謝海林

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

1 概述

廣深港客運(yùn)專線是我國京港高鐵的重要組成部分。沿線經(jīng)過廣東省的廣州市、東莞市、深圳市及香港地區(qū),線路跨越的珠江三角洲是一個廣闊平原及交錯的網(wǎng)河區(qū),網(wǎng)河區(qū)內(nèi)水道密布,西北江三角洲網(wǎng)河相互貫通,河網(wǎng)密度達(dá)0.81 km/km2,東江三角洲自成一體,河網(wǎng)密度達(dá)0.88 km/km2。

廣深港客運(yùn)專線主要跨越屏山涌(石壁河)、紫坭河、沙灣水道、淺海、蕉門水道、騮崗水道、浮蓮崗水道和獅子洋等河道。

由于地處沿海,受南亞季候風(fēng)影響,臺風(fēng)、暴雨及冷峰都比較強(qiáng)烈,造成冬春季節(jié)多陰雨并有冷空氣侵襲,雨季長,夏秋汛期多臺風(fēng)暴雨,對鐵路建筑物,特別是橋梁工程影響大。

本線受臺風(fēng)、洪水、潮水等自然條件的影響,部分地段上層覆蓋深厚淤泥及淤泥質(zhì)黏土(厚達(dá)20 m),存在砂土液化及軟土震陷,地質(zhì)條件很差。

線路全長145 km,其中有大中橋梁47座,橋梁總長56.0 km。本線橋梁以簡支箱梁為主,大跨結(jié)構(gòu)主要有連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)、連續(xù)梁拱、拱橋等結(jié)構(gòu)形式,跨越道路交角很小,采用了斜交剛架來滿足交通要求。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)鐵路等級：客運(yùn)專線

(2)設(shè)計活載：ZK荷載

(3) 設(shè)計行車速度：350 km/h

(4) 線間距：5.0 m

(5)最小曲線半徑：7 000 m

(6)限制坡度：20‰

3 橋梁設(shè)計特點(diǎn)

廣深港客運(yùn)專線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高；沿線地處經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的珠三角,城鎮(zhèn)化水平高；通航河流多；高等級公路多；城鎮(zhèn)規(guī)劃多。因線路所經(jīng)地區(qū)具有“二高三多”的特點(diǎn),而采用了大量復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)類型,大跨度橋梁也很多。本線的橋梁設(shè)計主要有以下特點(diǎn)。

(1)大量采用大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土梁

本線多次跨越沿線大江大河及高等級公路,線路的走向影響橋式方案,而客運(yùn)專線線路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較高,最小曲線半徑為7 000 m,導(dǎo)致鐵路與多處河流與公路的交角很小,個別地方鐵路與公路交叉處幾乎平行,因此長聯(lián)大跨度彎連續(xù)梁出現(xiàn)較多。具有長聯(lián)、大跨、彎梁三大特點(diǎn)的預(yù)應(yīng)力混凝土梁,其梁體的變形是關(guān)鍵,在溫度和收縮徐變作用下,梁體的變形如何發(fā)展,將對軌道產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

(2)無縫線路及道岔區(qū)橋梁設(shè)計

本線一次性鋪設(shè)無縫線路,設(shè)計中考慮了縱向長軌力、撓曲力、斷軌力的影響,橋墩線剛度對橋上無縫線路縱向力的影響。

道岔區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵在于其縱向變形的連續(xù)性、剛度均勻性。因此為確保道岔區(qū)長期正常運(yùn)營,對橋式布置和梁部及基礎(chǔ)的變形都進(jìn)行了嚴(yán)格控制。

(3)橋梁結(jié)構(gòu)采用耐久性設(shè)計

橋梁結(jié)構(gòu)地處河網(wǎng)化地區(qū),與珠江緊鄰,遭受風(fēng)浪、水質(zhì)等多種自然因素的作用,對橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性影響較大。近年來對結(jié)構(gòu)尤其是高等級鐵路的耐久性的重視已上升到與結(jié)構(gòu)安全性同等的高度。因此設(shè)計中非常重視其結(jié)構(gòu)耐久性,通過采取提高混凝土強(qiáng)度等級,加大橋涵混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度,橋梁頂面設(shè)置防水層和保護(hù)層,預(yù)埋鋼板采用多元合金共滲或滲鋅+封閉城處理,擋塊及螺栓采用滲鋅處理等一系列措施來保證全線橋梁的結(jié)構(gòu)使用壽命。

4 一般橋梁設(shè)計

橋梁孔跨以32 m整孔箱梁為主,24 m和20 m箱梁原則上用于調(diào)整孔跨。簡支箱梁以預(yù)制架設(shè)施工為主,當(dāng)受地形條件、交通和隧道限界制約,無法運(yùn)梁等因素限制而無法采用預(yù)制架設(shè)法施工時,箱梁考慮采用切翼板后架設(shè)或現(xiàn)澆施工?？缭胶拥?、公路需要較大跨度跨越時,可采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,并盡量采用標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)梁,當(dāng)線路與道路、渠道、河流斜交,橋梁凈空受限時,采用了斜交剛架跨越等。

橋臺采用雙線矩形空心臺；橋墩一般采用圓端形空心墩,橋墩高度小于6 m時,采用圓端形實(shí)體墩,跨公路、鐵路既有線兩側(cè)的橋墩以及水中墩承臺至水面以上1 m范圍采用實(shí)體墩。

橋梁基礎(chǔ)類型一般采用樁基礎(chǔ),對于地質(zhì)條件較好的部分考慮采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。典型橋梁全橋布置見圖1。

圖1 典型橋梁全橋布置(單位：cm)

5 特殊結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計

全線大跨特殊結(jié)構(gòu)較多,結(jié)構(gòu)形式主要有連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)、連續(xù)梁拱、提籃拱、拱橋等,此外為解決線路與高等級道路的立體交叉問題多處采用了斜交剛架,以及橋建合一的3座高架車站,現(xiàn)將具有代表性的橋梁結(jié)構(gòu)介紹如下。

(1)跨越紫坭河和沙灣水道采用104 m+2×168 m+112 m連續(xù)剛構(gòu)

沙灣水道通航論證要求的通航凈空為2-151 m,結(jié)合航跡線分布、防洪要求及線路布置的實(shí)際情況,主跨采用2-168 m以滿足通航需要,考慮到防洪的需要,左右邊跨分別采用112 m和104 m孔跨。如圖2所示。

通過梁高、薄壁墩厚度、合龍順序和預(yù)頂力等的比較,確定了合理的結(jié)構(gòu)尺寸,該梁梁部采用全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),主梁截面采用單箱單室直腹板變截面,箱頂寬13.4 m,箱底寬8.0 m,中支點(diǎn)處梁高11.0 m,邊直段及中跨中處梁高6.0 m,梁底緣用拋物線連接。梁部采用C60高強(qiáng)混凝土,縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力索體系,其中縱、橫索采用φj15.20 mm低松弛高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線,豎向索采用φ32 mm精軋螺紋鋼筋。主梁橋墩采用C50鋼筋混凝土,中主墩為圓形空心墩,墩直徑采用8.5 m,壁厚1.5 m；邊主墩為雙薄壁墩,壁厚2.2 m,橫橋向?qū)挾?.0 m,兩薄壁中心距6.5 m。

圖2 連續(xù)剛構(gòu)立面(單位：cm)

斷面如圖3所示。

圖3 主梁斷面(單位：cm)

本橋跨度大,聯(lián)長達(dá)553.6 m,為當(dāng)時時速350 km無砟軌道最大跨度,設(shè)計采用雙薄壁墩,中間橋墩為減小對通航及防洪的影響,采用圓形橋墩,很好地解決了連續(xù)剛構(gòu)的剛度分配問題。

(2)跨越騮崗水道采用76 m+160 m+76 m連續(xù)梁拱(圖4)

該橋?yàn)榭缭津t崗水道而設(shè),為滿足了騮崗水道單孔雙向通航的要求,采用了160 m的跨度,因騮崗水道距離車站較近,而橋墩較矮,不宜采用連續(xù)剛構(gòu),為降低了橋梁高度,采用了連續(xù)梁拱組合橋型。

主梁采用單箱雙室變高度箱形截面,跨中及邊支點(diǎn)處梁高4.0 m,中支點(diǎn)處梁高8.5 m,梁高按圓曲線變化。采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系?？缰袛嗝嫒鐖D5所示。

圖4 連續(xù)梁拱立面(單位：cm)

圖5 跨中斷面(單位：cm)

箱梁頂寬14.2 m,中支點(diǎn)處局部頂寬16.3 m；箱梁頂板厚0.42 m,中支點(diǎn)處加厚至1.02 m；箱梁底寬10.8 m,中支點(diǎn)處局部底寬13.6 m；底板厚度0.35～0.874 m,中支點(diǎn)處加厚至1.40 m。

箱梁采用直腹板,腹板厚分0.40、0.55、0.70 m三種,中支點(diǎn)處邊腹板局部加厚至1.30 m。箱梁共設(shè)5道橫隔板。

拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu),計算跨度L=160.0 m,設(shè)計矢高f=32.0 m,矢跨比f/L=1∶5,拱軸線采用二次拋物線,拱肋采用等高度啞鈴形截面,截面高度3.0 m。吊桿順橋向間距9 m,全橋共設(shè)15組雙吊桿。

76 m+160 m+76 m連續(xù)梁拱結(jié)構(gòu)是預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁與鋼管混凝土拱的組合橋型,創(chuàng)國內(nèi)鐵路連續(xù)梁拱組合橋梁跨度新紀(jì)錄,是廣深港客運(yùn)專線的控制工程之一。

(3)跨越蕉門水道采用75 m+2×135 m+75 m連續(xù)梁

該橋?yàn)榭缭浇堕T水道而設(shè),因河道與線路的夾角為44°,為滿足雙孔單向通航,采用75 m+2×135 m+75 m連續(xù)梁,該連續(xù)梁全長421.5 m,為廣深港客運(yùn)專線的控制工程之一。連續(xù)梁平、立面如圖6所示。

通過靜力計算確定了中支點(diǎn)梁高為10 m,跨中梁高為5.8 m,邊支座中心線至梁端0.75 m,邊支座橫橋向中心距6.0 m,中支座橫橋向中心距5.8 m。標(biāo)準(zhǔn)橋?qū)?3.4 m,為單箱單室型箱梁結(jié)構(gòu),頂板0.45 m,底板厚0.45～1.2 m,腹板厚0.5～0.95 m。中支點(diǎn)橫隔板寬度3.0 m,邊支點(diǎn)橫隔板寬度1.95 m,中跨中橫隔板厚1.0 m。主梁斷面如圖7所示。

圖6 連續(xù)梁平、立面(單位：cm)

圖7 主梁斷面(單位：cm)

采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系,按預(yù)應(yīng)力混凝土全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計。

該連續(xù)梁是目前時速350 km客運(yùn)專線上跨度最大的連續(xù)梁。通過靜力計算和動力分析,確定合理的截面尺寸,滿足高速鐵路對大跨度梁在縱橫向剛度的要求,使梁體的剛度在合適的范圍內(nèi)和通過調(diào)整縱向預(yù)應(yīng)力鋼絞線來實(shí)現(xiàn)控制工后徐變的量值。

(4)跨越市良路(S362)處采用112 m提籃拱

鐵路跨越市良路(省道)的交角較小,且道路一側(cè)為河流,一側(cè)山體,采用連續(xù)梁需要開挖山體,經(jīng)比選采用結(jié)構(gòu)剛度大,造型美觀的提籃拱來滿足立交要求。提籃拱立面如圖8所示，跨中斷面如圖9所示。

112 m提籃拱,按尼爾遜體系布置吊桿,采用預(yù)應(yīng)力混凝土系梁。結(jié)構(gòu)橋長116.0 m,計算跨度112.0 m。

拱肋：采用豎置啞鈴形鋼管混凝土截面,按等截面布置,截面h=3.0 m,鋼管直徑為1 200 mm,由厚18 mm的鋼板卷制而成,每根拱肋的2鋼管之間用鋼板焊接形成啞鈴形。兩拱肋拱頂中心距9.19 m,拱腳處中心距16.2 m,拱肋內(nèi)傾9°,即與水平面的夾角為91°。拱軸線采用懸鏈線,矢高f=22.40 m,m=1.347。鋼管內(nèi)用C50無收縮混凝土填充,鋼管及鋼板采用Q345q-D和Q235鋼材。

系梁：為單箱三室截面,底板在3.0 m范圍內(nèi)上抬0.50 m以減小風(fēng)阻力。橋面箱梁頂寬17.8 m,梁高2.5 m。系梁吊點(diǎn)處設(shè)橫梁,橫梁為實(shí)體截面,縱向厚度為0.4～0.6 m,中間設(shè)進(jìn)人孔。系梁箱體底板厚度為28 cm,頂板厚度為30 cm,邊腹板厚度為35 cm,中腹板厚度為30 cm。系梁采用C45混凝土。

吊桿：吊桿布置采用尼爾森體系,在吊桿平面內(nèi),吊桿水平夾角在52.10°～68.67°；橫橋向水平夾角為81°。吊桿間距為8 m,兩交叉吊桿之間的橫向中心距為341 mm。吊桿均采用127根φ7 mm高強(qiáng)低松弛鍍鋅平行鋼絲束,冷鑄鐓頭錨,索體采用PES(FD)低應(yīng)力防腐索體,并外包不銹鋼防護(hù)。吊桿的疲勞應(yīng)力幅為75 MPa,在主+附作用下的最大應(yīng)力幅值為143 MPa。

圖8 提籃拱平、立面(單位：cm)

圖9 提籃拱跨中斷面(單位：cm)

橫撐：兩拱肋之間共設(shè)5道橫撐,拱頂處設(shè)“X”形撐,拱頂至兩拱腳間設(shè)4道“K”形橫撐。橫撐由φ600、φ500和φ360 mm的圓形鋼管組成,鋼管內(nèi)部不填混凝土,其內(nèi)外表面均需作防腐處理。

該結(jié)構(gòu)剛度大,造型美觀,不僅能較好滿足高速鐵路的要求,而且解決橋下為路塹形式的高速公路的立交問題。

(5)跨東新高速采用的2-17.5 m斜交剛架

東新高速公路與廣深港客運(yùn)專線相交處公路里程為K16+203,設(shè)計為雙向6車道,鐵路與高速公路交叉角度13.2°,剛架跨越處公路部分為橋梁,部分為路基,其中DK7+373.89～DK7+515.1(對應(yīng)公路橋梁臺尾里程為K16+240.72,公路設(shè)計高程6.136 m)為路基,長度141.21 m,填筑高度4.9 m,路基面寬度為33.5 m；DK7+515.1～DK7+593.75為橋梁,長度為78.65 m。

2-17.5 m異形剛架橋,共由7個跨線異形剛架及2個異形橋臺組成,跨度構(gòu)成為(樁號前進(jìn)方向)15.293 m(164號橋臺)+2×24.7 m+30.3 m+33.5 m+30.3 m+2×24.7 m+11.667 m(165號橋臺),全長219.86 m。剛架頂板厚1.2 m,側(cè)墻厚1.2 m,剛架高度16.5 m,各側(cè)墻開窗位置距承臺頂面4.95～5.4 m,窗口高度3.8 m,凈寬1.5 m,窗間凈距為2.5 m。剛架與簡支梁之間采用異形橋臺連接。斜交剛架平面如圖10所示，斜交剛架斷面如圖11所示。

該結(jié)構(gòu)建筑高度小,結(jié)構(gòu)剛度大,能較好地解決鐵

圖10 斜交剛架平面(單位：cm)

路線路與道路夾角較小的問題,與采用大跨度的連續(xù)梁或者連續(xù)剛構(gòu)相比能夠有效地降低線路的高程,節(jié)省工程造價。

6 結(jié)語

廣深港客運(yùn)專線橋梁是我國京港客運(yùn)專線橋梁最為復(fù)雜的一段,許多橋梁設(shè)計都創(chuàng)造了國內(nèi)外橋梁結(jié)構(gòu)之最,其中70 m+160 m+76 m連續(xù)梁拱和75 m+2×135 m+75 m連續(xù)梁的設(shè)計入選了中國企業(yè)新紀(jì)錄；跨越紫坭河和沙灣水道采用104 m+2×168 m+112 m連續(xù)剛構(gòu)橋梁,橋上采用無砟軌道,在時速350 km客運(yùn)專線尚屬首次；跨東新高速公路采用的2-17.5 m斜交剛架,成功地解決了鐵路與公路交角小的難題。廣深港客運(yùn)專線針對線路的實(shí)際情況,因地制宜所做出的設(shè)計嘗試,為我國在河網(wǎng)化地區(qū)、城鎮(zhèn)化發(fā)達(dá)地區(qū)的客運(yùn)專線積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn),并具有一定的創(chuàng)新意義。

圖11 斜交剛架斷面(單位：cm)

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