京沈客運專線(109.8+170+170+90.8) m V撐連續梁設計

康景亮

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300142)

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京沈客運專線(109.8+170+170+90.8) m V撐連續梁設計

康景亮

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300142)

為實現京沈客運專線對京承高速公路與機場北高速互通區的跨越，京沈客運專線溫榆河特大橋采用(109.8+170+170+90.8) m V撐連續梁結構體系。通過介紹溫榆河特大橋V撐連續梁的工程概況及該箱梁與V撐構造特點、內力分析情況、預應力體系及鋼束布設、動力分析的成果等，論證V撐連續梁方案的可行性，為高速鐵路大跨結構的設計提供有益的參考。

客運專線鐵路；鐵路橋；連續梁；V撐；設計

1　工程概況

京沈客運專線北京樞紐段橋址區地形較平坦，地勢起伏不大，期間多為城市用地和林地。該段線路兩側建筑物較多，跨越溫榆河、機場北線互通匝道等路段。在昌平區東側，京沈客運專線下鉆機場南線后，逐漸并向京承高速向北，此處燃氣管線距離京承高速較近，與京沈客運專線交叉干擾嚴重，為保證安全距離，該處客運專線線位只能向東側偏移，平面線路方案調整為跨越京承高速公路與機場北高速互通區，因此溫榆河特大橋的線位只能從互通中間穿越。但由于布置受各交叉控制點及施工場地等因素制約，無法采用較小跨度的橋式，經對大跨連續梁，矮塔斜拉橋，連續梁加勁拱橋等方案綜合比選，決定采用(109.5+170+170+90) m V撐連續梁進行跨越(圖1)。

圖1　橋梁立面布置(單位：cm)

圖2　主梁截面布置(單位：cm)

V形支撐橋梁結構受力比較合理，當線路跨越道路和通航河流，橋下凈高受到限制且需要布置較大的跨度時，采用V形支撐連續梁可減小橋梁計算跨徑，從而減小截面尺寸，提高橋梁豎向剛度，增強結構穩定性[1-7]。

1.1主要技術標準

京沈客運專線正線數目為雙線，線間距5.0 m；設計最高行車速度250 km/h；設計活載為ZK活載；軌道類型是有砟軌道；線路平面為直線，縱斷面坡度為2.8‰。

1.2主要設計荷載和荷載組合

主要設計荷載包括恒載、活載、附加力、施工荷載以及特殊荷載。其中恒載主要是結構自重和二期恒載，包括鋼軌、扣件、軌道板，以及防水層、保護層、人行道欄桿、電纜槽蓋板及豎墻等附屬設施重力、基礎不均勻沉降。活載主要是列車荷載、橫向搖擺力、人行道活載。附加力包括風力、橋跨結構整體升降溫、體系溫差、日照溫差。施工荷載中掛籃、施工機具、人群等施工荷載按1 300 kN考慮，懸澆混凝土節段周期按8 d/節段計。特殊荷載主要考慮列車脫軌荷載和地震力的作用[8-10]。

荷載組合分別以主力、主力+附加力進行組合，取最不利組合進行設計，并對特殊荷載進行檢算。

2　主體結構簡介

參照已有V撐連續梁設計資料以及客運專線常用大跨結構的設計方案，結合本橋所處特殊地理位置、要求一定景觀性等特點，參照文獻[4-15]，本橋對梁高和頂、底板厚，V撐角度進行了比選，對該橋主要結構構造進行介紹。

2.1箱梁構造特點

本橋箱梁全長541.6 m，計算跨度為(109.8+170+170+90) m，邊支座中心線至梁端1.0 m。V撐支點及其內部范圍主梁梁高10.0 m，中跨跨中10 m直線段、小里程側梁端30.8 m直線段和大里程側梁端10.8 m直線段梁高均6.0 m，梁底下緣按二次拋物線變化。

截面采用單箱單室、變高度變截面直腹板形式(圖2)。箱梁頂寬12.6 m，底寬7.4 m。頂板厚度除中、邊支點處局部變厚至1.35 m和0.75 m外，其余均為0.45 m；腹板厚0.5～0.9 m，按折線變化；底板厚由跨中附近的0.5 m按二次拋物線變化至根部的1.5 m，梁端附近為0.8 m，橫隔板設有孔洞，供檢查人員通過。全聯在V撐支點、中跨跨中和邊支點等處共設置10道橫隔板，梁端橫隔板厚2.05 m，V撐支點處橫隔板厚為3.0 m，中跨跨中橫隔板厚0.8 m。箱梁兩側腹板與頂底板相交處外側均采用圓弧倒角過渡，箱梁懸臂板下設置通長的滴水槽。

全聯梁部共分104個節段，其中有2個邊跨現澆段、3個V撐現澆段、1個邊跨合龍段和2個中跨合龍段，其余為掛籃懸澆段。V撐處現澆梁段長43 m，小里程側邊跨現澆節段長為16.8 m，大里程側邊跨現澆節段長為6.8 m，合龍段長均為2.0 m。

梁體和V撐采用C55混凝土，封端采用C55補償收縮混凝土。

2.2預應力體系

主梁采用三向預應力體系。主梁頂、底板及腹板內布置縱向預應力鋼束。主梁頂板、V撐頂部主梁橫隔板內設置橫向預應力鋼束，主梁腹板內設置豎向預應力筋。

縱、橫向預應力鋼束采用抗拉強度標準值為1 860 MPa的高強低松弛鋼絞線，公稱直徑15.2 mm。管道形成采用金屬波紋管成孔。錨固體系采用自錨式拉絲體系，并采用與之配套的千斤頂設備[11]。

V撐斜腿頂橫梁附近豎向預應力鋼束采用抗拉強度標準值為1 860 MPa的高強低松弛鋼絞線，公稱直徑15.2 mm，管道形成采用金屬波紋管成孔。錨固體系采用自錨式拉絲體系[12]。

除V撐斜腿頂橫隔板附近外，其余位置處的豎向預應力鋼筋均采用φ32 mm預應力混凝土用螺紋鋼筋，型號PSB830，抗拉強度標準值為830 MPa，管道形成采用內徑55 mm鐵皮管成孔。

2.3V撐構造特點

V撐(圖3)斜腿及底座采用普通鋼筋混凝土結構，斜腿頂部與主梁固結，底部通過底座連接，底座底部設2×2共4個支座。斜腿水平傾角為55°，V撐斜腿及底座豎向總高10.5 m，橫橋向寬均為7.4 m，其截面形式均為實心矩形。V撐底座高3.0 m，斜腿厚度最薄為3.927 m，與主梁相交的內外側均用圓弧過渡。

圖3　V撐構造(單位：cm)

2.4支座

采用LXQZ球形鋼支座，1號墩沿橫向布置2個支座，支座墩位15 000 kN，間距5.9 m；5號墩沿橫向布置2個支座，支座墩位10 000 kN，間距5.9 m。2～4號墩為V撐底部，每個墩布置4個支座，支座噸位80 000 kN，橫向間距4.8 m，縱向間距15 m，固定墩設置于3號墩底。支座具體的布置見圖4。

圖4　支座布置(單位：cm)

2.5施工方法

全聯梁部共分104個節段，其中有2個邊跨現澆段(20，21節段)、3個V撐現澆段(0號段)、1個邊跨合龍段(17節段)和2個中跨合龍段(17節段)，其余為掛籃懸澆段(1～16，18，19節段，其中18、19節段需待中跨合龍后再懸澆)。V撐處現澆梁段長43 m，小里程側邊跨現澆節段長為16.8 m，大里程側邊跨現澆節段長為6.8 m，合龍段長均為2.0 m。具體施工步驟如下。

步驟Ⅰ：1～5號墩墩身施工完畢至墩頂，在2～4號墩旁施工臨時支墩和現澆支架等，在支墩(支架)上立模現澆V撐、箱梁0號塊。并將V撐系梁分別與2～4號墩附近的臨時墩臨時固結。

步驟Ⅱ：①拆除2～4號墩墩頂現澆支架，在V撐頂部箱梁0號塊上安裝掛籃。②在掛籃上懸臂對稱澆筑箱梁1～16、1′～16′號節段，預埋相應預埋件。

步驟Ⅲ：①對稱拆除懸臂澆筑梁段兩中跨的掛籃，保留兩邊跨掛藍，安裝兩個中跨跨中臨時剛性連接構造，張拉臨時縱向合龍鋼束，解除2、4號墩處的臨時約束，安裝正式支座。②用懸吊支架現澆中跨合龍段17號箱梁節段，預埋相應預埋件。③同時張拉并錨固兩個中跨縱向預應力束及橫向、豎向預應力筋。④補充張拉并錨固臨時縱向合龍鋼束，拆除3號墩的臨時約束，安裝正式支座。

步驟Ⅳ：移動小里程側邊孔掛籃至16節段，掛籃上懸臂澆筑完成18、19號箱梁節段、預埋相應預埋件，張拉縱向預應力束及橫向、豎向預應力筋。完成后拆除兩邊跨掛籃。

步驟Ⅴ：①適時在1、5號墩旁搭設支架并預壓，安裝邊墩支座，并將1號墩縱向活動支座臨時鎖定。②在邊跨支架上現澆邊跨現澆20號、21號梁段。

步驟Ⅵ：①安裝小里程側邊孔臨時剛性連接構造，并臨時張拉合龍鋼束，解除1號墩縱向活動支座的臨時鎖定。②現澆邊跨合龍段17′，預埋相應預埋件，養生。③待混凝土強度和彈性模量達到設計要求后，張拉并錨固縱向預應力束及橫向、豎向預應力筋。④補充臨時張拉合龍鋼束至設計值。⑤拆除邊孔現澆支架。

步驟Ⅶ：①存梁60 d后進行橋面鋪設等二期恒載工作。②完成主梁施工。

V形墩連續剛構橋施工的重點是形成下部構造薄壁V形墩與上部構造0號塊的穩定三角構造。

施工V撐和主梁0號塊混凝土時，應當在V撐斜腿和箱梁內設置臨時水平預應力鋼束或水平拉桿，并根據現場條件確定其張拉力值，確定臨時預應力粗鋼筋張拉力的原則：墩頂承受上部構造0號塊梁體荷載前后，V形支撐根部內外側混凝土拉應力不超限，并嚴格控制其不出現裂紋。施工時澆筑0號塊的支架不能直接支撐在V形墩斜腿上，以避免V形支撐處于不利的受力狀態。V撐及其頂部0號塊箱梁混凝土應連續澆筑，一次整體灌注成型[13-15]。施工階段編號示意見圖5。

圖5　施工階段編號示意

3　結構受力分析

3.1全橋整體計算

全橋整體計算利用有限元軟件Midas-civil模擬結構施工、運營等不同的階段，計算結構在恒載、活載、預應力、溫度、混凝土收縮徐變、支座沉降、制動力等荷載作用下的強度、應力及變形等。全橋模型如圖6所示。利用Midas軟件建立空間實體模型，分析結構的各個方向的振型模態，對結構進行動力特性分析及抗震計算。

圖6　有限元模型

經計算，主梁上翼緣最大正應力為14.35 MPa，下翼緣最大正應力為13.89 MPa，最大剪應力為3.76 MPa，均符合要求，主梁主要計算結果見表1，結構自振特性及頻率見表2。

表1　主梁主要應力計算結果　MPa

表2　結構自振特性

3.2V撐底座局部應力分析

圖7　局部分析模型范圍(單位：cm)

V撐連續梁橋全橋整體縱向分析不能反映V撐與箱梁連接部分的真實應力狀態，應建立局部實體有限元模型進一步研究該連接部分的應力分布情況。局部計算主要分為從整體計算模型中提取內力，利用結構力學原理對橋墩控制截面進行普通鋼筋的配筋計算，取主梁64 m范圍梁段(圖7)建立有限元模型，利用有限元軟件ANSYS進行網格劃分后形成有限元模型，模型共計70余萬個單元，如圖8所示。

圖8　V撐有限元模型

將模型分為3個部分V2，V4，V8，如圖9所示，考察V撐與箱梁連接部分則選取V4提取結果應力，考察V撐底座板則選取V8提取結果應力，重點關注圖中A、B、C、D4個位置的應力狀況，其中：A點為V撐與箱梁連接部分外側；B點為V撐與箱梁連接部分內側；C點為V撐與底座板相交處；D、E點為支座內側邊緣。

圖9　應力位置

通過局部建模分析計算得出，B處、C處、同側兩支座之間等位置主拉應力在3種組合工況下超過規范限值，在B處、C處、同側兩支座之間等位置需要加強配筋；此外，支座邊緣處主壓應力有應力集中現象，主壓應力超過規范限值，需要做加強處理。

3.3支座選取及敏感性分析

由于本橋兩邊跨跨度不同，所以對于2，3，4號墩各個墩底的4個支座，受力并不均勻，橫向兩支座較為接近，本橋選取支座時按照支反力最大值進行包絡選取。

另外，由于每個V撐墩底都有4個支座，本橋對支座沉降量有較高要求，故對此支座相對位移值進行了敏感性分析。通過計算得出，施工過程中需加強V撐底座支座處支點變位的監控，必須保證施工過程中每個V撐底座的4個支點中，任一點與其余3點的沉降差不大于1 mm。

4　結語

相對于大跨連續梁，V撐連續梁將支點伸入了主跨跨徑，縮短了有效跨徑，有效地減小了跨中正彎矩及支點處的負彎矩，有效降低了梁高，節約了材料，具有較好的經濟性；相對于連續梁加勁拱，V撐連續梁方案減少了對施工場地的占用，降低了施工期間對機場北線立交橋交通的影響；而相對于矮塔斜拉橋方案，V撐連續梁方案能夠有效降低造價；此外，V形撐支撐橋梁以其上部構造輕巧，線條流暢，橋型美觀，整體結構受力合理，造價經濟等優點，已經被廣泛應用于橋梁設計當中[11]。

本文通過介紹京沈客運專線溫榆河特大橋(109.5+170+170+90) m V撐連續梁橋箱梁與V撐構造特點、內力分析、預應力體系及鋼束布設、動力分析的成果等，為高速鐵路大跨結構的設計提供有益的參考。

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Design of (109.8+170+170+90.8) m V-Support Continuous Beams on Beijing-Shenyang Dedicated Passenger Railway

KANG Jing-liang

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China)

To across over Beijing-Chengde expressway and the interchange area of Airport North expressway，a (109.8+170+170+90.8) m V supporting continuous beam system is used in Wenyu River Bridge，a super large bridge located on Beijing-Shenyang dedicated passenger railway line.In this paper，the structural characteristics of the box girder and V support，the internal force analysis results，the prestressed system and dynamic analysis results are introduced，which provide

for the design of long-span structures of high-speed railway.

Dedicated passenger railway line; Railway bridge; Continuous beam; V support; Design

2016-03-09；

2016-03-29

康景亮(1982—)，男，工程師，2009年畢業于北京交通大學橋梁工程專業，工學碩士，主要從事橋梁工程設計與研究工作。E-mail：55452396@qq.com。

1004-2954(2016)10-0062-05

U448.21+5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.015