高速公路上跨鐵路橋梁設(shè)計研析討論

步文韜

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102627）

1 工程概述

某高速公路設(shè)計速度100 km/h；設(shè)計荷載：公路-Ⅰ級；標準路面橫坡：雙向2%；標準路基斷面：[0.75 m（土路肩）+3.0 m（硬路肩）+2×3.75 m（行車道）+0.75 m（路緣帶）+1.0 m（中央分隔帶）]×2=26.0 m；橋梁設(shè)計安全等級：一級。該鐵路西起黑龍江省綏化市，東至黑龍江省佳木斯市，為非電氣化鐵路，設(shè)計速度120 km/h（客），90 km/h（貨），線間距4.6 m，為有砟軌道，是一條重要鐵路運輸線，于1941年11月建成通車。公路與鐵路交叉處鐵路為路基段，路基填高約3 m，鐵路里程約K93+100，公路里程約K1+878.800，交角為74°。

2 高速公路上跨鐵路橋梁設(shè)計原則

2.1 確保鐵路運營安全

橋梁結(jié)構(gòu)上跨鐵路時，需首先考慮如何盡可能減少對鐵路的影響，根據(jù)《國鐵集團工電部關(guān)于加強穿（跨）越鐵路營業(yè)線和鄰近營業(yè)線工程方案等審查和施工安全管理的通知》（工電橋房函〔2020〕48號）中的橋梁施工應(yīng)優(yōu)先采用轉(zhuǎn)體施工方案，本工程采用T構(gòu)先順鐵路方向支架現(xiàn)澆梁體，再平面轉(zhuǎn)體跨越鐵路。同時，考慮到支架現(xiàn)澆側(cè)工程規(guī)模大，施工時間長，如支架傾覆或者掉落雜物，可能影響鐵路運營安全，故對T構(gòu)主墩位置，現(xiàn)澆時，使梁邊緣距離鐵路限界邊緣（限界中心向外偏移2.44 m）的水平距離等于橋面與地面的距離，使現(xiàn)澆梁體時結(jié)構(gòu)盡可能遠離鐵路。

2.2 技術(shù)先進原則

高速公路上跨鐵路橋梁設(shè)計在因地制宜的基礎(chǔ)上，必須堅持技術(shù)先進原則，在橋梁建設(shè)過程中要采用先進的工藝、技術(shù)與設(shè)備，不斷提升橋梁建設(shè)質(zhì)量與效率，推動高速公路上跨鐵路橋梁工程的現(xiàn)代化發(fā)展，為橋梁建設(shè)質(zhì)量的提升奠定基礎(chǔ)[1]。

2.3 經(jīng)濟可行原則

高速公路上跨鐵路橋梁設(shè)計在安全與質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上，還要對成本進行考慮，要求在設(shè)計過程中堅持經(jīng)濟可行原則，就地取材，在方便施工的同時，降低材料成本費用。在此過程中，設(shè)計方案要具有可行性，能為施工提供有效指導(dǎo)，堅持經(jīng)濟可行原則，以最小的成本獲取最大的效益。

2.4 環(huán)境保護原則

近些年，綠色發(fā)展是各行各業(yè)的主要發(fā)展方向，也是節(jié)能減排的重要途徑之一。高速公路上跨鐵路橋梁設(shè)計需堅持環(huán)境保護原則，要從橋位選擇、橋跨布置等方面分析對環(huán)境產(chǎn)生的影響，減少對環(huán)境產(chǎn)生的污染與破壞，確保施工全過程的綠色環(huán)保。過去在高速公路上跨鐵路橋梁的施工過程中，由于設(shè)計不合理，經(jīng)常會出現(xiàn)破壞生態(tài)，污染環(huán)境的行為，但在本設(shè)計中堅持環(huán)境保護原則，對施工時臨時占用的土地進行復(fù)墾，最大限度地降低了施工全過程對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響。

3 高速公路上跨鐵路橋梁設(shè)計方案

3.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

本項目橋梁設(shè)計為雙向四車道，主橋整幅上跨該鐵路，混凝土T構(gòu)作為主橋結(jié)構(gòu)，采取支架現(xiàn)澆、平面轉(zhuǎn)體的施工方法。主梁橫斷面采用單箱三室斜腹板截面，邊支點梁高、中支點梁高分別為2.7 m、6.2 m。箱梁頂板的寬度為29.18 m，橋面設(shè)置雙向橫坡，坡度為2%。箱梁頂板、懸臂端部、根部的厚度分別為0.28 m、0.2 m、0.55 m，底板厚度范圍為0.25~0.9 m，在支點處加厚至1.5 m[2]。

梁體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，采用縱向、橫向雙向預(yù)應(yīng)力體系，采用15-φS15.2 mm及17-φS15.2 mm鋼絞線作為縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，錨具型號分別為M15-15、M15-17；采用15-φS15.2 mm及12-φS15.2鋼絞線作為中、邊隔墻的鋼束，錨具型號分別為M15-15、M15-12；采用4-φS15.2 mm鋼絞線作為橋面板橫向預(yù)應(yīng)力鋼束，錨具型號為BM15-4、BM15-4P，單端采取交錯張拉間距50 cm，錨下張拉控制應(yīng)力為1 339.2 MPa。

3.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

中墩采用空心矩形截面，墩身高7 m，平面尺寸5 m（順橋向）×8.5 m（橫橋向）；基礎(chǔ)采用25根直徑1.5 m的鉆孔灌注樁，交接墩采用四柱式樁柱式橋墩，墩柱直徑1.6 m，樁基采用直徑1.8 m的鉆孔灌注樁。

轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)上下盤、轉(zhuǎn)體支座是組成轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的主要部分。轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)體支座、環(huán)形滑道等需設(shè)置在下轉(zhuǎn)盤上。在完成轉(zhuǎn)體后會與上轉(zhuǎn)盤形成基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)體時，為保持支撐轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)平穩(wěn)，要設(shè)置保險腿，保險腿就是上盤撐腳。轉(zhuǎn)臺對稱的兩個保險腿之間，中心線與上盤縱向中心線在保險腿的受力情況下會重合。撐腳下方設(shè)置滑道，保險撐腳在轉(zhuǎn)體時能夠在滑道內(nèi)滑動，轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)能保持平穩(wěn)。

3.3 施工工藝設(shè)計

在施工過程中，一些管線會對基礎(chǔ)產(chǎn)生干擾，要科學(xué)拆改管線；主橋主墩基坑防護、基礎(chǔ)施工，上下轉(zhuǎn)盤施工并安裝轉(zhuǎn)體系統(tǒng)；上下轉(zhuǎn)盤與主墩墩頂臨時鎖定與固結(jié)。對于支架地基處理，應(yīng)采取換填法處理地基，原土使用一層厚度為20 cm的二灰穩(wěn)定砂礫墊層換填，然后將C20混凝土墊層鋪設(shè)在頂面，墊層厚度為30 cm。澆筑（57+57）m梁體，張拉預(yù)應(yīng)力鋼束；施工防撞護欄及防落物網(wǎng)；在做好稱重與配重之后，進行T構(gòu)轉(zhuǎn)體，對梁體線形進行調(diào)整，轉(zhuǎn)體時間、轉(zhuǎn)體角速度分別為65 min、0.02 rad/min，轉(zhuǎn)體噸位12 000 t。轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的上盤與下盤需做好封固措施；在澆筑邊跨3 m合龍段前，在混凝土強度、彈性模量分別達到95%、設(shè)計值的100%，且梁體混凝土齡期在7 d以上時，張拉預(yù)應(yīng)力鋼束；進行橋面系及附屬工程施工至成橋。

3.4 引橋橋梁設(shè)計

引橋橋梁設(shè)計中小里程側(cè)引橋的右幅、左幅分別采用3×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土（后張）先簡支后連續(xù)小箱梁、預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁+4×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土（后張）先簡支后連續(xù)小箱梁。對于大里程側(cè)引橋設(shè)計，采用的先簡支后連續(xù)小箱梁分別為4×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土（后張）、3×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土（后張）。

引橋箱梁為等高度箱梁，梁高1.6 m，梁高、頂板、底板和腹板厚度分別為160 cm、18 cm、18 cm、8 cm。單片預(yù)制邊梁頂板寬度、底板寬度分別為285 cm、100 cm；單片預(yù)制中梁頂板寬度、底板寬度分別為240 cm、100 cm。橫向布置預(yù)制小箱梁，布置數(shù)量為9片，濕接縫寬度、橋?qū)挿謩e為83.5 cm、29.18 m。

下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式橋墩，使用5根墩柱，墩柱直徑、樁基礎(chǔ)直徑分別為1.4 m、1.6 m；T構(gòu)交接墩的墩柱為4根，墩柱直徑、樁基礎(chǔ)直徑分別為1.6 m、1.8 m；基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。

3.5 防撞護欄設(shè)計

根據(jù)JT/T 1311—2020《公路鐵路交叉路段技術(shù)要求》中第6.5.3.1條，采用外側(cè)SS+HA級雙層防撞護欄，內(nèi)側(cè)SS級單層防撞護欄。設(shè)置范圍按規(guī)范公式計算，來車方向自公路邊線與鐵路邊線交叉點起，向外延申130 m，去車方向自鐵路安保區(qū)（路基坡腳向外15 m）寬度起，向外延申20 m，在2×60 mT構(gòu)及兩側(cè)各一聯(lián)4×30 m連續(xù)小箱梁設(shè)置。防撞護欄力的作用點在距離護欄頂面5 cm的位置，碰撞荷載標準值、荷載分布長度分布為104 kN/m、5 m。

按照拋物線和動能定理，公路跨線橋護欄車輛來向最小設(shè)置長度可以按式（1）計算：式中，L為公路跨線橋護欄車輛來向最小設(shè)置長度，m；θ為公鐵立體交叉角度，（°）；μ為摩擦系數(shù)；v為沖出路側(cè)護欄的車輛速度，km/h；h為公路跨線橋面高度，m；g為重力加速度，9.8m/s2。

公路跨線橋的路側(cè)護欄防護等級及適用條件見表1。

表1 公路跨線橋的路側(cè)護欄防護等級及適用條件

3.6 材料設(shè)計

3.6.1 混凝土

調(diào)平層、主橋主梁采用C50混凝土，主墩橋墩與承臺、交接墩柱及蓋梁采用C40混凝土，樁基采用水下C35混凝土，防撞護欄采用C40混凝土。

3.6.2 預(yù)應(yīng)力鋼絞線及錨具

縱、橫向預(yù)應(yīng)力采用φs15.2高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，標準強度、彈性模量分別為1 860 MPa、1.95×105MPa。預(yù)應(yīng)力錨具采用Ⅰ類錨具，要求錨固效率系數(shù)控制在95%以上。采用群錨體系，確保預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨具的穩(wěn)固性。豎向預(yù)應(yīng)力采用φ16 mm-3無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼棒，抗拉強度標準值、錨下張拉控制應(yīng)力系數(shù)分別為1 420 MPa、0.66。

3.6.3 普通鋼筋及鋼材

鋼筋直徑≥12 mm、鋼筋直徑＜12 mm分別采用帶肋螺紋鋼筋、光圓鋼筋，鋼筋型號為HRB400和HPB300。對于鋼筋直徑≥25 mm的，可以在連接時采用鋼筋機械接頭，保證連接器技術(shù)滿足相關(guān)要求。

3.7 設(shè)計復(fù)核

橋梁質(zhì)量的根本是結(jié)構(gòu)設(shè)計，也是監(jiān)控的重點，所以，工作人員要驗算好設(shè)計施工圖，對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性進行分析[3]。嚴格按照相關(guān)規(guī)范要求確定橋梁設(shè)計主要參數(shù)，然后復(fù)核結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計能滿足施工要求，通過驗算及時發(fā)現(xiàn)問題，并對設(shè)計方案進行調(diào)整與優(yōu)化。

4 結(jié)語

隨著《國鐵集團工電部關(guān)于加強穿（跨）越鐵路營業(yè)線和鄰近營業(yè)線工程方案等審查和施工安全管理的通知》（工電橋房函〔2020〕48號）的出臺，各鐵路局更傾向于采用T構(gòu)轉(zhuǎn)體橋梁上跨既有鐵路，這種跨越方法和小箱梁跨越相比，施工時不需要在鐵路上方作業(yè)，作業(yè)時間較短，對鐵路正常運營的影響較小。高速公路上跨鐵路橋梁設(shè)計從多個維度、細節(jié)出發(fā)，提出設(shè)計中的要點，保證設(shè)計的整體質(zhì)量，確保高速公路上跨鐵路橋梁在運行中的安全與穩(wěn)定，推動我國鐵路事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。