大興機場線共構結構總體設計研究

張付賓，李圣強

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京市 100055）

1 概述

共構結構體系一般為路- 軌共構，類似于鐵路公鐵兩用橋[1]，公路在上，軌道交通在下。目前國內有兩條軌道交通采用共構結構, 分別為上海軌道交通1 號線與共和新路一體化工程[2-5]（2003年建成）、寧波軌道交通4 號線與北環路一體化工程[6-10]（2014年建成）。橋墩均布置于道路的中央綠化帶內，兩橋墩之間不設置地面交通，上層公路均為雙向六車道。

大興國際機場線高架區間全長16.2 km，K16+216.13～K24+107.42 段共計7.9 km 范圍內為大興機場高速公路、大興機場線、團河路和地下綜合管廊四層立體敷設段落，斷面布置如圖1 所示。共構體系橋墩為“開”字形結構，分為上、中、下三層。上層供高速公路使用，為雙向八車道。中層供大興機場線使用，設計時速160 km。地面層橋墩外側為團河路，一級公路，設計時速80 km，在兩橋墩承臺基礎之間、地面之下布置有綜合管廊。

圖1 四層立體共構體系斷面圖

在高速公路與地面交通互通區域，適應高速公路匝道布置的需要，設置四墩柱共構結構。保持兩墩柱結構尺寸不變，墩柱兩側各設上橫梁和墩柱。

2 共構結構體系的確定

2.1 方案研究

本工程在下穿京滬高鐵后為大興機場線、高速公路、京雄高鐵共走廊段，三線橫斷面布置影響建設工期、用地、工程投資等，需進行方案比選，確定推薦方案。寧波北環路曾就道路和軌道交通工程的布置形式進行分析研究[6]，這里將其作為本方案研究參照之一。

共走廊段重點研究三個方案，分別為：

方案一：平鋪方案，大興機場線位于機場高速西側，如圖2 所示。

圖2 方案一（單位：m）

方案二：大興機場線位于高速公路路中，如圖3所示。

圖3 方案二（單位：m）

方案三：大興機場線與高速公路共構，如圖4 所示。

圖4 方案三（單位：m）

方案四：大興機場線與高速公路、高鐵共構，如圖5 所示。

圖5 方案四

方案四對應大興機場線與高速公路、京雄高鐵共結構。機場高速位于上層，大興機場線和京雄高鐵平行布置位于中間層。本方案充分利用了高速公路投影用地，占地最省。

方案四雖然占地最省，但是將軌道交通、鐵路、高速公路放在一個結構上，存在協調難度大、景觀效果差、后期運營維護困難等特點，鑒于本項目的特點，本方案不列入比選范圍。

2.2 方案比選

上述前三個方案，高鐵工程獨立，且與其他工程距離保持不變。主要研究大興機場線和高速公路工程的布置和相互關系。上述三種方案均有可實施性，都能滿足功能需要，在占地、工程造價、工期等方面各有優缺點。根據實施規劃，以11.1 km 長線路結合項目特點進行綜合比選。

2.2.1 工程占地

由表1 可以看出，方案三征地面積最多可節省316.35 hm2，征地費最多節省4.745 億元。

表1 共走廊段工程占地比較

2.2.2 工程投資

由表2 可以看出，方案三（共構方案）和方案一（平鋪方案）在工程建設費上差異較大，在11.1 km的共構段非共構方案比共構方案工程建設費節省3.18 億元。方案三根據新機場高速公路的需要，與地面道路立交互通，橋面加寬，共構墩的寬度隨之加大。方案三高速公路立交區域投資需增加1.5 億元。

表2 工程投資比較

2.2.3 建設工期比較

方案一施工時互不影響，施工方便。

方案二施工時會相互干擾，需做好組織，協調要求和難度較大。

方案三施工時高速公路梁體需橋墩施工完方可施工，高速公路和軌道交通梁體架設需做好協調，施工時序較為明確。

2.3 方案確定

方案三在占地方面優勢最大，征用土地費用可節省4.745 億元。在工程投資方面，共構結構多花費4.68 億元。建設工期方面，方案三比其他方案慢2～3 個月。

采用方案三可顯著節約土地資源，土地綜合利用率最大化，能夠帶來更好的社會效益和經濟效益。建設后期，共走廊范圍內布置綜合管廊。如果采用方案一或方案二，均需重新征用土地。方案三可以將綜合管廊布置于共構結構投影范圍內，無須重新征地。

綜合以上分析研究，部分共走廊段采用路- 軌共構方案。

3 共構結構方案研究

3.1 共構結構斷面確定

共構結構在地面以上一般為雙層結構，公路交通在上，軌道交通在下。根據公路和地面綠化帶寬度，斷面形式為“Y”字形和“H”字形[5-6]。

上海共和新路高架橋墩采用“Y”字形，公路為雙向六車道，寬25.5 m。下墩柱外側寬度為9.5 m，內側凈寬為6.9 m。上墩柱橋墩采用1∶3 坡度，上下墩柱截面尺寸保持統一。

寧波軌道交通4 號線與北環快速路共構結構橋墩采用“H”字形。北環快速路為雙向六車道，寬25 m。墩柱外側寬度為12.0 m，內側凈寬為9.1 m。上下墩柱截面尺寸保持統一。

“Y”字形下墩柱外側寬度更小，對地面綠化帶寬度要求較低。“H”字形下墩柱外側寬度較大，對綠化帶寬度要求高，但對上層公路縱、平面變化適應性好。

本線共構結構對應高速公路為雙向八車道，寬38 m。軌道交通橋面寬度為11.4 m，總體設計階段考慮在兩墩柱之間設置規劃團河路，一級公路，雙向四車道，凈寬需17.0 m。共構段占7.9 km，軌道交通和高速公路在共構段南北兩側分離，結構形式需適應高速公路縱段和平面的變化。

綜合以上因素，大興機場線共構段采用“H”（開）字形斷面。

3.2 設計規范研究選用

共構結構分別承擔著高速公路和軌道交通項目，分別對應不同的設計規范。

高速公路梁采用預制混凝土小箱梁，簡支結構，橋面連續，汽車荷載采用公路—Ⅰ級。新機場線采用預制箱梁，簡支結構；活載采用市域列車活載，8 輛編組。

高速公路和軌道交通設計分別對應《公路橋涵設計通用規范》（以下簡稱“公規”）和《鐵路橋涵設計規范》（以下簡稱“鐵規”）。前者采用基于“極限狀態設計理論”的“荷載系數法”的設計方法[3]；后者按“容許應力法”設計。兩種設計理論有著差異，對于共同承受公路橋梁及地鐵高架荷載的下立柱及基礎，有必要綜合考慮安全性與經濟性，對兩種設計方法加以研究、分析比對。

按照不同工程對應的結構位置，各構件采用的規范見表3。

表3 設計規范采用

對于下層墩柱、承臺和樁基礎，按照公規和鐵規分別進行計算分析。

按照公規計算下部結構，即按照極限狀態法設計。其基本思路是將列車活載（一種特殊車輛與鐵規中的附加力）作為可變作用考慮，鐵規中的特殊荷載作為偶然作用考慮。其荷載組合分項系數按照規范選取。

按照鐵規計算下部結構，即按容許應力法設計。其基本思路是將公路活載作為主力活載考慮。

分別對應不同荷載組合和系數的選取，最終計算結果見表4。

表4 主要計算結果

計算表明，按鐵規計算所得配筋率比公規高約7%，地震力大約6%。結構的剛度、位移均滿足現行規范要求。

通過對比分析可知，按鐵規計算所得配筋率比公規高約7%，因此公路梁、上蓋梁、上層墩柱采用公規設計，軌道梁、下蓋梁、下層墩柱采用鐵規設計。該設計方案經濟可行。

抗震設計推薦采用《城市軌道交通結構抗震設計規范》計算。

4 雙墩柱結構研究

4.1 截面確定

雙墩柱共構橋墩結構截面由地面交通的寬度和凈空，軌道交通限界、梁寬，高速公路寬度共同決定。

共構方案確定后，規劃團河路位于地面層兩墩柱之間，雙向四車道，考慮道路寬度和安全距離，凈寬17 m，凈空5.5 m。建設過程中，道路移至墩柱外側，墩柱間寬度保持不變，作為綜合管廊通道。

軌道交通位于中間層，橋寬11.4 m（包括欄板），支座+支撐墊石高0.5 m，梁高2.0 m，軌道高度0.6 m，建筑限界7.25 m，凈空按10.5 m 考慮。

高速公路設計為雙向八車道，上橫梁寬度為36.5 m。

根據受力需要，橋墩尺寸橫向寬度為1.8 m，中橫梁高度為2.2 m，上橫梁高為2.505 m（最高點）。由此，標準雙墩柱共構結構的截面尺寸確定：高22.5 m（最小），頂寬36.5 m，底寬20.6 m，中橫梁高9.5 m（最小）。

4.2 上橫梁截面

共構橋墩上橫梁寬36.5 m，中間向兩側設置橫向排水坡，坡度為2%，截面最高為2.505 m，縱向寬度為2.4 m。懸臂長7.95 m，變高度，由根部截面高2.65 m 變化為最外側截面高1.5 m。懸臂和墩柱采用圓弧過渡。上橫梁對應24 片公路簡支小箱梁和支座。采用預應力混凝土結構，混凝土等級為C50。上橫梁體量較大，考慮實心和空心兩種方案進行比選。

空心方案考慮以下因素：

（1）公路橋梁墊石、混凝土擋塊的鋼筋預埋和抗震擋塊錨栓預埋長度。

（2）橫梁預應力鋼束的布置。

預應力鋼束分為三排，每排4 根。為滿足鋼筋長度和預應力鋼束布置要求，空心橫斷面如圖6 所示。

圖6 上橫梁空心方案

空心設置范圍為上橫梁兩懸臂根部之間。空心和實心方案對比情況見表5。

表5 空心和實心方案對比

采用空心截面可以節省10%混凝土用量，上部公路梁恒載反力為2230.7 t，上橫梁自重占比為20.4%，空心截面自重節省重量占比為2.6%，占總荷載（恒載+ 活載）的2%。在成橋狀態下，上橫梁跨中截面上下緣壓應力分別相差1.0 MPa 和1.3 MPa。

采用空心截面可以節省部分混凝土，減少自重，在相同的預應力鋼束作用下，空心方案有更好的應力儲備。但增加施工工序，增加模板，降低工效，綜合效益不顯著。故最終采用方案一（實心方案）。

4.3 施工方案

共構橋墩高至少22.5 m，上橫梁重量571.6 t，橋墩高，體量大。上海共和新路曾對施工方案進行分析研究[4，10]。結合本工程特點對施工方案進行了研究和比選：裝配式和滿堂支架+鋼管支架現澆。

共構結構上橫梁進行裝配式方案研究，如圖7所示，墩頂上橫梁段長17.25 m 采用預制結構，為不對稱截面。預制段吊重276 t，不平衡彎矩為514.0 kN·m。橋墩最低為22.5 m，需500 t 以上履帶吊設備，對設備要求較高，設備供應與工期壓力存在較大的矛盾，經濟性沒有優勢。

圖7 共構結構上橫梁裝配式方案（單位：cm）

支架現澆是比較成熟的施工方案，中橫梁高8.5 m 左右，采用滿堂支架。上橫梁采用鋼管立柱+貝雷梁，在橋墩內外兩側設兩排鋼管立柱，鋼管頂設貝雷梁（見圖8）。本方案工藝成熟，搭設方便，施工靈活，安全可靠，對設備要求低，經濟性較好，在經濟性、安全性和適應性上有較大優勢。

圖8 結構施工支架方案（單位：mm）

4.4 施工順序對結構的影響

共構結構中橫梁和上橫梁采用預應力混凝土結構，預應力均采用二次張拉。受工期和現場施工條件影響，梁體分別采用架橋機架設和履帶吊吊裝方式。架梁作業方式和工序對結構帶來不同的影響。

施工順序一：下墩柱及中橫梁施工完成后，張拉中橫梁預應力，架設軌道梁，然后施工上墩柱及上橫梁，架設公路梁。

施工順序二：共構橋墩整體澆筑完成，部分張拉中橫梁和上橫梁預應力鋼束后，進行梁體架設作業。

兩種工序結構主要截面應力情況見表6。

表6 主要計算結果（成橋階段）

經計算分析表明，兩種施工工序對中橫梁、上橫梁應力影響不大，橫梁應力損失最大約0.3 MPa，工序二成橋后橫梁豎向變形相對較小，中橫梁恒載撓度最大相差0.6 mm。

5 四墩柱方案研究

四墩柱結構保持雙墩柱結構型式、尺寸和墩間距不變，在團河路外側增設一墩柱和上橫梁，不設中橫梁（見圖9）。四墩柱上橫梁最寬為58.5 m，墩高與雙柱墩保持一致。

圖9 四墩柱結構方案

本設計對最外側兩墩柱和橫梁的連接方式進行研究，考慮兩個方案：支座連接和墩梁固結。

支座連接是指在外側墩柱頂設置橫向活動支座。支座具有調高調平功能，墩柱和橫梁通過支座連接。上橫梁在溫度力作用下橫向伸縮不受約束，墩柱和上橫梁之間不會產生附加內力。支座豎向的調高調平功能，可以解決由于基礎不均勻沉降產生的附加內力，使得整個結構的受力特性更接近雙墩柱結構，結構受力更加簡潔。

墩梁固結是指將外側墩柱和上橫梁混凝土澆筑在一起，溫度變化、基礎沉降等均會影響整體結構內力，受力特性更為復雜。

針對上述兩種方案進行計算分析，并對基礎沉降和溫度變化影響進行分析比較，計算結果見表7。

表7 計算結果對比 單位：MP a

對比結果表明，基礎不均勻變位工況下，兩種方案對上橫梁上下緣應力影響不大，應力最大相差10.3%。受墩頂約束的影響，墩梁固結方案在墩頂產生最大為1.68 MPa 拉應力。溫度力作用下，墩梁固結方案中上橫梁產生0.99 MPa 拉應力，墩頂拉應力為1.81 MPa。成橋狀態下，上橫梁上下緣和墩頂為受壓狀態，上橫梁最大壓應力為9.45 MPa，墩頂最大壓應力為5.36 MPa。

兩種方案在各工況下，上橫梁應力影響較小，墩梁固結方案在基礎變位和溫度力作用下，最大會產生2.67 MPa 的壓應力，可通過加強配筋等結構措施來減少影響。如采用支座連接方案，運營階段會帶來支座維護等工作，且對景觀不利，故最終采用墩梁固結方案。

6 結語

共構結構體系節約土地資源，充分發揮土地綜合利用水平，本工程共構體系采用四層立體敷設，比以往承擔了更多的功能，其應用在國內尚屬首次。設計標準、工程體量、結構難度均在國內領先。

本工程還根據線路敷設情況設計四墩柱結構，共構體系的應用取得了良好的社會效益和經濟效益。