京雄商高铁跨北京五环路特大桥设计

冯文章

（中国铁路设计集团有限公司 土建工程设计研究院，天津 300308）

1 工程概况

新建京雄商高速铁路跨北京五环路特大桥主桥位于北京市丰台区丰台西站南侧。桥址西侧整体背景为燕山山脉，周边为城市郊区、村镇。勘探深度范围内揭示的地层有第四系人工堆积层杂填土、素填土及填筑土，第四系全新统、上更新统冲洪积层黏土、粉质黏土、粉土、砂土、细（粗）圆砾土及卵石土，第三系上新统全风化及强风化泥岩、砂岩及砾岩。桥位处地震动峰值加速度为0.2g，反应谱特征周期为0.55 s，场地土类别为Ⅲ类。桥址区土壤最大冻结深度为0.8 m。

线路主要技术标准如下：

（1）铁路等级：高速铁路。

（2）设计速度：350 km/h。

（3）正线数目：双线。

（4）正线线间距：5.0 m。

（5）最小平面曲线半径：平面位于直线上。

（6）最大坡度：±1‰。

（7）列车运行控制方式：自动控制。

（8）调度指挥方式：调度集中。

（9）最小行车间隔：3 min。

2 桥跨方案总体设计

2.1 桥跨方案控制因素

（1）地震因素。桥址地处8 度震区，地震烈度较高，从减轻地震响应方面考虑，应尽量降低结构自重，同时尽量缩短桥梁的联长［1-4］。

（2）立交、管线。桥址地处南五环路、南水北调南干渠、芦求北路、天然气管线等控制点，桥跨布置需要综合考虑各个控制点。

采用独塔斜拉桥方案时，将主塔放置在南水北调南干渠与五环路中间，根据平面位置关系2个主跨至少需要170 m。

采用矮塔斜拉桥方案时，主跨考虑跨越五环路和其南侧的芦求北路，小里程侧边跨跨越五环路北侧的芦求北路及南水北调南干渠，根据平面位置关系，主跨需要225 m，跨南水北调干渠侧边跨需要145 m，另一侧边跨长根据研究成果［5］与中跨的比例宜在0.55左右。

（3）温度因素。桥址地区历史极端最高气温高达41.9 ℃，历史极端最低气温-17 ℃，温度变化范围大，因此选择的桥梁结构应尽量降低温度响应，在桥高较矮的情况下不宜选择刚构体系。

（4）无砟轨道高速行车因素。桥上通行无砟轨道，时速350 km，所选择的桥跨类型应具有足够的刚度、强度，满足无砟轨道的相关要求［6-7］。

（5）景观因素。铁路重点桥跨往往是一张地方名片，所选择的桥跨类型应考虑美观性，桥型应与桥址处的整体背景和谐，凸显美观与大气。

（7）经济性因素。所选择的桥跨类型造价应经济合理。从施工方面来讲，所选择的桥型应尽量永临结合，以节省投资。

2.2 主桥结构体系分析

根据以上控制因素，结合常用桥跨结构形式及其在国内外铁路项目的运用经验，并考虑可研设计的桥跨方案，可供该工点选择的桥式方案有：梁拱方案、矮塔斜拉桥方案、斜拉桥方案。

2.2.1 梁拱方案

梁拱方案跨越能力强，建筑结构高度较低，一般采用先梁后拱的施工方案，安全可靠，常用的具体形式如下：

（1）钢桁梁+柔性拱结构体系（见图1）。该结构方案整体质量较轻，抗震性能好，但用钢量较大，约为30 t/m，造价相对较高。施工需采用临时塔、临时扣索，不能实现永临结合，且后期维护工作量较大，从经济性方面考虑不适用。

图1 钢桁梁+柔性拱结构体系

（2）混凝土连续梁+钢管拱结构体系（见图2）。采用混凝土主梁，钢管拱里面也充满混凝土，结构自重过大、支座吨位过大，对抗震不利。且用于该桥时主跨需225 m，主梁完全悬臂拼装施工难度较大，主梁、拱肋施工均需采用临时塔、临时索，不能做到永临结合，不适用。

图2 混凝土连续梁+钢管拱结构体系

（3）刚构连续梁+钢管拱结构体系（见图3）。根据研究成果［5］，刚构体系适用的墩高至少在跨度的1/10左右，而该工点墩高仅约为11 m，体系温度应力较难解决，且自重较大，对抗震不利，施工不能做到永临结合，不适用。

2)滤波。将作为3.1节所述滤波算法的输入，对所有模型Mj并行进行自适应交互双模算法计算，更新xj,k+1|k+1和Pj,k+1|k+1。

图3 刚构连续梁+钢管拱结构体系

2.2.2 矮塔斜拉桥方案

该结构形式具有受力性能好、跨径布置灵活、施工方便、外形美观等特点［9-13］。国内外已运用的矮塔斜拉桥结构体系形式主要有：

（1）斜拉刚构结构体系（墩塔梁固结体系）（见图4）。根据研究成果［14］，刚构体系适用的墩高至少在跨度的1/10 左右，该桥墩高约11 m，体系温度应力难以解决，且自重较大，对抗震不利，不适用。

图4 矮塔斜拉刚构结构体系

（2）半漂浮结构体系（塔墩固结、塔梁分离）（见图5）。该结构一部分恒载及活载通过拉索传递到主塔至桥墩，另一部分通过支座传至桥墩，大大减少了主塔的支座吨位，但高烈度地震工况下塔柱需要承受巨大的纵向弯矩，主塔、基础设计难度大，梁端位移控制难度大，不适用。

图5 矮塔半漂浮结构体系

（3）加劲连续梁结构体系（塔梁固结、塔墩分离）（见图6）。该结构体系可视为主梁具有弹性支撑的连续梁，结构的体系温度力能得到有效释放，施工可实现永临结合，但主梁自重较大，梁端位移较难控制，需要研制大吨位的减隔震支座，主墩基础规模大，该方案需对上部、支座及下部结构与其他轻型结构进行统筹比较。

图6 矮塔加劲连续梁结构体系

2.2.3 斜拉桥方案

斜拉桥具有跨越能力强、受力性能好、外表美观等特点，其主要受力构件为斜拉索、主梁、主塔。一般有刚构体系、全漂浮体系、半漂浮体系等。

（1）刚构体系（见图7）。该体系需要较高的墩高、塔高才能较好地释放温度力，较适用于独塔斜拉桥。但对于高烈度震区，主梁与主塔结合在一起，斜拉索不能提供回复力，主塔处不能设置减隔震设施，会引起主塔底部过大的纵、横向弯矩，主塔、基础设计困难，不适用。

图7 刚构体系斜拉桥

（2）全漂浮体系（见图8）。主梁在主塔处不进行支撑，而是通过在主塔处设置0号索将主梁全部由斜拉索吊起，主梁较柔，一般适用于超大跨度、索距较密的工点，在公路斜拉桥中应用较多，铁路工程中几乎没有应用。对于高烈度震区，梁端位移较难控制，需要研发专用的高阻尼装置，对于中小跨度桥梁来说经济性较差，不适用。

图8 全漂浮体系斜拉桥

（3）半漂浮体系（见图9）。主梁在主塔处设置纵向滑动支撑，边跨较大时需要设置辅助墩。该体系在铁路桥梁中应用较多，如福厦铁路主跨400 m的泉州湾大桥、主跨300 m的安海湾大桥、宁波北环线主跨468 m的甬江桥等。对于高烈度震区，可采用质量较轻的钢箱梁，以减少地震响应，同时通过在主塔、辅助墩、边墩配置阻尼器限制位移。但采用钢箱梁造价相对较高，在方案对比阶段需要对上部、支座、下部等进行统筹对比。

图9 半漂浮体系斜拉桥

2.3 结构体系的确定

结合铁路领域桥梁建设的研究及实践成果，从经济性、抗震性能、受力性能等角度对梁拱、矮塔斜拉桥、斜拉桥方案的各个受力体系进行定性分析论述，认为梁拱体系方案、刚构及半漂浮体系的矮塔斜拉桥方案、刚构及全漂浮体系的斜拉桥方案不适用于该工点，本阶段选择半漂浮体系独塔斜拉桥方案和加劲连续梁体系矮塔斜拉桥方案进行经济、技术对比分析，以确定最优方案。

3 半漂浮体系独塔斜拉桥方案设计

3.1 桥梁结构布置

根据该桥边界条件，初拟主桥的孔跨布置为（40+170+170+40）m，边跨设置辅助墩，结构体系采用半漂浮体系，支座均采用纵横向活动支座，采用横向限位装置进行横向位移控制，桥面以上塔高105 m（见图10）。

图10 桥梁结构布置（独塔斜拉桥）

3.2 主梁

主梁全部采用钢箱梁，单箱5室截面，节间长度为10.5 m，每个节间布置2 道吊点横隔板，3 道节间环形横隔板，钢箱梁桥面布置见图11。

图11 钢箱梁桥面布置

3.3 主塔

主塔采用钻石形，桥面以上有效塔高105 m，塔上拉索间距为2.5 m，上塔柱、横梁采用单箱双室截面，中塔柱、下塔柱采用单箱单室截面，各构件之间设置连通通道及检查设备，桥塔结构见图12。

图12 桥塔结构

3.4 斜拉索

主塔两侧各采用18 对斜拉索，索体采用热挤聚乙烯φ7锌铝合金高强钢丝，锚固构造采用冷铸锚头，标准抗拉强度为1 860 MPa。

3.5 索梁锚固

斜拉索与主塔采用塔内锚固的方式，斜拉索与主梁采用单片锚拉板的构造形式，由钢箱梁边腹板伸出桥面板与锚拉板焊接形成［14］。半漂浮体系独塔斜拉桥方案效果见图13。

图13 半漂浮体系独塔斜拉桥方案效果图

4 加劲连续梁体系矮塔斜拉桥方案设计

4.1 桥梁结构布置

根据该桥边界条件，拟定主桥的孔跨布置为（40+145+225+110）m，边跨设置辅助墩，结构体系采用塔梁固结、墩梁分离的加劲连续梁体系，桥面以上塔高40.5 m（见图14）。

图14 桥梁结构布置（矮塔斜拉桥）

4.2 主梁

主梁采用单箱双室、直腹板、变高度截面形式，箱梁翼缘板宽16.8 m，箱宽13.7 m。底板顶面、地面线形按二次抛物线变化。边、中腹板厚度从梁端到中支点均为线性变化，桥面布置见图15。

图15 桥面布置

4.3 主塔

采用春芽造型的双柱型混凝土桥塔，塔高40.5 m。两塔柱平行布置，主塔构造见图16。

图16 主塔构造

4.4 斜拉索

斜拉索采用AT61、AT73型环氧涂层钢绞线，抗拉强度标准值为1 860 MPa。每个主塔一侧采用9 对斜拉索，平行索面，索面间距8 m。

4.5 预应力

梁体设置纵、横、竖三向预应力体系。加劲连续梁体系矮塔斜拉桥方案效果见图17。

图17 加劲连续梁体系矮塔斜拉桥方案效果图

5 方案对比

独塔斜拉桥跨度紧凑，在温度跨度、梁端转角、支座吨位、景观性方面有较大优势，但造价稍高；矮塔斜拉桥造价较低，但主跨较大，梁端转角不满足规范要求、支座吨位过大、景观效果不如独塔方案。具体方案对比见表1，推荐采用（40+170+170+40）m 独塔斜拉桥方案。

表1 方案对比

6 结束语

跨北京五环路特大桥为京雄商高铁控制性工程，根据桥位控制因素对梁拱、矮塔斜拉桥、高塔斜拉桥开展方案研究，对半漂浮体系独塔斜拉桥方案和加劲连续梁体系矮塔斜拉桥方案进行对比分析，分析过程和结果可为同类工程提供借鉴。