1概述
京沪高速铁路徐沪段经过我国经济发达的华东地区,沿线以平原和低山丘陵区为主 沿线经过黄河 淮河 长江三大水系,位于各水系流域的中下游,地势平坦,河谷交错 京沪高速铁路徐州至上海段正线大中桥总数为135座,共521.9km,占正线建筑长度的81.2%,超过50km的桥有3座
京沪高速铁路丹阳以东进入苏南平原,沿途经过常州 无锡 苏州 昆山等经济发达地区,该区段交通发达,公路 河网密布 京沪高速铁路自丹阳至昆山试验段前(DKlll2+722.96~DKl276+505.97)全部采用高架桥梁通过,丹昆特大桥全长164.851km,为世界最长桥梁,并人选2009年中国企业新记录
京沪高速铁路丹昆特大桥主要通过的工程地质分区包括:残丘剥蚀区及长江冲积平原,冲湖积平原,湖沼积平原等 各工程地质分区地层岩性的成因类型 岩土体结构及物理力学性质等有所不同
2主要技术标准
(1)铁路等级:高速铁路;
(2)股道数目:正线双线;到发线 安全线 保养线104轨道;
(3)设计速度:正线350km/h,到发线80km/h;
(4)线间距:正线5.0m,到发线6.5m;
(5)设计活载:ZK活载;
(6)地震烈度:桥址区域地震动峰值加速度为0.05~O.109
3主要技术特点
本桥桥梁长度长,区域跨越大,在桥梁设计史上是绝无仅有的,它具有以下特点
3.1跨越道路河流多
本桥沿线跨越水面宽度20m以上的河道100余条 其中通航河流32条 并先后7次跨越阳澄湖的西 中 东湖区,线路经过湖区的总长度为5900m,共181个墩台 跨越各类等级公(道)路160余条,其中高等级道路23条,并2次跨越既有沪宁铁路
3.2特殊结构多
该桥跨越的道路 河流多,并在常州 无锡 苏州 昆山设了4个高架车站 全桥共设151处特殊结构,其中正线连续梁90处 道岔连续梁41处 系杆拱9处 连续梁拱1处 预应力混凝土门式墩10处 主要跨度有:跨娄江的(70+136+70)m连续梁拱 跨常州西二环的128m提篮拱 跨龙虎塘的112m提篮拱 跨德胜河的96m系杆拱(先梁后拱施工方法) 跨锡澄运河 青阳港的96m系杆拱(先拱后梁施工方法) 跨锡澄高速 双阳路的(48+2×80+48)m连续梁 跨新孟河的(40+2×72+40)m连续梁 跨柏庐路的(30+40+72+40+32)m道岔连续梁等
3.3地质条件复杂
高速铁路由于行车速度高,对桥梁桩基础的激振较普通铁路严重,桩基础在高速铁路车辆的激振下,其相关设计参数较常规取值有何差异直接关系到行车安全 丹昆特大桥不仅跨越苏锡常软土地区 无锡沉降漏斗区 还经过无锡地裂缝防治区,地质条件相对复杂,桥梁基础设计难度大
1997年进行了“高速铁路深厚软弱地基上桥梁基础合理形式及设计研究”,采集了苏锡常地区软土地质钻孔土样,在试验室内进行模拟软土桩基动 静载试验 室内动力激振试验研究认为,位于软土地基的桥梁桩基础其动承载力将下降,动 静比值为0.8左右
为了更充分地了解软土地基桥梁桩基长期在高速列车动荷载作用下的工作性状,在京沪高速铁路徐沪段昆山现场进行了软土地基桥梁桩基础单桩竖向动静载试验研究工作 通过昆山试验段桥梁桩基采用激振设备对两组共6根试验桩进行动静载试验,得出以下结论:
(1)由动荷载引起的桩顶沉降量值较小;
(2)动荷载循环作用下桩顶动位移幅值较小,且很快能达到稳定;
(3)动荷载作用初期,试验桩桩身上部软土层桩侧摩阻力呈现弱化现象,桩身下部呈现强化现象,弱化的幅值小于强化幅值,动载作用过程中桩身轴力出现重分布现象
在桩端持力层较好的情况下,软土地基桥梁桩基础设计时可以忽略由高密度 高速度列车反
复作用下对桩基工后沉降和竖向承载力的影响
基于以上的试验研究成果,确定高速铁路桥梁桩基极限摩阻力取值标准,为高速铁路软土地
区基础设计提供了理论支撑
3.4工程量大
由于全桥跨越的道路河流多,采用的特殊结构数量和类型多,地质条件相对较差,加之高速铁路对桥梁刚度及沉降要求高,本桥圬工量非常大 其中预制架设(现浇)简支梁4955孔,钻孔桩施工3025×104m 全桥梁 墩 基础主要圬工如下:C50混凝土1845×104m3 C35混凝土85.3x104m3 C30混凝土342.7x104m3 钢绞线68×104t 钢筋545×104t
4主要节点设计
41系杆拱
拱桥历来就被人们比喻为天上的彩虹,为经典桥型 尼尔森体系拱由于斜杆的存在大大地减少了结构的剪切变形,其竖向挠度沿纵桥向的变化率均小于吊杆平行布置的拱桥,因此,通过吊杆布置形式改变即可提高桥梁的竖向剐度,具有足够的竖向和横向刚度,满足列车安全 平稳 舒适的运营要求 由于系杆拱桥建筑高度较低,特别适合于河流 道路交角小 净空受限制 需设置大跨度的工点
全桥共9处采用系杆拱,跨度主要有96m 112nl 128m 主要用于跨越通航河流 高等级公路等 根据现场条件,系杆拱施工方法分先梁后拱和先拱后梁2种
本桥在无锡跨锡澄运河 锡北运河 锡十一圩 昆山跨青阳港处96m系杆拱采用了先拱后梁的施工方法,避免在航道繁忙的河道上搭设支架,最大限度地减小了施工对航运的影响 先拱后梁施工方法为先采用缆索吊装拱肋节段,合龙后灌注管内混凝土,张拉系杆,然后搭设支架现浇靠拱脚段系粱,拱肋钢管混凝土灌注后,在拱肋上悬挂模板,分段现浇各节段系梁混凝土 系梁合龙前,由于拱肋承受的荷载不断增加,拱脚必然会产生较大的水平推力,设计考虑在墩顶设置临时固结,并张拉4束无黏结高强低松弛预应力钢绞线,以平衡墩顶产生的水平推力
目前,先拱后梁施工系杆拱设计及施工处于国内同行业先进水平
拱桥良好的景观效果也成为全桥一道亮丽的风景,其中苏州工业园区跨新华街96m系杆拱已被作为园区景观亮点 丹昆特大桥跨常州西二环效果图(如图1所示)
图1常州西二环128m提蓝拱
4.2高架车站
由于丹昆特大桥经长江三角洲经济发达的苏锡常地区,沿线道路 河流多 若设落地车站,一是站位受道路 河流控制,不利地方城市规划;二是纵坡反复调整 路桥频繁过渡对高速行车不利 综合考虑全桥共设常州北站 无锡东站 苏州北站 昆山南站4个高架车站 在一座桥上设4个高架车站,注定使丹昆特大桥成为世界上独一无二的桥梁,为 建设添上了浓墨重彩的一笔
桥上道岔采用纵连底座板式无砟轨道元缝道岔在世界上未有先例,存在新的技术特点和难点,道岔区桥梁的设计不再是单纯的桥梁设计,必须结合轨道 道岔等一起考虑:考虑无缝道岔 无砟轨道 桥梁之间的相互作用,考虑温度荷载 牵引力 制动力等轨道力对桥梁的影响;考虑桥梁平面布置 桥梁结构形式 道岔梁及桥墩的刚度等对轨道 道岔的影响
结合桥梁及道岔受力及变形规律 “车一岔一桥”相互作用特性等因素,道岔区桥梁设计的关键及创新点在于:采用合理的桥式方案,减小道岔尤其是尖轨和辙叉处的粱一轨相对位移,确保道岔结构安全,确保轨道平顺;道岔梁采用整体性较好的箱梁,适当提高截面竖 横向刚度,提高梁部的白振频率,减小活载作用下的粱体挠度及梁端转角;适当提高道岔区桥梁梁下部结构的刚度
京沪高速铁路丹昆特大桥道岔区桥梁设计很好地满足了桥梁结构强度 应力 抗裂安全系数等要求,确保桥梁结构安全;满足轨道及道岔的强度 稳定 位移等要求,确保轨道及道岔结构安全,减少轨道 道岔的维护工作量;时速350km的高速列车通过道岔区时,“车一岔一桥”动力性能满足规范要求,确保列车运行安全性 平稳性
4.3桥墩
高速铁路丹昆特大桥采用了矩形双柱墩 空心墩 双线单圆柱形桥墩等,墩型的选用应结合桥梁的地形 地势 水文条件 立交条件及桥高等具体情况选用
桥墩设计时,综合考虑结构的安全 经济 耐久性 方便施工 便于维修养护等功能 墩顶除通过支座支承梁部外,还有其它附属功能,如更换支座时千斤顶摆放空间 防止落粱和防止梁部移动设施 检查或更换支座时工作空间 墩顶排水等
鉴于京沪高速铁路丹昆特大桥设计多采用预制架设的简支箱梁,梁高3.05m(高跨比相对较大),而桥墩普遍不高,桥墩外形线条不宜变化太快,因此采用的桥墩墩身一坡到底,桥墩均不设顶帽,结构简单 施工方便 由于丹昆特大桥大多桥梁墩高在12m以内,考虑到12nl以下空心墩施工时较为困难.特意研究了为尽量保持与矩形空心墩外形一致 便于施工的双柱式矩形桥墩(如图2所示),既减少了桥墩圬工量,也极大地方便了桥墩外模的制作 倒用,又可缩短工期,墩型简捷流畅,受到了参建单位和新闻媒体的一致好评 经过对京沪高速铁路全线桥墩技术经济比较,墩高小于12m时,双矩形柱墩也是最优的,桥墩投资分析图(如图3所示)
图2双柱式矩形桥墩图
4.4(70+136+70)m连续梁拱
丹昆特大桥在DKl253+710跨越娄江及312国道斜交角仅为35 20’ 主要地层为淤泥质黏土 黏土 粉土 粉砂等,持力层为硬塑黏土 设计采用了(70+136+70)m连续梁拱 预应力混凝土连续粱拱主要由拱肋 系粱 吊杆 横梁及桥面系组合起来共同承受荷载,是1种结构受力合理 外形美观 新颖的结构体系
它利用拱肋承担由吊杆传来的部分二期恒载和活载产生的压力,系梁预应力束抵抗拱端的推力并承受结构自重 部分二期恒载及活载产生的弯矩 剪力等 既克服了传统拱桥巨大的拱端推力,又改善了连续梁桥较大的弯矩和剪力的受力状况,最大限度地发挥了拱梁混凝土和预应力钢筋各自的特点,工艺上钢管可充当模板或起到劲性骨架作用,同时作为施工过程中主要承重结构构件,还具有较大的竖向刚度和良好的动力性能,不失为高速铁路桥梁设计中一种合适的梁型
跨娄江(70+136+70)m连续梁拱(如图3所示).主梁为C55预应力混凝土结构,纵向 横向和竖向三向预应力体系 箱梁顶宽14.4m,直腹板,单箱双室变高度箱形截面,跨中及边支点处梁高图3桥墩投资分析图4.0m,中支点处梁高75m,梁高按圆曲线变化 拱肋计算跨度L=136.0m,设计矢高f=272m,
矢跨比f/L=1:5,拱轴线采用二次抛物线 拱肋为钢管混凝土结构,拱肋采用等高度哑铃形截面,截面高度28m 拱肋弦管及缀板均采用Q345qD钢,内填充C55微膨胀混凝土 吊杆顺桥向间距8m,全桥共设14对吊杆 吊杆上端穿过拱肋,锚于拱肋上缘张拉底座,下端锚于吊点横梁下缘固定底座
图3(70+136+70)m连续粱拱布置图(单位:cm)
主桥采用“先梁后拱”施工方法,主要施工步骤如下:利用挂篮悬臂浇筑主梁;合龙主梁边孔,拆除临时支墩;合龙主梁中孔;以桥面为工作面,支架拼装钢管拱肋;依次灌注拱肋上弦管 下弦管 缀板内混凝土;按指定次序张拉吊杆,调整吊杆力;张拉主梁后期钢索;施工桥面系;调整吊杆力到成桥设计索力
45阳澄湖桥段
阳澄湖位于苏州古城区的东北10km处,是江苏省重要的淡水湖泊之一,水域面积为120km2 阳澄湖是苏州市重要的饮用水源地之一,同时兼有渔业养殖 生产用水 灌溉 旅游 航运及防汛等多方面功能 京沪高速铁路阳澄湖段先后7次跨越阳澄湖的西 中 东湖区,线路经过湖区的总长度为5900m,共181个墩台
简支箱梁桥墩:一般情况下采用双柱墩;墩高大于12m者采用矩形空心墩;连续梁桥墩均采用实体桥墩 跨越湖区采用整齐划一的桥墩,视觉效果好(如图4所示)
图4阳澄湖桥段布置圈
本桥段桥墩基础均采用钻孔灌注桩基础,桩径根据不同跨度和地质条件分别有1.0m 1.25m 1.5m 阳澄湖湖区内92~171号 185—194号 322~346号 462~508号桥墩采用栈桥施工,基础采用环保较好的旋挖钻施工,桥梁跨越阳澄湖区时采用钢板桩围堰,尽量减小对湖区环境的影响,能保证施工范围外水域的联通 循环,也满足防洪需要
施工单位进场后,经与地方协商,考虑尽量减小影响阳澄湖区水源 渔业养殖的水质,结合阳澄湖特殊的地质条件(表层为硬塑黏土),将设计文件中所采用的“钢栈桥和钢围堰”优化为“双排桩筑坝围堰”的施工方案,桥梁施工均在分段的条形围堰内进行,该方案仅在围堰施工期对湖床造成短期局部扰动,把湖区桥梁施工对环境的影响降到了最低 将湖区桥梁水中施工改为陆地施工,在工程质量 环水保 工期 安全等方面更有保障
5结语
由于桥梁长度长 跨越区域大 控制点多,施工中会多多少少暴露一些设计问题,需要结合施工等因素对设计进行优化 完善,确保设计安全 经济 合理
(1)孔跨布置宜综合考虑城市发展及地方主管部门要求,跨度不宜抠得太紧 由于丹昆特大桥经过华东经济发达地区,桥梁长度大,控制工点多,孔跨调整很困难
(2)没有特别重要的控制点,常用跨度桥梁尽量按等跨布置,必要时可采取改路等措施以减少变跨桥梁,便于架桥机架梁,在架梁通道受限制的控制点,也可采用预制非标简支梁来疏通架梁通道
