李恩良，張 上，施 威

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 工程概況

北京鐵路樞紐豐臺站改建工程從豐臺站至西咽喉區(qū)段落采用雙層車場重疊布置方案。地面層為普速場。上層為高速盡頭式車場，設(shè)計為高架站，從車站內(nèi)向西銜接京廣客專.京石城際及動車運用所，平面為六線布置，自北至南依次為京廣客專聯(lián)絡(luò)線上下行線.動車運用所出入段線上下行線.京石城際鐵路上下行線，設(shè)計采用多組高架柱網(wǎng)平臺單元跨越地面層的普通車場及咽喉區(qū)，并將線路引過北京西四環(huán)路后，逐漸降低縱斷面與地面層站線股道進(jìn)行綜合布置。

改建線路于J3K9+923.63處跨越北京西四環(huán)路，跨越處西四環(huán)路為1-(15+2×18+15)m既有框構(gòu)中橋，道路分隔帶寬約2 m，立交要求為寬66 m×高4.5 m，交叉右角為106°38′。改建工程普速場站線利用既有線框構(gòu)中橋跨越北京西四環(huán)路，高架場線路考慮城市景觀效果，采用新建1孔112 m六線簡支鋼箱拱橋方案跨越北京西四環(huán)路，并在拱橋兩側(cè)設(shè)置兩孔簡支板梁與高架柱網(wǎng)平臺銜接?？缭近c高架層的平.立面布置見圖1。

圖1 橋梁跨越北京西四環(huán)路處平.立面布置(單位：m)

橋址為暖溫帶大陸性亞濕潤季風(fēng)氣候，春季干旱多風(fēng).夏季炎熱多雨.秋季秋高氣爽.冬季寒冷干燥的氣候特點。歷年平均氣溫13.1 ℃，歷年極端最高氣溫41.9 ℃，歷年極端最低氣溫-17 ℃，歷年最大風(fēng)速13.9 m/s。地震動峰值加速度為0.2g，地震基本烈度為Ⅷ度。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及原則

2.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級：高速鐵路。

(2)線路數(shù)目：六線。

(3)設(shè)計速度：90 km/h。

(4)線路間距：8.0 m+5.0 m+5.0 m+5.0 m+8.0 m。

(5)平縱斷面：平面位于直線上，縱斷面位于0‰的平坡上。

(6)軌道類型：有砟軌道，軌面至梁頂最低點處高度為814 mm。

2.2 設(shè)計荷載

(1)恒載：鋼結(jié)構(gòu)容重按78.5 kN/m3計算，二期恒載為480 kN/m。

(2)活載：采用ZK活載，按以下3種組合包絡(luò)計算[1]。

組合1：任意兩線ZK活載×100%。

組合2：京廣.京石四線中任意三線ZK活載×75%+一線空車×75%(或不加空車)。

組合3：京廣.京石四線ZK活載×75%+一線空車×75%(或不加空車)。

(3)搖擺力：按雙線搖擺力施加。

(4)制動力或牽引力：按四線制動力或牽引力設(shè)計，同時考慮75%的折減系數(shù)。

(5)疲勞荷載：縱梁疲勞計算采用最不利單線ZK活載加載，并乘以多線系數(shù)。吊桿及橫梁疲勞計算按一線ZK加載，其他線采用荷載圖式中均布荷載加載[2-3]。

(6)其他荷載：按規(guī)范相應(yīng)條文及相關(guān)規(guī)定辦理。

2.3 主要材料

縱梁腹板.上拱肋下板.下拱肋上板采用Q370qE-Z25，其余主體構(gòu)件采用Q370qE。橋面鋼板采用不銹鋼復(fù)合鋼板321-Q370qE。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)形式

主橋整體結(jié)構(gòu)形式為六線簡支鋼箱系桿疊合拱橋[4-6]，計算跨度112 m。兩個拱肋拱頂中心高差為6.0 m，豎向設(shè)置聯(lián)桿，在拱腳處合二而一，兩拱弦線高差為2.0 m。兩榀拱肋橫向中心距為23.2 m，拱間設(shè)置5道桁式橫撐，縱向設(shè)置15對剛性吊桿，縱梁兼做系桿。

橋面全寬38.6 m，采用密布橫梁正交異性橋面板體系[7-9]。橫向布置六線鐵路，兩拱間通行四線，兩拱外側(cè)懸挑兩線[10-11]，線間距為8.0 m+5.0 m+5.0 m+5.0 m+8.0 m。橋面設(shè)置多向1%的橫坡，以利于橋面排水。主體結(jié)構(gòu)立面及橫向布置分別見圖2.圖3。

圖2 跨度112 m六線鋼箱拱立面布置(單位：m)

圖3 跨度112 m六線鋼箱拱跨中橫斷面布置(單位：m)

3.2 拱肋

拱軸線均采用拋物線，上拱肋矢跨比1∶4.57，矢高24.5 m；下拱肋矢跨比1∶5.46，矢高20.5 m，拱肋采用鋼箱截面。

上拱肋截面內(nèi)高1 600 mm，內(nèi)寬1 600 mm，上下翼緣板厚分36.40 mm兩種，腹板分36.40.44 mm三種。下拱肋內(nèi)高1 200 mm，內(nèi)寬1 600 mm，截面上下翼緣板厚20 mm，腹板厚32 mm。拱肋內(nèi)部設(shè)置加勁肋及橫隔板。豎桿采用箱形截面，內(nèi)高800 mm，內(nèi)寬1 600 mm。

3.3 縱梁

縱梁采用箱形等高截面，內(nèi)高3 500 mm，內(nèi)寬1 600 mm。上下翼板厚度采用40.28 mm兩種，腹板厚度采用44.32 mm兩種。截面內(nèi)設(shè)置加勁肋及橫隔板，拱腳段根據(jù)支座布置及傳力要求加密隔板。除節(jié)段拼接頭兩側(cè)各1.5 m范圍外，其他區(qū)域采用氣密設(shè)計，拼接頭下翼緣板設(shè)置600 mm×300 mm的進(jìn)人洞。

3.4 橋面結(jié)構(gòu)

行車道區(qū)域橋面設(shè)置U形縱肋，根據(jù)相關(guān)研究橫向間距采用600 mm[8，12-13]；端橫梁采用箱形截面，內(nèi)寬2 200 mm，內(nèi)高3 500 mm，板厚32 mm，橋面板兼做頂板。

主.次橫梁均采用倒T形截面。主橫梁腹板為3 500 mm×24 mm，翼緣板為800 mm×32 mm；次橫梁腹板為2 750 mm×20 mm，翼緣板為600 mm×28 mm。橫梁懸挑段端部3 m范圍內(nèi)采用變高形式，并在橫梁端部沿橋長方向設(shè)置波浪造型擋板以加強(qiáng)景觀效果。

3.5 吊桿

吊桿均采用工字形截面，翼緣板厚32 mm，腹板厚20 mm。1號.1′號吊桿采用等高等寬截面，翼緣板寬800 mm，腹板高1 600 mm；其余吊桿縱橫向均進(jìn)行線形變高，翼緣板寬度由800 mm變至660 mm，腹板寬度由1 600 mm變至1 200 mm。在腹板上設(shè)置間距1 800 mm的過風(fēng)孔，以減小風(fēng)振效應(yīng)[14-16]。

3.6 橫撐

橫撐上下弦桿采用箱形截面，兩弦桿間距隨拱肋高度變化，腹桿采用工字形截面。

3.7 梁端牛腿及橫向限位

為適應(yīng)梁端軌道橫向變形要求，在端橫梁外側(cè)設(shè)置牛腿作為鄰跨支承[17]，并在端橫梁底板中心設(shè)置橫向限位裝置。

3.8 連接設(shè)計

從行車安全.施工便利及結(jié)構(gòu)受力方面考慮，全橋除橫撐分段與拱肋的連接.拱肋分段間連接.端橫梁分段與拱腳間連接.縱梁分段頂板連接采用焊接外，其余分段間均采用高強(qiáng)螺栓連接。

3.9 防腐設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)外表面采用第7套涂裝體系，內(nèi)表面除構(gòu)件氣密空間外均采用第4套涂裝體系。高強(qiáng)度螺栓連接摩擦面采用無機(jī)富鋅防銹防滑涂裝[18]。

3.10 指導(dǎo)性施工方案設(shè)計

橋址處情況復(fù)雜，既有線需進(jìn)行多次便線導(dǎo)改，從確保運營線路的安全考慮，制定了“先旁位拼裝，再橫移，最后前后導(dǎo)梁配合縱向頂推到位”的施工方案[19-20]。

4 結(jié)構(gòu)計算分析

4.1 計算模型

采用Midas Civil軟件建立模型進(jìn)行施工階段分析，以最后施工階段的內(nèi)力作為成橋內(nèi)力。拱肋.橫撐.縱梁.橫梁及吊桿離散成梁單元，橋面板離散成板單元；橋面板與縱橫梁之間采用彈性連接(剛性)進(jìn)行模擬，支座采用一般支撐進(jìn)行模擬，有限元模型見圖4。

圖4 全橋有限元模型

4.2 整體分析結(jié)果

(1)梁端轉(zhuǎn)角：縱梁端部.橋面板中心端部.懸挑車道端部的轉(zhuǎn)角分別為1.164‰.1.177‰.1.197‰，均滿足規(guī)范要求。

(2)撓跨比：結(jié)構(gòu)豎向.橫向撓度及撓跨比檢算結(jié)果見表1，表1中數(shù)據(jù)表明結(jié)構(gòu)豎向.橫向撓跨比均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)具有良好的剛度。

表1 簡支拱撓度計算結(jié)果

(3)溫度變形：活動端縱向伸縮范圍為-61～69 mm，橫向最外側(cè)車道中心伸縮范圍為-8～9 mm，能夠滿足軌道專業(yè)要求。

(4)自振頻率：結(jié)構(gòu)一階豎向自振頻率為1.484 Hz，滿足規(guī)范要求。

(5)支反力：恒載工況為41 904 kN，活載工況最大為9 279 kN。

(6)主要構(gòu)件內(nèi)力：橋面結(jié)構(gòu)為密布橫梁體系，參與主橋整體受力作用較小，簡支拱的主要受力構(gòu)件為拱肋.縱梁.吊桿，其內(nèi)力見圖5～圖8。圖中數(shù)據(jù)表明：

圖5 拱肋軸力

圖6 縱梁軸力

圖7 縱梁彎矩

圖8 吊桿軸力

拱肋基本為軸壓構(gòu)件，上.下拱肋最大軸壓力分別為34 364.17 723 kN，最大值均在拱腳區(qū)域，上拱肋受力約為下拱肋的1.94倍。

縱梁主要為拉彎構(gòu)件，最大軸拉力為28 861 kN，出現(xiàn)在梁端區(qū)域；縱梁彎矩均為正值，最大為16 901 kN·m，出現(xiàn)在距離梁端約11 m區(qū)域。

吊桿均承受軸拉力，1號.1′號吊桿力較大，為4 415 kN，其余吊桿受力較為均勻，最大值均在3 390 kN左右。

(7)構(gòu)件強(qiáng)度檢算：對結(jié)構(gòu)各個部分構(gòu)件均進(jìn)行了強(qiáng)度檢算，結(jié)果見表2。表2中數(shù)據(jù)表明結(jié)構(gòu)各個部分受力安全，能夠滿足規(guī)范要求。

表2 簡支拱桿件強(qiáng)度檢算結(jié)果 MPa

4.3 局部分析結(jié)果

縱梁.拱肋在拱腳段落交匯，內(nèi)部板肋.C肋.環(huán)肋.頂梁裝置加勁板等各種加勁肋板較多，構(gòu)造復(fù)雜，受力相對復(fù)雜。為確保拱腳段落受力安全，對拱腳建立了精細(xì)化有限元模型進(jìn)行恒載.主力.主力+附加力等多工況的局部受力分析，最不利工況受力結(jié)果見圖9.圖10，從圖9.圖10可得以下結(jié)論。

圖9 拱腳等效應(yīng)力云圖1

圖10 拱腳等效應(yīng)力云圖2

(1)拱腳區(qū)域傳力途徑較為明確，上拱肋受力相對較大。除支座區(qū)域的加勁肋板受力較大外，其他區(qū)域的加勁肋板受力相對較小。

(2)在各種工況作用下，拱腳分段在縱梁底板支座區(qū)域存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大有效應(yīng)力為263 MPa，但區(qū)域很??；其他區(qū)域受力相對均勻，最大約為165 MPa，拱腳受力安全。

5 創(chuàng)新點及技術(shù)難點

(1)通過對車輛的出入站時段.車站運營調(diào)度方案等參數(shù)進(jìn)行綜合分析，確定了六線拱橋的活載加載方式及折減系數(shù)等關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。

(2)針對六線超寬橋面，采用兩拱間通行四線，兩拱外側(cè)懸挑兩線的橋面布置方案，減小了橋面結(jié)構(gòu)的橫向跨度和拱肋的側(cè)移效應(yīng)，改善了結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

(3)在端橫梁外側(cè)設(shè)置牛腿作為鄰跨支承，并在端橫梁底板中心設(shè)置橫向限位裝置，解決了梁端多線軌道的變形適應(yīng)性問題。

(4)采用了不銹鋼復(fù)合鋼板作為橋面板，并在其上直接鋪設(shè)道砟，不再設(shè)置混凝土道砟槽板，有效減小了二期荷載，減少了工程投資。

(5)采用了先拼裝.后橫移.再頂推到位的施工方案，頂推時采用前后導(dǎo)梁設(shè)計，有效地適應(yīng)了復(fù)雜現(xiàn)場邊界條件，并保證了結(jié)構(gòu)安全。

6 結(jié)語

該橋是我國乃至世界上首座六線鐵路簡支鋼箱拱橋，經(jīng)過大量的比選研究，確定了“拱間通行四線，兩拱外側(cè)懸挑兩線”的簡支疊合拱橋的結(jié)構(gòu)體系及活載加載組合，改善了結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)；梁端采用橫向限位及牛腿構(gòu)造與鄰跨銜接，解決了多線軌道梁端變形適應(yīng)性問題；主橋采用自重輕盈的鋼結(jié)構(gòu)及步履頂推的施工方案，有利于高烈度震區(qū)下部結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計及復(fù)雜橋址的快速化.模塊化.環(huán)保化施工；結(jié)合橋址周邊環(huán)境對主橋開展了景觀設(shè)計，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)美觀和受力合理的和諧統(tǒng)一。該橋的設(shè)計建設(shè)將為我國多線鐵路橋梁的建造和發(fā)展提供多方面的經(jīng)驗參考。