三施工時高速公路梁體需橋墩施工完方可施工，高速公路和軌道交通梁體架設(shè)需做好協(xié)調(diào)，施工時序較為明確。

2.3 方案確定

方案三在占地方面優(yōu)勢最大，征用土地費用可節(jié)省4.745 億元。在工程投資方面，共構(gòu)結(jié)構(gòu)多花費4.68 億元。建設(shè)工期方面，方案三比其他方案慢2～3 個月。

采用方案三可顯著節(jié)約土地資源，土地綜合利用率最大化，能夠帶來更好的社會效益和經(jīng)濟效益。建設(shè)后期，共走廊范圍內(nèi)布置綜合管廊。如果采用方案一或方案二，均需重新征用土地。方案三可以將綜合管廊布置于共構(gòu)結(jié)構(gòu)投影范圍內(nèi)，無須重新征地。

綜合以上分析研究，部分共走廊段采用路- 軌共構(gòu)方案。

3 共構(gòu)結(jié)構(gòu)方案研究

3.1 共構(gòu)結(jié)構(gòu)斷面確定

共構(gòu)結(jié)構(gòu)在地面以上一般為雙層結(jié)構(gòu)，公路交通在上，軌道交通在下。根據(jù)公路和地面綠化帶寬度，斷面形式為“Y”字形和“H”字形[5-6]。

上海共和新路高架橋墩采用“Y”字形，公路為雙向六車道，寬25.5 m。下墩柱外側(cè)寬度為9.5 m，內(nèi)側(cè)凈寬為6.9 m。上墩柱橋墩采用1∶3 坡度，上下墩柱截面尺寸保持統(tǒng)一。

寧波軌道交通4 號線與北環(huán)快速路共構(gòu)結(jié)構(gòu)橋墩采用“H”字形。北環(huán)快速路為雙向六車道，寬25 m。墩柱外側(cè)寬度為12.0 m，內(nèi)側(cè)凈寬為9.1 m。上下墩柱截面尺寸保持統(tǒng)一。

“Y”字形下墩柱外側(cè)寬度更小，對地面綠化帶寬度要求較低?！癏”字形下墩柱外側(cè)寬度較大，對綠化帶寬度要求高，但對上層公路縱、平面變化適應(yīng)性好。

本線共構(gòu)結(jié)構(gòu)對應(yīng)高速公路為雙向八車道，寬38 m。軌道交通橋面寬度為11.4 m，總體設(shè)計階段考慮在兩墩柱之間設(shè)置規(guī)劃團河路，一級公路，雙向四車道，凈寬需17.0 m。共構(gòu)段占7.9 km，軌道交通和高速公路在共構(gòu)段南北兩側(cè)分離，結(jié)構(gòu)形式需適應(yīng)高速公路縱段和平面的變化。

綜合以上因素，大興機場線共構(gòu)段采用“H”（開）字形斷面。

3.2 設(shè)計規(guī)范研究選用

共構(gòu)結(jié)構(gòu)分別承擔(dān)著高速公路和軌道交通項目，分別對應(yīng)不同的設(shè)計規(guī)范。

高速公路梁采用預(yù)制混凝土小箱梁，簡支結(jié)構(gòu)，橋面連續(xù)，汽車荷載采用公路—Ⅰ級。新機場線采用預(yù)制箱梁，簡支結(jié)構(gòu)；活載采用市域列車活載，8 輛編組。

高速公路和軌道交通設(shè)計分別對應(yīng)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（以下簡稱“公規(guī)”）和《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱“鐵規(guī)”）。前者采用基于“極限狀態(tài)設(shè)計理論”的“荷載系數(shù)法”的設(shè)計方法[3]；后者按“容許應(yīng)力法”設(shè)計。兩種設(shè)計理論有著差異，對于共同承受公路橋梁及地鐵高架荷載的下立柱及基礎(chǔ)，有必要綜合考慮安全性與經(jīng)濟性，對兩種設(shè)計方法加以研究、分析比對。

按照不同工程對應(yīng)的結(jié)構(gòu)位置，各構(gòu)件采用的規(guī)范見表3。

表3 設(shè)計規(guī)范采用

對于下層墩柱、承臺和樁基礎(chǔ)，按照公規(guī)和鐵規(guī)分別進行計算分析。

按照公規(guī)計算下部結(jié)構(gòu)，即按照極限狀態(tài)法設(shè)計。其基本思路是將列車活載（一種特殊車輛與鐵規(guī)中的附加力）作為可變作用考慮，鐵規(guī)中的特殊荷載作為偶然作用考慮。其荷載組合分項系數(shù)按照規(guī)范選取。

按照鐵規(guī)計算下部結(jié)構(gòu)，即按容許應(yīng)力法設(shè)計。其基本思路是將公路活載作為主力活載考慮。

分別對應(yīng)不同荷載組合和系數(shù)的選取，最終計算結(jié)果見表4。

表4 主要計算結(jié)果

計算表明，按鐵規(guī)計算所得配筋率比公規(guī)高約7%，地震力大約6%。結(jié)構(gòu)的剛度、位移均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

通過對比分析可知，按鐵規(guī)計算所得配筋率比公規(guī)高約7%，因此公路梁、上蓋梁、上層墩柱采用公規(guī)設(shè)計，軌道梁、下蓋梁、下層墩柱采用鐵規(guī)設(shè)計。該設(shè)計方案經(jīng)濟可行。

抗震設(shè)計推薦采用《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》計算。

4 雙墩柱結(jié)構(gòu)研究

4.1 截面確定

雙墩柱共構(gòu)橋墩結(jié)構(gòu)截面由地面交通的寬度和凈空，軌道交通限界、梁寬，高速公路寬度共同決定。

共構(gòu)方案確定后，規(guī)劃團河路位于地面層兩墩柱之間，雙向四車道，考慮道路寬度和安全距離，凈寬17 m，凈空5.5 m。建設(shè)過程中，道路移至墩柱外側(cè)，墩柱間寬度保持不變，作為綜合管廊通道。

軌道交通位于中間層，橋?qū)?1.4 m（包括欄板），支座+支撐墊石高0.5 m，梁高2.0 m，軌道高度0.6 m，建筑限界7.25 m，凈空按10.5 m 考慮。

高速公路設(shè)計為雙向八車道，上橫梁寬度為36.5 m。

根據(jù)受力需要，橋墩尺寸橫向?qū)挾葹?.8 m，中橫梁高度為2.2 m，上橫梁高為2.505 m（最高點）。由此，標(biāo)準(zhǔn)雙墩柱共構(gòu)結(jié)構(gòu)的截面尺寸確定：高22.5 m（最?。?，頂寬36.5 m，底寬20.6 m，中橫梁高9.5 m（最?。?。

4.2 上橫梁截面

共構(gòu)橋墩上橫梁寬36.5 m，中間向兩側(cè)設(shè)置橫向排水坡，坡度為2%，截面最高為2.505 m，縱向?qū)挾葹?.4 m。懸臂長7.95 m，變高度，由根部截面高2.65 m 變化為最外側(cè)截面高1.5 m。懸臂和墩柱采用圓弧過渡。上橫梁對應(yīng)24 片公路簡支小箱梁和支座。采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土等級為C50。上橫梁體量較大，考慮實心和空心兩種方案進行比選。

空心方案考慮以下因素：

（1）公路橋梁墊石、混凝土擋塊的鋼筋預(yù)埋和抗震擋塊錨栓預(yù)埋長度。

（2）橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束的布置。

預(yù)應(yīng)力鋼束分為三排，每排4 根。為滿足鋼筋長度和預(yù)應(yīng)力鋼束布置要求，空心橫斷面如圖6 所示。

圖6 上橫梁空心方案

空心設(shè)置范圍為上橫梁兩懸臂根部之間?？招暮蛯嵭姆桨笇Ρ惹闆r見表5。

表5 空心和實心方案對比

采用空心截面可以節(jié)省10%混凝土用量，上部公路梁恒載反力為2230.7 t，上橫梁自重占比為20.4%，空心截面自重節(jié)省重量占比為2.6%，占總荷載（恒載+ 活載）的2%。在成橋狀態(tài)下，上橫梁跨中截面上下緣壓應(yīng)力分別相差1.0 MPa 和1.3 MPa。

采用空心截面可以節(jié)省部分混凝土，減少自重，在相同的預(yù)應(yīng)力鋼束作用下，空心方案有更好的應(yīng)力儲備。但增加施工工序，增加模板，降低工效，綜合效益不顯著。故最終采用方案一（實心方案）。

4.3 施工方案

共構(gòu)橋墩高至少22.5 m，上橫梁重量571.6 t，橋墩高，體量大。上海共和新路曾對施工方案進行分析研究[4，10]。結(jié)合本工程特點對施工方案進行了研究和比選：裝配式和滿堂支架+鋼管支架現(xiàn)澆。

共構(gòu)結(jié)構(gòu)上橫梁進行裝配式方案研究，如圖7所示，墩頂上橫梁段長17.25 m 采用預(yù)制結(jié)構(gòu)，為不對稱截面。預(yù)制段吊重276 t，不平衡彎矩為514.0 kN·m。橋墩最低為22.5 m，需500 t 以上履帶吊設(shè)備，對設(shè)備要求較高，設(shè)備供應(yīng)與工期壓力存在較大的矛盾，經(jīng)濟性沒有優(yōu)勢。

圖7 共構(gòu)結(jié)構(gòu)上橫梁裝配式方案（單位：cm）

支架現(xiàn)澆是比較成熟的施工方案，中橫梁高8.5 m 左右，采用滿堂支架。上橫梁采用鋼管立柱+貝雷梁，在橋墩內(nèi)外兩側(cè)設(shè)兩排鋼管立柱，鋼管頂設(shè)貝雷梁（見圖8）。本方案工藝成熟，搭設(shè)方便，施工靈活，安全可靠，對設(shè)備要求低，經(jīng)濟性較好，在經(jīng)濟性、安全性和適應(yīng)性上有較大優(yōu)勢。

圖8 結(jié)構(gòu)施工支架方案（單位：mm）

4.4 施工順序?qū)Y(jié)構(gòu)的影響

共構(gòu)結(jié)構(gòu)中橫梁和上橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力均采用二次張拉。受工期和現(xiàn)場施工條件影響，梁體分別采用架橋機架設(shè)和履帶吊吊裝方式。架梁作業(yè)方式和工序?qū)Y(jié)構(gòu)帶來不同的影響。

施工順序一：下墩柱及中橫梁施工完成后，張拉中橫梁預(yù)應(yīng)力，架設(shè)軌道梁，然后施工上墩柱及上橫梁，架設(shè)公路梁。

施工順序二：共構(gòu)橋墩整體澆筑完成，部分張拉中橫梁和上橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束后，進行梁體架設(shè)作業(yè)。

兩種工序結(jié)構(gòu)主要截面應(yīng)力情況見表6。

表6 主要計算結(jié)果（成橋階段）

經(jīng)計算分析表明，兩種施工工序?qū)χ袡M梁、上橫梁應(yīng)力影響不大，橫梁應(yīng)力損失最大約0.3 MPa，工序二成橋后橫梁豎向變形相對較小，中橫梁恒載撓度最大相差0.6 mm。

5 四墩柱方案研究

四墩柱結(jié)構(gòu)保持雙墩柱結(jié)構(gòu)型式、尺寸和墩間距不變，在團河路外側(cè)增設(shè)一墩柱和上橫梁，不設(shè)中橫梁（見圖9）。四墩柱上橫梁最寬為58.5 m，墩高與雙柱墩保持一致。

圖9 四墩柱結(jié)構(gòu)方案

本設(shè)計對最外側(cè)兩墩柱和橫梁的連接方式進行研究，考慮兩個方案：支座連接和墩梁固結(jié)。

支座連接是指在外側(cè)墩柱頂設(shè)置橫向活動支座。支座具有調(diào)高調(diào)平功能，墩柱和橫梁通過支座連接。上橫梁在溫度力作用下橫向伸縮不受約束，墩柱和上橫梁之間不會產(chǎn)生附加內(nèi)力。支座豎向的調(diào)高調(diào)平功能，可以解決由于基礎(chǔ)不均勻沉降產(chǎn)生的附加內(nèi)力，使得整個結(jié)構(gòu)的受力特性更接近雙墩柱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)受力更加簡潔。

墩梁固結(jié)是指將外側(cè)墩柱和上橫梁混凝土澆筑在一起，溫度變化、基礎(chǔ)沉降等均會影響整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力，受力特性更為復(fù)雜。

針對上述兩種方案進行計算分析，并對基礎(chǔ)沉降和溫度變化影響進行分析比較，計算結(jié)果見表7。

表7 計算結(jié)果對比 單位：MP a

對比結(jié)果表明，基礎(chǔ)不均勻變位工況下，兩種方案對上橫梁上下緣應(yīng)力影響不大，應(yīng)力最大相差10.3%。受墩頂約束的影響，墩梁固結(jié)方案在墩頂產(chǎn)生最大為1.68 MPa 拉應(yīng)力。溫度力作用下，墩梁固結(jié)方案中上橫梁產(chǎn)生0.99 MPa 拉應(yīng)力，墩頂拉應(yīng)力為1.81 MPa。成橋狀態(tài)下，上橫梁上下緣和墩頂為受壓狀態(tài)，上橫梁最大壓應(yīng)力為9.45 MPa，墩頂最大壓應(yīng)力為5.36 MPa。

兩種方案在各工況下，上橫梁應(yīng)力影響較小，墩梁固結(jié)方案在基礎(chǔ)變位和溫度力作用下，最大會產(chǎn)生2.67 MPa 的壓應(yīng)力，可通過加強配筋等結(jié)構(gòu)措施來減少影響。如采用支座連接方案，運營階段會帶來支座維護等工作，且對景觀不利，故最終采用墩梁固結(jié)方案。

6 結(jié)語

共構(gòu)結(jié)構(gòu)體系節(jié)約土地資源，充分發(fā)揮土地綜合利用水平，本工程共構(gòu)體系采用四層立體敷設(shè)，比以往承擔(dān)了更多的功能，其應(yīng)用在國內(nèi)尚屬首次。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、工程體量、結(jié)構(gòu)難度均在國內(nèi)領(lǐng)先。

本工程還根據(jù)線路敷設(shè)情況設(shè)計四墩柱結(jié)構(gòu)，共構(gòu)體系的應(yīng)用取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。