王旭阳
(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)
摘 要：西成客运专线跨越郑西客运专线同时跨越福银高速公路，公路与郑西客运专线斜交角度仅为14°。主桥位于第四层立交处，施工场地条件极为苛刻，既有客运专线运营对施工要求高，因此设计施工难度大。为取得合理的桥式方案以确保既有客运专线安全运营，解决本桥设计施工中技术难题，采用拟定各桥式结构尺寸、有限元分析、动力仿真分析等方法，对4种桥式方案进行对比研究。通过适用、经济、施工、安全等方面的比选，确定采用132 m简支钢桁梁顶推施工方案，本桥式施工方案缩短了施工周期，对既有高铁运营影响较小，顶推施工保证了施工安全。
关键词：铁路桥；钢桁梁；桥式方案；平移；转体;设计
西成客运专线铁路跨越郑西客专北环线立交桥位于西安北站西约10 km，桥址处为四层立交，下层为福银高速公路，福银高速公路为双向6车道，路面宽为38 m，路堤高度约4 m，本桥与高速路交角为74°；中间层为郑西客专北环线的咸阳渭河桥，本桥与咸阳渭河桥交角为14°，郑西客专北环线以(54+90+54) m的预力混凝土连续梁跨越福银高速公路，桥面距地面高17 m，本桥设计主要存在以下技术难点：①跨越正在运营的郑西客运专线，桥梁施工对既有线运营干扰较大，设计需选择对既有客运专线运营影响较小的施工方案；②西成客运专线与郑西客运专线斜交角度小，需要大跨跨越；③本桥位于第四层立交处，施工空间狭小，对施工场地条件提出了更高的要求。
图1 西成客运专线跨郑西客运专线桥址平面
设计荷载：ZK活载。
铁路等级：客运专线。
速度目标值：250 km/h。
正线数目：双线，线间距4.6 m。
线路平纵：桥址位于R=7 000 m的圆曲线上。
轨道：正线采用CRTSⅠ型双块式无砟轨道。
地震动峰值加速度：桥址处的地震动峰值加速度值为0.207g(相当于地震基本烈度8度)，地震动反应谱特征周期0.47 s。
考虑本桥跨郑西客运专线段完全处于半径为7 000 m的圆曲线上，跨郑西客运专线处的主跨不宜过大，否则不满足温度调节器的设置要求，另外本桥主跨在修建过程中郑西客运专线已经开通，主跨过大施工工期较长会对既有线带来较大的安全隐患，因此不考虑较大跨度的桥式方案。从施工方法上考虑，郑西客运专线开通后挂篮悬臂施工的方案将无法实施，能利用“天窗”时间在运营线上以较短时间完成施工，可以考虑转体施工方案和顶推施工方案。为了减少施工过程中对既有线的干扰以及降低施工过程中安全隐患，综合考虑无砟轨道对梁端转角等控制因素的要求，经过研究制定了4种桥式方案进行比选，分别为：①(50+85+50) m连续钢箱梁方案，顶推施工；②(70+128+70) m连续梁方案，平移转体施工；③130 m 简支钢箱拱方案，顶推施工；④132 m 简支钢桁梁方案，顶推施工。
3.1 (50+85+50) m连续钢箱梁方案(图2)
钢箱梁桥主梁为薄壁闭合截面，有着质量轻、节省钢材、抗弯和抗扭刚度大、安装迅速，便于养护，箱形梁可以在工厂制成大型安装单元、结构新颖，外形简洁、美观等优点。根据顶推施工法的思路，为保证主梁有足够的刚度，主跨跨度尽可能小，以在最短时间内顶推就位，跨越郑西客运专线孔跨布置为：一联(50+85+50) m连续钢箱梁，下部采用倒“L”形桥墩。
图2 (50+85+50) m连续钢箱梁模型
(1)主梁
本桥位于半径为7 000 m的圆曲线上，弯梁弯做，主梁采用(50.75+85+50.75) m连续钢箱梁，钢箱梁总长186.5 m，考虑运输、起吊安装等因素，将全梁划分为41个节段，一般节段长4.5 m，梁端支点梁长5.5 m，节段最大质量60 t。
钢箱梁采用单箱单室斜腹板等高箱形截面，如图3所示，梁端至边支点以外0.75 m，梁高5 m，顶宽12.2 m，底宽5.3 m，支点附近局部加宽至5.62 m。钢箱梁顶板厚28 mm，底板厚28 mm，腹板厚28 mm。钢梁顶、底板均设纵向“T” 形加劲肋，间距约为500 mm，腹板高250 mm，翼缘厚180 mm，板厚均为16 mm；顶板加劲肋在距中心各1 000 mm及2 500 mm处纵向加劲肋加高至600 mm；腹板设板式加劲肋，肋高280 mm，板厚20 mm。钢箱梁采用Q370qE钢材，钢箱梁各构件均采用焊接连接。钢箱梁在工厂加工制作后，运至现场拼接。
图3 (50+85+50) m连续钢箱梁断面(单位：mm)
钢箱梁顶面现浇15 cm厚钢筋混凝土桥面板，并在桥面板上铺设TQF-Ⅱ型防水层，防水层表面铺设6 cm厚纤维网混凝土保护层。钢箱梁顶板表面设置φ22 mm×120 mm的剪力钉以便桥面板与钢箱梁较好的结合，间距为0.30 m×0.30 m。
(2)下部结构(图4)
主墩采用倒“L”形矩形实体桥墩。制动墩墩顶纵向4 m，横向5.02 m，墩底纵向6 m，横向7.02 m，纵横向均采用25∶1坡率放坡，墩顶短横梁横向4 m，高2.5 m，与矩形墩连接处设置3 m×3 m梗斜，横梁长8.9 m，桥墩距郑西客运专线接触网回流线的最短距离为3 m，制动墩采用10.6 m×14.6 m×4 m承台，12根φ150 cm的钻孔桩基础，桩长75 m，承台与郑西客运专线平行布置，与线路夹角75°。
图4 连续钢箱梁下部结构(单位：cm)
活动墩墩顶纵向4 m，横向5.02 m，墩底纵向6 m，横向7.02 m，纵横向均采用25∶1坡率放坡，墩顶短横梁横向4 m，高2.5 m，与矩形墩连接处设置3 m×3 m梗斜，横梁长9.4 m，桥墩距郑西客运专线接触网回流线的最短距离为3 m，活动墩采用10.6 m×14.1 m×4 m承台，承台深入郑西客运专线侧进行切角处理，采用11根φ150 cm的钻孔桩基础，桩长75 m，承台线路垂直布置[3]。
为了减少对既有线的干扰，主墩施工时，钻孔桩、承台施工完成后，浇筑18.5 m墩柱，在墩柱以下1 m范围内设置预埋件，然后吊装剩余部分的钢套箱，与混凝土预埋件固结，再在钢套箱内绑扎钢筋，灌注混凝土，完成桥墩施工。
(3)施工方法
为减少桥梁施工对既有线正常运营的影响，对(50+85+50) m连续钢箱梁采用顶推施工方案。连续钢箱梁顶推方案，首先在没有跨越既有线的32 m简支梁桥墩之间设置钢拼装平台，钢梁节段在拼装平台上分批分段拼装完成后，按既定施工步骤将钢梁顶推到设计位置。顶推过程中钢梁底面离既有线的限界最小距离不小于2.5 m。考虑到既有线车辆运行对钢梁存在少量的动力影响，在钢梁未顶推到设计位置前，不顶推时，在墩顶将钢梁设置临时锁定作为保险措施。
3.2 (70+128+70) m连续梁方案(图5)
西成客运专线与郑西客运专线夹角约为14°，主跨为一联(70+128+70) m预应力混凝土连续梁。为保证既有郑西客运专线运营安全，减少施工过程中对既有线运营干扰和加快施工进度，连续梁考虑采用转体施工。但是转体前在连续梁两主墩处平行于既有郑西客运专线挂篮浇筑悬灌段施工时，连续梁外缘线距既有郑西客运专线接触网回流线水平距离偏小，其中大里程侧仅有0.9 m，对既有郑西客运专线运营存在很大的安全隐患，由于本联连续梁主跨已经达到128 m，通过加大主跨跨度来解决此问题已非最佳选择，因此基于此可考虑将连续梁两主墩远离邻近的郑西客运专线左(右)线一定距离平行郑西客运专线挂篮悬臂施工，主梁悬灌形成T构，梁及墩平移至永久墩位，再转体合龙。
图5 (70+128+70) m预应力混凝土连续梁模型
(1)主梁(图6)
主梁采用单箱单室变高度直腹板箱形截面，计算跨度(70+128+70) m，一联总长269.6 m，边支座中心至梁端距离0.8 m，边支点及跨中梁高为5.80 m，中支点梁高9.60 m，梁底曲线为1.8次抛物线，抛物线方程为y=0.002 755x1.8。箱梁顶宽12.2 m，箱梁底宽6.7 m，单侧悬臂长2.75 m，悬臂端厚25.6 cm，悬臂根部厚75 cm。箱梁腹板厚度50～120 cm，底板在箱梁梁体中墩墩顶根部厚140 cm变至跨中及边跨直线段厚52 cm，边支点厚80 cm，顶板厚45 cm，其中箱梁梁体中支点加厚至120 cm，边支点处加厚至80 cm。顶板与腹板连接处设120 cm×40 cm的倒角，底板与腹板连接处设30 cm×30 cm倒角[4]。
图6 (70+128+70) m预应力混凝土连续梁断面(单位：cm)
(2)下部结构
连续梁主墩及边墩墩身均采用圆端形空心桥墩，其中边墩顶帽与墩身之间不设飞檐，尺寸为4.6 m×9.4 m×3.0 m，桥墩空实交界处设置梗肋，墩身内外侧均设坡度，外坡45∶1，内坡75∶1，墩顶最小壁厚0.5 m，墩底实体段高度为2.5 m。主墩顶帽为矩形，尺寸为5.0 m×10.2 m×1.0 m，托盘顶、底尺寸分别为5.0 m×9.8 m、5.0 m×9.0 m。所有桥墩均采用钻孔灌注桩基础[3]。
(3)平移转体系统[12](图7、图8)
平移转体系统基于平推法实施的铁路混凝土连续梁施工方法，是本次方案研究过程中设计的国家新型发明专利技术。平转法转动体系主要有承重系统、顶推牵引系统和平衡系统三大部分构成。承重系统由上转盘、下转盘和转动球铰构成，上转盘支承转体结构，下转盘与承台相连，通过上转盘相对于下转盘转动，达到转体目的；顶推牵引系统由牵引设备、牵引反力支座、助推反力支座构成；平衡系统由结构本身、上转盘12对φ60 cm的钢管混凝土圆形撑脚、大吨位千斤顶及梁顶15号块放置的10 m3的备用水箱构成。为了减小撑脚与下转盘的接触摩擦，撑脚支承面置于同一水平面内，从而使转体发生轻微倾斜时，仍能平稳运行。在下转盘顶面设置外径5.50 m，宽0.9 m的环形滑道，滑道由5 mm厚的不锈钢板及5 mm厚的四氟滑板贴面组成，滑道钢板镶嵌于磨光的环形滑道槽内。平转法牵引系统采用2根12-7φ5 mm钢绞线及对应的千斤顶。转体时采用千斤顶辅助启动，再采用钢索牵引转动，以确保安全。
图7 平移加转体系统(单位：cm)
图8 滑移系统(单位：mm)
通过在承台与转体下转盘间设置8列长26 m的滑道来实现。承台顶部预埋200 mm×100 mm×18 mm的工字钢，下转盘底部预埋10 mm厚的不锈钢板及8 mm厚的四氟板贴面组成与滑道对应的凹槽，形成整个滑道体系。动力系统采用9根8束15-7φ5 mm钢绞线及配套卷扬机。
(4)施工方法
本联连续梁按挂篮悬臂灌注法施工，待施工到最大悬臂状态后，再将墩梁平移，然后利用“天窗”时间转体至设计方位，封闭中跨合龙钢箱后，在钢箱内绑扎钢筋，浇筑合龙段混凝土，最后合龙边跨合龙段。
3.3 130 m钢箱拱桥方案(图9)
下承式系杆拱钢箱-混凝土组合桥跨越能力强，刚度大、噪声小、建筑高度低、动力性能好，随着我国高速铁路的蓬勃发展，应用越来越多。特别是在铁路线跨越城市干道、城市河流、高速公路和铁路等景观要求较高的桥位，该桥式具有明显的竞争优势[6]。本方案跨越郑西客运专线孔跨布置为1孔130 m钢箱拱桥。
图9 130 m钢箱拱桥模型
(1)主拱结构及桥面系(图10)
130 m下承式钢箱系杆拱跨度为131.98 m，全长132.28 m，计算跨度130 m；主拱采用二次抛物线，其方程为y=0.756 9x-0.005 822 3x2，矢跨比1/5.285，矢高24.6 m；系梁、拱肋横向中心距14.6 m，外廓净宽16.45 m。
桥面采用小纵梁钢桥面方案。桥面板厚16 mm，下设4根倒T形大纵梁，15根倒T形小纵梁及 6道板肋[5]；拱角附近设2根端横梁，系梁与吊杆连接处共设12根主横梁，每个节间3根次横梁，全桥共39根次横梁。桥面板上现浇30 cm厚钢筋混凝土，混凝土上设防腐层，防水层及保护层，采用预埋件与无砟轨道连接。
图10 130 m钢箱拱桥跨中断面(单位：cm)
(2)主要杆件
系梁、拱肋、横撑、端横梁为箱形截面，其余为工字形截面。拱肋采用箱形截面，宽1 800 mm，高3 300 mm；系梁采用箱形截面，宽1 800 mm，高3 500 mm；吊杆采用工字形截面，高1 800 mm，顶板作为桥面钢板的一部分；主横梁为倒T形截面，高2 100～2 190 mm，下翼缘板厚宽600 mm，桥面钢板与腹板焊接作为其上翼缘板；次横梁为倒T形截面，高1 400～1 490 mm，下翼缘板宽480 mm，桥面钢板与腹板焊接作为其上翼缘板；纵梁为倒T形截面，其中大纵梁腹板高600 mm，下翼缘板宽240 mm，小纵梁腹板高250 mm，下翼缘板宽180 mm，桥面钢板作为其上翼缘板。
(3)施工方法
为减少桥梁施工对既有线正常运营的影响，拟对128 m简支钢箱拱桥采用先支架拼装再进行纵向顶推的施工方案。
3.4 132 m 简支钢桁梁方案(图11)
考虑到本桥工期较紧，宜在郑西客运专线联调联试前桥墩施工完成，之后进行梁部施工的原则，采用了既有线影响较小的132 m简支钢桁梁方案。由于本桥位于曲线上，钢桁梁需要按直线梁外包设计，桁宽较宽，支座间距较大，桥墩横向尺寸较大，可采用矩形桥墩来解决该问题。
图11 132 m简支钢桁梁模型
(1)主桁及桥面系(图12)
本方案采用1孔132 m无竖杆整体节点平行弦再分式三角桁下承式钢桁梁，桁高20 m，节间长度11 m， 共12个节间，两片主桁中心距为13.9 m。
图12 132 m简支钢桁梁横断面(单位：cm)
主桁上、下弦杆均采用焊接箱形截面，竖板高1 300 mm，内宽1 100 mm，板厚16～40 mm。腹杆采用箱形及H形截面，箱形截面高1 100 mm，外宽1 000 mm，板厚16～46 mm；H形截面高1 000 mm，外宽800 mm，板厚16～24 mm。主桁节点采用整体节点形式，上、下弦杆在节点外拼接，腹杆插入节点板之间拼接，弦杆采用全截面拼接，腹板采用两面拼接。主桁弦杆及腹杆的连接采用M27的高强度螺栓(φ29 mm孔)[5]。
桥面系采用正交异形板无砟轨道方案。桥面钢板厚16 mm，下设4根T形纵梁，高600 mm，下翼缘板宽240 mm，19道T形纵肋，高280 mm，下翼缘板宽180 mm；该桥顺桥向每隔2.725 m设1道横梁，根据其所处的部位分为主横梁和次横梁，端横梁采用箱形横梁，其余截面形式均采用倒T形，横梁的高度均为1350 mm，主横梁翼缘板宽800 mm，次横梁翼缘板宽600 mm。桥面钢板上现浇30 cm厚钢筋混凝土，采用预埋件与无砟轨道连接。横梁与整体节点、纵梁与横梁、纵梁横联与纵梁的连接螺栓采用M24的高强度螺栓(φ26 mm孔)。
(2)联结系(图13)
在上弦杆平面内设置交叉式上平纵联。考虑到受桥门架偏心荷载的影响，端横撑采用扭转刚度较大的箱形截面，高450 mm，宽500 mm。其余横撑和交叉斜杆均采用H形截面，高450 mm，宽420 mm(横撑)和400 mm(交叉斜杆)。所有杆件均采用插入式连接。联结系上的连接螺栓采用M24的高强度螺栓(φ26 mm孔)。
图13 132 m简支钢桁梁桥面系及联结系
(3)桥门架及横联
钢桁梁支点处均设斜向桥门架、每隔2个节间斜杆上设中间横联，桥门架及横联均采用桁式结构。桥门架及横联上的连接螺栓采用M24的高强度螺栓(φ26 mm孔)。
(4)下部结构
桥墩均采用实体矩形墩，其中固定墩墩身纵向5 m，顶帽横向16.4 m，墩身11.2 m，纵向坡率42∶1，横向直坡[3]。
(5)梁端小垫梁(图14)
无砟轨道条件下，桥梁上部结构除需满足规范要求的梁端转角外，还必须考虑到由于梁端竖向转角的影响，造成梁缝处轨道的局部隆起引起的钢轨上拔或下压现象[13，14]。通过计算，本桥在静ZK活载作用下，梁跨中竖向位移为45.5 cm，挠跨比为1/2 900；梁端转角为1.8‰。由于本桥梁端转角不能满足小于1‰的要求，而用加大拱肋或系梁截面的方法减少转角显得很不经济合理，为适应无砟轨道行车要求，需在本桥与相邻梁之间采取设置过渡梁等措施。设置过渡梁梁端转角为0.7‰，满足规范要求。
(6)钢桁梁动力仿真分析
本桥跨度大，钢桁梁结构自重占恒活载总重比例小，且高速铁路列车速度高，动力问题较为突出。
采用有限元方法建立轨道-桥梁三维空间模型，考虑列车动力荷载作用下的轨下结构弹性变形，基于多刚体动力学理论建立考虑二系悬挂的31个自由度的车辆模型，并利用轮轨间可分离接触关系，建立车-轨-桥耦合模型[9-10]。动力仿真结果见表1。
图14 过渡结构设置示意[15]
表1 132 m简支钢桁梁动力仿真分析结果
列车类型列车速度/(km/h)脱轨系数Q/P轮重减载率ΔP/P横向力/kN竖向加速/(m/s2)横向加速度/(m/s2)Sperling舒适性指标竖向横向1600.230.235.400.380.381.692.081800.220.195.910.430.411.732.06CRH22000.240.226.350.470.421.772.112250.260.277.120.510.601.802.162500.360.3511.80.510.691.792.23限值≤0.8≤0.6≤57≤1.3≤1.0评价满足满足满足满足满足优优
(7)施工方法(图15)
图15 132 m简支钢桁梁施工前后
先在平行于既有郑西客运专线一侧施工临时钢支墩，在钢支墩上拼装钢桁梁，同时施工钢桁梁墩台，再要点顶推横向钢滑道，最后横向顶推钢桁梁就位，安装支座及施工桥面系铺装。
对以上4个方案进行详细的动力性能、造价、施工周期及施工方案对既有线影响进行综合比较，本桥主桥桥式方案采用132 m简支钢桁梁顶推施工方案[7，8，11]。各方案综合比较情况见表2。
表2 各桥方案综合比较
项目方案一方案二方案三方案四方案名称(50+85+50)m连续钢箱梁顶推施工(70+128+70)m连续预应力混凝土箱梁平移转体施工130m简支钢箱拱桥顶推施工132m简支钢桁梁顶推施工动力性能梁端转角/rad0.6210.6210.70.7竖向位移/mm-48-48-24.6-45.5主梁主要工程指标主梁Q370qE钢材10.8t/m主梁C55混凝土54.4t/m主梁Q370qE钢材30t/m主梁Q370qE钢材21t/m施工周期/月12221412工程总造价/万元7613.16158.510450.08088.7综合评价优点:1、该方案主跨跨度最小,顶推吨位较小,钢梁在既有线上方通过或停留的时间缩短到最小限度;2、钢箱梁制造技术及顶推技术成熟;3、施工工期短缺点:1、投资较高,墩身距离郑西客运专线较近;3、承台与既有郑西客运专线承台距离较近,承台施工与高速公路边坡有一定干扰优点:1、该方案对既有郑西客运专线的运营影响很小;2、结构合理,造型美观,经济指标优异缺点:1、施工复杂,在施工过程中需要多次临时锁定及解锁平移及转体体系;2、平移和转体相结合的施工方法在国内还属首次尝试,施工工艺尚不是很成熟优点:1.钢箱拱制造技术及顶推技术成熟;2、顶推吨位小,顶推时间短;3、拱桥的美观效果较好缺点:1、需要在高速公路两侧垂直线路方向设置临时门式支架,临时支架需跨越公路和铁路,且跨度较大;2、工程造价较高优点:1.钢桁梁制造技术及顶推技术成熟;2、顶推吨位小,顶推时间短;3、钢桁梁基本都是拴接,施工难度较小,施工周期较短缺点:1、梁端转角较大,梁端转角需要采取相应的措施来满足规范要求;2、相比简支拱桥方案,钢桁梁美观效果较差
受场地狭小、既有客运专线线运营影响、施工周期短影响，本桥方案比选较为困难，方案比选过程中研究了倒L形桥墩，平移转体施工技术获发明专利，解决了跨既有客运专线施工净宽不足难题；使用梁端加垫梁的梁端转角处理措施，解决了客运专线大跨钢结构转角不足问题。132 m简支钢桁梁顶推顺利施工完成，证明了方案选择的安全性和科学合理性，为类似工程设计施工提供参考。
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WANG Xu-yang
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd.， Xi’an 710043， China)
Abstract：Xi’an-Chengdu dedicated passenger railway line crosses over both Zhengzhou-Xi’an dedicated passenger railway line and Fuzhou-Yinchuan expressway. The horizontal oblique angle between the expressway and Zhengzhou-Xi’an railway line is only 14 degree. The main bridge is located at the fourth level interchange. The construction site conditions are harsh and the operation of the existing Zhengzhou-Xi’an railway line poses great challenges to the design and construction. To obtain reasonable bridge type scheme that could ensure railway line operation and solve technical problems in the bridge design and construction， four schemes are compared by way of proposing structure size， finite element analysis and dynamic simulation analysis. The bridge type scheme of 132 m simply supported steel truss beam is selected through comparison in terms of applicability， economy， construction and security. This bridge type scheme could shorten the construction period with less influence on existing high speed railway operation. The parallel and drag construction method guarantees safe construction．
Key words：Railway bridge; Steel truss bridge; Bridge type scheme; Parallel drag construction; Swivel construction; Design
收稿日期：2016-05-06；
修回日期：2016-05-16
作者简介：王旭阳(1984—)，男，工程师，2010年毕业于西南交通大学土木工程学院桥梁工程专业，工学硕士，E-mail：381266363@qq.com。
文章编号：1004-2954(2016)12-0065-06
中图分类号：U442.5+4
文献标识码：A
DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.015
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