許三平

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

1 概述

京滬高速鐵路徐滬段經(jīng)過我國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的華東地區(qū),沿線以平原和低山丘陵區(qū)為主。沿線經(jīng)過黃河、淮河、長江三大水系,位于各水系流域的中下游,地勢平坦,河谷交錯(cuò)。徐州至池河為黃淮沖積平原及淮河一、二級階地,池河至丹陽段線路通過剝蝕低山丘陵區(qū)及長江河谷階地,丹陽至上海段線路通過長江三角洲平原區(qū),均為第四系地層覆蓋,系江河、湖泊、海相沉積形成。

京滬高速鐵路徐州至上海段正線大、中橋總數(shù)135座,共 521.9km,占正線建筑長度的 81.2%。,全線超過 50km的橋有 3座,其中丹陽至昆山特大橋全長164.85km,為已知的橋梁中第一長橋。全線跨越的道路、河流多,特殊結(jié)構(gòu)多是京滬高速鐵路橋梁的又一特點(diǎn),徐滬段正線共計(jì) 300余處特殊結(jié)構(gòu),主要結(jié)構(gòu)有連續(xù)梁、連續(xù)梁剛構(gòu)、系桿拱、連續(xù)梁拱、道岔梁、鋼門式墩、空間剛構(gòu)等,其中跨鎮(zhèn)江京杭運(yùn)河主跨(90+180+90)m連續(xù)梁拱為全線時(shí)速 350km的第一大跨。

2 常用跨度橋梁合理結(jié)構(gòu)形式研究

目前世界各國、地區(qū)高速鐵路橋梁多以箱梁為主,除跨越道路、河流的橋梁外,一般地段橋梁既采用簡支梁,也采用連續(xù)梁橋。法國、韓國以連續(xù)梁為主,日本和中國臺灣多采用簡支梁。中國大陸的高速鐵路在城市附近往往要把線路抬起來,以橋通過;遇到地質(zhì)條件稍差的地段,需要以橋代路,橋梁總長占線路比例很大,我國已建成通車的客運(yùn)專線 40m以下跨度的常用跨度橋梁占橋梁的比例見表1。合理地選擇常用跨度橋梁的結(jié)構(gòu)形式、跨度,對橋梁景觀、工程投資均有很大影響。

表1 客運(yùn)專線常用跨度橋梁占橋梁比例統(tǒng)計(jì)

為了合理確定高速鐵路常用跨度橋梁的合理橋跨、橋式,在高速鐵路研究早期,選擇了有代表性的橋梁,進(jìn)行了以下比較、分析工作。

2.1 比較工點(diǎn)橋梁設(shè)計(jì)簡介

(1)濉河特大橋

橋址位于黃淮河沖積平原,地勢平坦開闊,平均墩高 4.5m,設(shè)計(jì)樁長 36～40m,樁底進(jìn)入硬塑黏土層。

(2)淮河特大橋

橋址位于黃淮河沖積平原,地形開闊,平均墩高7.5m。設(shè)計(jì)樁長28～36m,樁底進(jìn)入混合花崗巖弱風(fēng)化層。

(3)蘊(yùn)藻浜特大橋

橋址位于沖湖積平原區(qū),地勢開闊,平均墩高11.75m。設(shè)計(jì)樁長 54.5～58.0m,樁底進(jìn)入粉砂、粉土夾粉質(zhì)黏土層或粉質(zhì)黏土夾粉砂層。

2.2 各橋跨、橋式技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較(圖1)

從圖1中可以看出,預(yù)制架設(shè) 32m簡支箱梁最為經(jīng)濟(jì),其次是預(yù)制架設(shè) 24m簡支箱梁。對于(3×10+8)m連續(xù)剛架,其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)從蘊(yùn)藻浜特大橋比較中可知,具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。但考慮到其施工、適用條件等的特殊性,沒有把它作為常用跨度橋梁推薦。

基于以上的研究、分析比較,結(jié)合我國客運(yùn)專線橋梁比重比較高、地質(zhì)復(fù)雜、工期緊張等具體情況,確定了高速鐵路橋梁主要以 32m預(yù)制簡支箱梁為主,其他結(jié)構(gòu)在適宜條件下采用的原則,使得 900t簡支箱梁大規(guī)模地在高速鐵路、客運(yùn)專線中運(yùn)用。同時(shí)也節(jié)約了工程投資,推動了我國客運(yùn)專線大噸位箱梁架橋機(jī)研制水平的提高。

3 道岔區(qū)橋梁研究

3.1 概況

京滬高速鐵路徐滬段共設(shè) 13個(gè)車站,其中鎮(zhèn)江西站、常州北站、無錫東站、蘇州北站、昆山南站位于高架橋上,還有多條聯(lián)絡(luò)線在橋上出岔,因此京滬高速鐵路徐滬段有大量的、不同型號的高速無縫道岔布置在橋梁上,其中 18號道岔共 69組,42號道岔共 8組。

橋上道岔采用縱連底座板式無砟軌道無縫道岔在世界上未有先例,存在新的技術(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn),道岔區(qū)橋梁的設(shè)計(jì)不再是單純的橋梁設(shè)計(jì),必須結(jié)合軌道、道岔等一起考慮:考慮無縫道岔、無砟軌道、橋梁之間的相互作用,考慮溫度荷載、牽引力、制動力等軌道力對橋梁的影響;考慮橋梁平面布置、橋梁結(jié)構(gòu)形式、道岔梁及橋墩的剛度等對軌道、道岔的影響。

結(jié)合橋梁及道岔受力及變形規(guī)律、“車-岔-橋”相互作用特性等因素,道岔區(qū)橋梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵及創(chuàng)新點(diǎn)在于:采用合理的橋式方案,減小道岔尤其是尖軌和轍叉處的梁-軌相對位移,確保道岔結(jié)構(gòu)安全,確保軌道平順;道岔梁采用整體性較好的箱梁,適當(dāng)提高截面豎、橫向剛度,提高梁部的自振頻率,減小活載作用下的梁體撓度及梁端轉(zhuǎn)角。

3.2 高速鐵路道岔區(qū)橋梁設(shè)計(jì)原則

根據(jù)有關(guān)科研成果,京滬高速鐵路徐滬段橋上底座縱連板式道岔的主要設(shè)計(jì)原則如下。

(1)正線道岔應(yīng)盡可能整組布置在 1聯(lián)連續(xù)梁上。

(2)客運(yùn)專線無縫線路道岔的轉(zhuǎn)轍器部分、轍叉部分不宜跨越 2聯(lián)梁。

(3)正線道岔布置連續(xù)梁上時(shí),道岔岔頭、岔尾距離梁端應(yīng)不小于 18m。站線道岔在困難條件下可以在道岔連接部分設(shè)置梁縫。

(4)單渡線都應(yīng)整組設(shè)置在 1聯(lián)梁上。

(5)客運(yùn)專線無縫線路道岔區(qū)的橋梁結(jié)構(gòu)形式,可行的有:混凝土連續(xù)梁、小跨度剛構(gòu)、跨度為 6～12 m框架橋。

(6)車站咽喉區(qū)道岔,除高速正線無縫道岔下需采用連續(xù)梁外,其余到發(fā)線道岔下可采用簡支梁結(jié)構(gòu)。

(7)為減小梁、軌相對位移及鋼軌附加縱向力,八字渡線區(qū)兩聯(lián)連續(xù)梁之間宜布置 1孔以上簡支梁。

(8)對于連續(xù)梁應(yīng)進(jìn)行多縱向固定支座方案比選,以減少道岔 -橋梁相互作用和相對位移。橫向固定支座布置的原則為:相鄰梁梁端兩側(cè)的鋼軌支點(diǎn)橫向相對位移不應(yīng)大于 1mm。

3.3 高速鐵路道岔區(qū)橋梁設(shè)計(jì)

根據(jù)各道岔工點(diǎn)實(shí)際情況,在徐州東站北側(cè)道岔區(qū)、秦淮河特大橋滬漢蓉聯(lián)絡(luò)線出岔區(qū)、丹陽站南咽喉區(qū)采用了多排框架的結(jié)構(gòu)形式;在鎮(zhèn)江西站、常州北站、無錫東站、蘇州北站、昆山南站等高架車站咽喉區(qū)、徐州東站南側(cè)道岔區(qū)、滁河特大橋揚(yáng)州聯(lián)絡(luò)線出岔區(qū)、蘊(yùn)藻浜特大橋上海站聯(lián)絡(luò)線出岔區(qū)采用了道岔連續(xù)梁結(jié)構(gòu)形式;在宿州東站北側(cè)道岔區(qū)、徐州東站南咽喉區(qū)跨銅山路處采用了道岔連續(xù)梁剛構(gòu)。

結(jié)合科研成果,以蘇州高架站為例,從對道岔區(qū)橋式布置、結(jié)構(gòu)計(jì)算、車 -岔 -橋動力仿真幾個(gè)方面進(jìn)行了研究,研究主要結(jié)論如下。

(1)橋式布置

根據(jù)車場道岔布置情況結(jié)合現(xiàn)場道路、河流、地鐵配套工程等邊界條件,研究渡線區(qū)采用 6×32m連續(xù)梁、咽喉區(qū)采用 4×32m+3×32m連續(xù)梁、在八字渡線 2聯(lián)連續(xù)梁間布置簡支梁,能滿足軌道結(jié)構(gòu)要求。蘇州高架站咽喉區(qū)孔跨布置為:1-26.18m非標(biāo)簡支梁+6×32m連續(xù)梁 +2-24m簡支箱梁 +1-32m簡支箱梁 +6×32m連續(xù)梁 +2-32m簡支箱梁 +4-32m連續(xù)梁 +5-32m簡支箱梁 +站房區(qū)橋梁 +4-32m簡支箱梁+1-32m簡支箱梁 +6×34m連續(xù)梁 +1-32m簡支箱梁 +(32+40+64+40+32)m連續(xù)梁 +2-32m簡支箱梁 +6×32m連續(xù)梁 +1-21.87m非標(biāo)簡支箱梁。

(2)靜力計(jì)算

道岔梁按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì),經(jīng)檢算在各種工況下道岔梁截面應(yīng)力、強(qiáng)度安全系數(shù)、抗裂安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求;ZK靜活載作用下最大撓度值、撓跨比、梁端豎向轉(zhuǎn)角、后期徐變上拱最大值、相鄰梁梁端兩側(cè)的鋼軌支點(diǎn)橫向相對位移均滿足規(guī)范和科研相關(guān)要求。

(3)動力仿真

橋梁豎向及橫向剛度可以滿足過岔時(shí)的要求,各項(xiàng)動力響應(yīng)值均在容許限值范圍以內(nèi),基本上能滿足高速條件下車岔橋動力耦合的要求。車岔橋耦合動力學(xué)的研究表明,岔橋相對位置對系統(tǒng)振動響應(yīng)影響較大,轉(zhuǎn)轍器或轍叉區(qū)位于或接近橋梁撓曲率較大位置上時(shí),岔橋相互作用明顯加強(qiáng)。耦合系統(tǒng)動力分析表明,對于車-岔-橋耦合系統(tǒng),除進(jìn)行靜力分析應(yīng)滿足有關(guān)規(guī)定的要求外,還應(yīng)根據(jù)具體的道岔結(jié)構(gòu)、運(yùn)營條件、橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行車-岔-橋耦合動力響應(yīng)分析,以列車運(yùn)行平穩(wěn)性、安全性,道岔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及動力響應(yīng)控制指標(biāo)為判據(jù),評價(jià)相應(yīng)的橋梁結(jié)構(gòu)是否滿足鋪設(shè)道岔的要求。

4 墩型選擇

高速鐵路徐滬段采用了矩形雙柱墩、空心墩、雙線單圓柱形橋墩等,墩型的選用應(yīng)結(jié)合橋梁的地形、地勢、水文條件、立交條件及橋高等具體情況選用。

橋墩頂除通過支座支承梁部外,還有其他附屬功能,如更換支座時(shí)千斤頂擺放空間、防止落梁和防止梁部移動設(shè)施、檢查或更換支座時(shí)工作空間、墩頂排水等(圖2)。

根據(jù)高速鐵路特點(diǎn),橋墩設(shè)計(jì)從剛度、耐久性、便于施工和養(yǎng)護(hù)維修、經(jīng)濟(jì)美觀等角度綜合考慮。鑒于京滬高速鐵路設(shè)計(jì)多采用預(yù)制架設(shè)的簡支箱梁,梁高3.05m(高跨比相對較大),而橋墩普遍不高,橋墩外形線條不宜變化太快,因此采用的橋墩墩身一坡到底,橋墩均不設(shè)頂帽,結(jié)構(gòu)簡單、施工方便。由于京滬高速鐵路徐滬段大量橋梁墩高一般在 12m以內(nèi),考慮到12m以下空心墩施工時(shí)較為困難,特意研究了為盡量保持與矩形空心墩外形一致、便于施工的雙柱式矩形橋墩,既減少了橋墩圬工量,也極大地方便了橋墩外模的制作、倒用,墩形簡捷流暢,又可節(jié)省工期,受到了參建單位和新聞媒體的一致好評(圖3)。

圖2 橋墩功能示意(單位:cm)

圖3 雙柱式矩形橋墩示意

經(jīng)過對京滬全線橋墩技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,墩高小于 12 m時(shí),雙矩形柱墩也是最優(yōu)的,橋墩投資分析見圖4(圖中定額基價(jià)含基礎(chǔ)、承臺費(fèi)用)。

圖4 橋墩投資分析

5 高速鐵路橋梁樁基礎(chǔ)極限摩阻力取值的確定

高速鐵路由于行車速度高,對橋梁樁基礎(chǔ)的激振較普通鐵路嚴(yán)重,樁基礎(chǔ)在高速鐵路車輛的激振下,其相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)較常規(guī)取值有何差異直接關(guān)系到行車安全。鑒于軟土地基樁基反應(yīng)更為敏感,京滬高速早期研究是從深厚軟弱地基樁基礎(chǔ)開展的。

1997年進(jìn)行了《高速鐵路深厚軟弱地基上橋梁基礎(chǔ)合理形式及設(shè)計(jì)研究》,采集了蘇錫常地區(qū)軟土地質(zhì)鉆孔土樣,在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行模擬軟土樁基動、靜載試驗(yàn)。室內(nèi)動力激振試驗(yàn)研究認(rèn)為,位于軟土地基的橋梁樁基礎(chǔ)其動承載力將下降,動、靜比值為 0.8左右。

為了更充分地了解軟土地基橋梁樁基長期在高速列車動荷載作用下的工作性狀,在京滬高速徐滬段昆山現(xiàn)場進(jìn)行了軟土地基橋梁樁基礎(chǔ)單樁豎向動靜載試驗(yàn)研究工作。結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)條件,選擇 2種樁徑共 6根試驗(yàn)樁(均為橋梁工程樁)分 2組進(jìn)行了試驗(yàn)加載,2種試樁的參數(shù)見表2。并于 2002年 12月正式啟動了現(xiàn)場試驗(yàn)工作。現(xiàn)場試驗(yàn)工作于 2003年 10月完成。

表2 試樁參數(shù)

通過昆山試驗(yàn)段橋梁樁基采用激振設(shè)備對 2組共6根試驗(yàn)樁進(jìn)行動靜載試驗(yàn),得出以下結(jié)論:(1)由動荷載引起的樁頂沉降量值較小;(2)動荷載循環(huán)作用下樁頂動位移幅值較小,且很快能達(dá)到穩(wěn)定;(3)動荷載作用初期,試驗(yàn)樁樁身上部軟土層樁側(cè)摩阻力呈現(xiàn)弱化現(xiàn)象,樁身下部呈現(xiàn)強(qiáng)化現(xiàn)象,弱化的幅值小于強(qiáng)化幅值,動載作用過程中樁身軸力出現(xiàn)重分布現(xiàn)象。

在樁端持力層較好的情況下,軟土地基橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)可以忽略由高密度、高速度列車反復(fù)作用下對樁基工后沉降和豎向承載力的影響。

基于以上的試驗(yàn)研究成果,確定高速鐵路橋梁樁基極限摩阻力取值可以按常規(guī)鐵路橋梁取值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

6 結(jié)語

目前京滬高速徐滬段橋梁施工基本完成,多多少少暴露一些設(shè)計(jì)問題,需要結(jié)合施工等因素對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化、完善,確保設(shè)計(jì)安全、經(jīng)濟(jì)、合理。

(1)孔跨布置宜綜合考慮城市發(fā)展及地方主管部門要求,跨度不宜摳得太緊。由于京滬高速鐵路經(jīng)過華東經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),橋梁長度大,控制工點(diǎn)多,孔跨調(diào)整很困難。

(2)基礎(chǔ)埋深不宜超過 0.5m,主要由于施工便道、鉆孔樁施工、承臺開挖等因素,施工完成后,地面比天然地面高,適當(dāng)抬高承臺可節(jié)省墩身及樁基圬工,施工也相對方便。

(3)沒有特別重要的控制點(diǎn),常用跨度橋梁盡量按等跨布置,必要時(shí)可采取改路等措施以減少變跨橋梁,便于架橋機(jī)架梁,在架梁通道受限制的控制點(diǎn),也可采用預(yù)制非標(biāo)簡支梁來疏通架梁通道。

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