馮文章

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司 土建工程設(shè)計研究院，天津 300308）

1 工程概況

新建京雄商高速鐵路跨北京五環(huán)路特大橋主橋位于北京市豐臺區(qū)豐臺西站南側(cè)。橋址西側(cè)整體背景為燕山山脈，周邊為城市郊區(qū)、村鎮(zhèn)?？碧缴疃确秶鷥?nèi)揭示的地層有第四系人工堆積層雜填土、素填土及填筑土，第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)沖洪積層黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、砂土、細（粗）圓礫土及卵石土，第三系上新統(tǒng)全風化及強風化泥巖、砂巖及礫巖。橋位處地震動峰值加速度為0.2g，反應(yīng)譜特征周期為0.55 s，場地土類別為Ⅲ類。橋址區(qū)土壤最大凍結(jié)深度為0.8 m。

線路主要技術(shù)標準如下：

（1）鐵路等級：高速鐵路。

（2）設(shè)計速度：350 km/h。

（3）正線數(shù)目：雙線。

（4）正線線間距：5.0 m。

（5）最小平面曲線半徑：平面位于直線上。

（6）最大坡度：±1‰。

（7）列車運行控制方式：自動控制。

（8）調(diào)度指揮方式：調(diào)度集中。

（9）最小行車間隔：3 min。

2 橋跨方案總體設(shè)計

2.1 橋跨方案控制因素

（1）地震因素。橋址地處8 度震區(qū)，地震烈度較高，從減輕地震響應(yīng)方面考慮，應(yīng)盡量降低結(jié)構(gòu)自重，同時盡量縮短橋梁的聯(lián)長［1-4］。

（2）立交、管線。橋址地處南五環(huán)路、南水北調(diào)南干渠、蘆求北路、天然氣管線等控制點，橋跨布置需要綜合考慮各個控制點。

采用獨塔斜拉橋方案時，將主塔放置在南水北調(diào)南干渠與五環(huán)路中間，根據(jù)平面位置關(guān)系2個主跨至少需要170 m。

采用矮塔斜拉橋方案時，主跨考慮跨越五環(huán)路和其南側(cè)的蘆求北路，小里程側(cè)邊跨跨越五環(huán)路北側(cè)的蘆求北路及南水北調(diào)南干渠，根據(jù)平面位置關(guān)系，主跨需要225 m，跨南水北調(diào)干渠側(cè)邊跨需要145 m，另一側(cè)邊跨長根據(jù)研究成果［5］與中跨的比例宜在0.55左右。

（3）溫度因素。橋址地區(qū)歷史極端最高氣溫高達41.9 ℃，歷史極端最低氣溫-17 ℃，溫度變化范圍大，因此選擇的橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量降低溫度響應(yīng)，在橋高較矮的情況下不宜選擇剛構(gòu)體系。

（4）無砟軌道高速行車因素。橋上通行無砟軌道，時速350 km，所選擇的橋跨類型應(yīng)具有足夠的剛度、強度，滿足無砟軌道的相關(guān)要求［6-7］。

（5）景觀因素。鐵路重點橋跨往往是一張地方名片，所選擇的橋跨類型應(yīng)考慮美觀性，橋型應(yīng)與橋址處的整體背景和諧，凸顯美觀與大氣。

（7）經(jīng)濟性因素。所選擇的橋跨類型造價應(yīng)經(jīng)濟合理。從施工方面來講，所選擇的橋型應(yīng)盡量永臨結(jié)合，以節(jié)省投資。

2.2 主橋結(jié)構(gòu)體系分析

根據(jù)以上控制因素，結(jié)合常用橋跨結(jié)構(gòu)形式及其在國內(nèi)外鐵路項目的運用經(jīng)驗，并考慮可研設(shè)計的橋跨方案，可供該工點選擇的橋式方案有：梁拱方案、矮塔斜拉橋方案、斜拉橋方案。

2.2.1 梁拱方案

梁拱方案跨越能力強，建筑結(jié)構(gòu)高度較低，一般采用先梁后拱的施工方案，安全可靠，常用的具體形式如下：

（1）鋼桁梁+柔性拱結(jié)構(gòu)體系（見圖1）。該結(jié)構(gòu)方案整體質(zhì)量較輕，抗震性能好，但用鋼量較大，約為30 t/m，造價相對較高。施工需采用臨時塔、臨時扣索，不能實現(xiàn)永臨結(jié)合，且后期維護工作量較大，從經(jīng)濟性方面考慮不適用。

圖1 鋼桁梁+柔性拱結(jié)構(gòu)體系

（2）混凝土連續(xù)梁+鋼管拱結(jié)構(gòu)體系（見圖2）。采用混凝土主梁，鋼管拱里面也充滿混凝土，結(jié)構(gòu)自重過大、支座噸位過大，對抗震不利。且用于該橋時主跨需225 m，主梁完全懸臂拼裝施工難度較大，主梁、拱肋施工均需采用臨時塔、臨時索，不能做到永臨結(jié)合，不適用。

圖2 混凝土連續(xù)梁+鋼管拱結(jié)構(gòu)體系

（3）剛構(gòu)連續(xù)梁+鋼管拱結(jié)構(gòu)體系（見圖3）。根據(jù)研究成果［5］，剛構(gòu)體系適用的墩高至少在跨度的1/10左右，而該工點墩高僅約為11 m，體系溫度應(yīng)力較難解決，且自重較大，對抗震不利，施工不能做到永臨結(jié)合，不適用。

2)濾波。將作為3.1節(jié)所述濾波算法的輸入，對所有模型Mj并行進行自適應(yīng)交互雙模算法計算，更新xj,k+1|k+1和Pj,k+1|k+1。

圖3 剛構(gòu)連續(xù)梁+鋼管拱結(jié)構(gòu)體系

2.2.2 矮塔斜拉橋方案

該結(jié)構(gòu)形式具有受力性能好、跨徑布置靈活、施工方便、外形美觀等特點［9-13］。國內(nèi)外已運用的矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)體系形式主要有：

（1）斜拉剛構(gòu)結(jié)構(gòu)體系（墩塔梁固結(jié)體系）（見圖4）。根據(jù)研究成果［14］，剛構(gòu)體系適用的墩高至少在跨度的1/10 左右，該橋墩高約11 m，體系溫度應(yīng)力難以解決，且自重較大，對抗震不利，不適用。

圖4 矮塔斜拉剛構(gòu)結(jié)構(gòu)體系

（2）半漂浮結(jié)構(gòu)體系（塔墩固結(jié)、塔梁分離）（見圖5）。該結(jié)構(gòu)一部分恒載及活載通過拉索傳遞到主塔至橋墩，另一部分通過支座傳至橋墩，大大減少了主塔的支座噸位，但高烈度地震工況下塔柱需要承受巨大的縱向彎矩，主塔、基礎(chǔ)設(shè)計難度大，梁端位移控制難度大，不適用。

圖5 矮塔半漂浮結(jié)構(gòu)體系

（3）加勁連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系（塔梁固結(jié)、塔墩分離）（見圖6）。該結(jié)構(gòu)體系可視為主梁具有彈性支撐的連續(xù)梁，結(jié)構(gòu)的體系溫度力能得到有效釋放，施工可實現(xiàn)永臨結(jié)合，但主梁自重較大，梁端位移較難控制，需要研制大噸位的減隔震支座，主墩基礎(chǔ)規(guī)模大，該方案需對上部、支座及下部結(jié)構(gòu)與其他輕型結(jié)構(gòu)進行統(tǒng)籌比較。

圖6 矮塔加勁連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系

2.2.3 斜拉橋方案

斜拉橋具有跨越能力強、受力性能好、外表美觀等特點，其主要受力構(gòu)件為斜拉索、主梁、主塔。一般有剛構(gòu)體系、全漂浮體系、半漂浮體系等。

（1）剛構(gòu)體系（見圖7）。該體系需要較高的墩高、塔高才能較好地釋放溫度力，較適用于獨塔斜拉橋。但對于高烈度震區(qū)，主梁與主塔結(jié)合在一起，斜拉索不能提供回復(fù)力，主塔處不能設(shè)置減隔震設(shè)施，會引起主塔底部過大的縱、橫向彎矩，主塔、基礎(chǔ)設(shè)計困難，不適用。

圖7 剛構(gòu)體系斜拉橋

（2）全漂浮體系（見圖8）。主梁在主塔處不進行支撐，而是通過在主塔處設(shè)置0號索將主梁全部由斜拉索吊起，主梁較柔，一般適用于超大跨度、索距較密的工點，在公路斜拉橋中應(yīng)用較多，鐵路工程中幾乎沒有應(yīng)用。對于高烈度震區(qū)，梁端位移較難控制，需要研發(fā)專用的高阻尼裝置，對于中小跨度橋梁來說經(jīng)濟性較差，不適用。

圖8 全漂浮體系斜拉橋

（3）半漂浮體系（見圖9）。主梁在主塔處設(shè)置縱向滑動支撐，邊跨較大時需要設(shè)置輔助墩。該體系在鐵路橋梁中應(yīng)用較多，如福廈鐵路主跨400 m的泉州灣大橋、主跨300 m的安海灣大橋、寧波北環(huán)線主跨468 m的甬江橋等。對于高烈度震區(qū)，可采用質(zhì)量較輕的鋼箱梁，以減少地震響應(yīng)，同時通過在主塔、輔助墩、邊墩配置阻尼器限制位移。但采用鋼箱梁造價相對較高，在方案對比階段需要對上部、支座、下部等進行統(tǒng)籌對比。

圖9 半漂浮體系斜拉橋

2.3 結(jié)構(gòu)體系的確定

結(jié)合鐵路領(lǐng)域橋梁建設(shè)的研究及實踐成果，從經(jīng)濟性、抗震性能、受力性能等角度對梁拱、矮塔斜拉橋、斜拉橋方案的各個受力體系進行定性分析論述，認為梁拱體系方案、剛構(gòu)及半漂浮體系的矮塔斜拉橋方案、剛構(gòu)及全漂浮體系的斜拉橋方案不適用于該工點，本階段選擇半漂浮體系獨塔斜拉橋方案和加勁連續(xù)梁體系矮塔斜拉橋方案進行經(jīng)濟、技術(shù)對比分析，以確定最優(yōu)方案。

3 半漂浮體系獨塔斜拉橋方案設(shè)計

3.1 橋梁結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)該橋邊界條件，初擬主橋的孔跨布置為（40+170+170+40）m，邊跨設(shè)置輔助墩，結(jié)構(gòu)體系采用半漂浮體系，支座均采用縱橫向活動支座，采用橫向限位裝置進行橫向位移控制，橋面以上塔高105 m（見圖10）。

圖10 橋梁結(jié)構(gòu)布置（獨塔斜拉橋）

3.2 主梁

主梁全部采用鋼箱梁，單箱5室截面，節(jié)間長度為10.5 m，每個節(jié)間布置2 道吊點橫隔板，3 道節(jié)間環(huán)形橫隔板，鋼箱梁橋面布置見圖11。

圖11 鋼箱梁橋面布置

3.3 主塔

主塔采用鉆石形，橋面以上有效塔高105 m，塔上拉索間距為2.5 m，上塔柱、橫梁采用單箱雙室截面，中塔柱、下塔柱采用單箱單室截面，各構(gòu)件之間設(shè)置連通通道及檢查設(shè)備，橋塔結(jié)構(gòu)見圖12。

圖12 橋塔結(jié)構(gòu)

3.4 斜拉索

主塔兩側(cè)各采用18 對斜拉索，索體采用熱擠聚乙烯φ7鋅鋁合金高強鋼絲，錨固構(gòu)造采用冷鑄錨頭，標準抗拉強度為1 860 MPa。

3.5 索梁錨固

斜拉索與主塔采用塔內(nèi)錨固的方式，斜拉索與主梁采用單片錨拉板的構(gòu)造形式，由鋼箱梁邊腹板伸出橋面板與錨拉板焊接形成［14］。半漂浮體系獨塔斜拉橋方案效果見圖13。

圖13 半漂浮體系獨塔斜拉橋方案效果圖

4 加勁連續(xù)梁體系矮塔斜拉橋方案設(shè)計

4.1 橋梁結(jié)構(gòu)布置

根據(jù)該橋邊界條件，擬定主橋的孔跨布置為（40+145+225+110）m，邊跨設(shè)置輔助墩，結(jié)構(gòu)體系采用塔梁固結(jié)、墩梁分離的加勁連續(xù)梁體系，橋面以上塔高40.5 m（見圖14）。

圖14 橋梁結(jié)構(gòu)布置（矮塔斜拉橋）

4.2 主梁

主梁采用單箱雙室、直腹板、變高度截面形式，箱梁翼緣板寬16.8 m，箱寬13.7 m。底板頂面、地面線形按二次拋物線變化。邊、中腹板厚度從梁端到中支點均為線性變化，橋面布置見圖15。

圖15 橋面布置

4.3 主塔

采用春芽造型的雙柱型混凝土橋塔，塔高40.5 m。兩塔柱平行布置，主塔構(gòu)造見圖16。

圖16 主塔構(gòu)造

4.4 斜拉索

斜拉索采用AT61、AT73型環(huán)氧涂層鋼絞線，抗拉強度標準值為1 860 MPa。每個主塔一側(cè)采用9 對斜拉索，平行索面，索面間距8 m。

4.5 預(yù)應(yīng)力

梁體設(shè)置縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。加勁連續(xù)梁體系矮塔斜拉橋方案效果見圖17。

圖17 加勁連續(xù)梁體系矮塔斜拉橋方案效果圖

5 方案對比

獨塔斜拉橋跨度緊湊，在溫度跨度、梁端轉(zhuǎn)角、支座噸位、景觀性方面有較大優(yōu)勢，但造價稍高；矮塔斜拉橋造價較低，但主跨較大，梁端轉(zhuǎn)角不滿足規(guī)范要求、支座噸位過大、景觀效果不如獨塔方案。具體方案對比見表1，推薦采用（40+170+170+40）m 獨塔斜拉橋方案。

表1 方案對比

6 結(jié)束語

跨北京五環(huán)路特大橋為京雄商高鐵控制性工程，根據(jù)橋位控制因素對梁拱、矮塔斜拉橋、高塔斜拉橋開展方案研究，對半漂浮體系獨塔斜拉橋方案和加勁連續(xù)梁體系矮塔斜拉橋方案進行對比分析，分析過程和結(jié)果可為同類工程提供借鑒。