北京市轨道交通大兴线高架桥设计

王 冰

(中铁五院集团有限公司桥梁设计院，北京 102600)

1 工程概述

1.1 大兴地铁项目总概况

北京轨道交通大兴线工程项目(简称大兴地铁)是北京周边区域长远规划发展的重要组成部分。该工程南起南兆路，北接地铁4号线的马家楼站，并与4号线实行贯通运营，是北京市轨道交通中的主干线、南北交通大动脉。该工程的建设将大幅度缩短大兴新城与市中心的时间、空间距离，对于整个大兴新城的建设具有十分重大的意义。

该项目线路全长约22.51 km，总投资80亿元，沿线共设11座车站，其中西红门站为高架车站，新宫(南苑西)站至西红门站区间，高架区段长3 167.12 m，西红门站至高米店北(五环路)站区间，高架区段长338.86 m。该高架桥区段为此次工程设计范围。

1.2 桥梁工程概况

大兴地铁沿线高架桥共40联，包括115个墩台，结构类型主要有以下几种:

(1)全线普遍采用的常规梁跨为双线3×30 m预应力混凝土连续箱梁，部分区间跨径采用2×25 m、2×27 m、2×30 m、3×25 m、3×26 m、3×28 m、(25+30+25)m预应力混凝土连续箱梁，共27处;

(2)跨越主要道路采用(30+45+30)m预应力混凝土连续箱梁、(38+58+38)m及(40+64+40)m连续刚构，共7处;

(3)在小角度跨越道路、重要管线或布跨困难时，采用框架式桥墩，共2处;

(4)在施工条件受限时，采用3×30 m钢混结合连续梁，1-45 m钢混结合简支梁，共3处;

(5)跨越京开高速公路采用了(52+85+52)m V形支承钢混结合连续刚构桥。

1.3 沿线地形地貌及地质情况

大兴地铁高架桥区间段位于永定河冲洪积扇的中上部，属于平原地貌，本区间段沿兴华大街行进，沿线地形平坦，地面高程相差不大。高架区内无河流。沿线无活动性断裂，第四纪覆盖层厚度大于50 m，场地稳定性好，不存在不良地质作用和特殊岩土，适宜修建地铁工程。工程场区地面以下11～12 m以上以素填土、粉土和砂土为主，以下为分布稳定的卵砾石土，偶夹砂土薄层，可作为良好的桩端持力层。本区段仅在西红门站至高米店北(五环路)站区间存在软弱下卧层。

本场地抗震设防烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度为0.20g，在遇地震基本烈度Ⅷ度时，20 m深度范围内的粉土和砂土层均不液化。

2 主要技术标准

(1)正线数目:双线;高架线路直线标准段区间线间距4.2 m(中间设疏散平台)。

(2)轨距:1435 mm，采用60 kg/m钢轨。

(3)轨道建筑高度:采用减振道床55 cm(含钢轨高度)。

(4)设计最高行车速度:80 km/h。

(5)最大坡度:26‰。

(6)最小曲线半径:400 m。

(7)电动车组:车辆为国产B型4轴电动车组，车辆编组为6辆，轴重14.1 t。

(8)牵引种类:电力。

(9)受电方式:接触轨上部受电。

(10)桥梁使用年限:100年。

(11)地震烈度:Ⅷ度。

3 桥梁总体设计原则

3.1 高架桥跨度布置原则

由于大兴地铁高架桥沿线路网发达，所跨越的城市道路、公路较多，地下管线密布，在桥梁设计时，需充分考虑既有及规划道路和地下管线的影响，施工对桥下道路的干扰等诸多因素。因此桥梁跨度的布置尤为重要。

(1)大兴地铁高架桥结构形式主要以3×30 m连续梁为主，除受控制点影响外，尽量按等跨布置，1座桥尽量以同一梁跨布置。1联桥一般采用2～3跨，以保证结构具有较好的刚度。

(2)桥梁斜交过路时，尽量采用较大跨度通过，并可通过调整控制工点跨度，使控制工点以外的孔跨一致，实现设计施工标准化。

(3)如受净空限制或施工条件控制时，可采用结合梁方案，采用吊装施工或拖拉法施工，能够最大限度地减少施工对道路正常运营的干扰。

(4)跨越一般公(道)路，当桥梁与道路交角较小时，且道路旁有较大边沟，常用跨度不能满足立交要求，可采用刚构连续梁。

(5)跨路时亦可采用小跨梁配框架墩的桥梁方案来解决小角度立体交叉问题，可满足道路现状及规划要求，建成后对道路无影响，施工周期短，缺点是美观性欠佳。

3.2 常用跨度主要桥式方案比选

3.2.1 等高度连续箱梁

结合实际工程特点，大兴线高架桥常规桥型采用了较为经济的、跨度在25～30 m等高度连续箱梁方案，与简支箱梁方案相比，具有如下优点:

(1)等高度连续箱梁整体性好，耐久性强，行车舒适，平顺性好，有利于改善行车条件;

(2)桥墩处不需要设置过多伸缩缝，梁长伸展，加上梁高一致，整个桥梁外形简洁优美，线条流畅;

(3)可以大量减少锚具的使用，施工更为方便，同时降低工程费用;

(4)采用等高度连续梁体系，由于在桥墩支点处负弯矩的存在，使得其跨中正弯矩同简支梁体系的跨中正弯矩相比显著减小，这就意味着可以节省上部结构的材料数量，减轻梁体自重，也使得下部结构桥墩部分的工程数量相应减少;

(5)采用多孔桥支架立模、现场连续浇筑的方法施工，较为经济，能有效加快施工进度，桥梁整体性好，结构的耐久性强。

在大兴线的设计过程中，25～30 m非标准跨度的箱梁在小半径曲线上和控制工点调整墩位上最为灵活。本线均采用支架现浇法施工，不需要大型施工设备、不受场地的限制、对现状公路影响小，也能使得梁体平、立面都能做成圆顺的曲线，配合梁底和桥墩的流线形，达到了很好的景观效果。图1为大兴线标准箱梁断面示意图。

图1 标准箱梁断面示意(单位:cm)

3.2.2 小跨度预应力混凝土连续刚构

小跨度连续刚构是国外高速铁路积极推广应用的一种桥梁结构形式，在日本新干线上应用广泛。大兴地铁高架桥在特殊地段多采用预应力混凝土连续刚构方案，与预应力混凝土连续梁方案相比，具有如下优点:

(1)从结构受力方面可以降低梁部支点处的负弯矩和跨中的正弯矩，减小梁的竖向挠度，降低梁高;

(2)抗震性能好，可以避免大吨位抗震支座以及防震落梁的设置;

(3)连续梁的联长，受无缝线路的铺设条件和固定墩的设计控制，固定墩和桩基础尺寸大大加大。采用连续刚构，可由连续刚构墩共同承担纵向水平力(制动力和无缝线路的长钢轨作用力)，减少主墩内力，对下部受力及结构尺寸较为有利。

3.3 标准桥型梁部施工方法

在大兴地铁高架桥设计过程中，为减少对地面道路交通的影响，缩短施工工期，降低对正常城市生活的干扰，对施工方法做了充分的考虑，相邻两联连续梁施工必须先施工预应力混凝土连续箱梁，然后再施工与其相邻的钢混结合梁，车站结构在梁部结构施工之后施工。

为了保证相邻预应力混凝土梁能同时施工，本工程预应力梁采用了A型、B型以及AB型3种梁型。A型梁必须先施工，为给后施工的B型梁留出千斤顶张拉空间，A型梁端横梁腹板之间的混凝土在B型梁张拉完毕后再浇筑。为了保证A型梁钢束张拉时腹板的稳定和强度，在2条腹板间设横向联系钢筋或横梁钢筋部分不截断，对于切断的部分钢筋，在B型梁每张拉完1束后，按施工规范要求进行焊接，然后再依次张拉其他钢束(阶段一)。B型梁张拉完毕后再浇筑A型梁未浇筑的混凝土(阶段二)。如果A型梁的邻跨不需要张拉空间，取消预留槽口，A型梁应一次浇筑完成。为了满足冲突情况下的梁的施工，设计了AB型梁，该梁型一端同A型梁，一端同B型梁，施工方法及顺序与A型梁和B型梁相同。详见图2。

图2 梁端预留张拉槽口示意(单位:cm)

4 下部结构设计

4.1 墩身截面尺寸的确定

本项目属于城市高架轻轨，对景观和功能性要求较高，无论采用何种墩型都要体现出线条流畅。再者就是墩身的结构形式、桥墩高度、横向宽度的大小对桥墩混凝土的圬工量，纵、横向刚度都有影响。大兴地铁高架桥因采用无缝线路，桥墩的纵向线刚度还决定着无缝线路长钢轨的稳定性、强度是否满足自身要求，刚度过小，长钢轨受力超限，墩身检算也不容易通过;刚度过大则不经济。对于桥墩来说，在墩身高度及厚度一定的条件下，横向宽度变化对纵向刚度的影响远小于纵向厚度的变化，为了保证桥墩的合理刚度，综合考虑墩高及类型，选择不同截面尺寸。大兴地铁高架桥墩身截面尺寸见表1、表2。

表1 活动墩及联间墩墩身尺寸

表2 固定墩墩身尺寸

大兴地铁高架桥桥墩设计时在满足最小刚度的情况下尽量采用较小截面，当制动墩控制截面尺寸时，适当提高混凝土强度，降低截面尺寸，使沿线桥墩尺寸尽量一致或均匀变化，以满足景观的要求。

大兴地铁高架桥常用跨度桥梁的桥墩一般采用实体板式墩，与公路夹角较小时采用框架墩。在选择桥墩形式时，根据全线特点及墩与梁的协调性、统一性，采用单箱单室斜腹板箱梁配“Y”形板式独柱墩，为了保证梁底与墩身截面平顺衔接，采用圆曲线过渡，同时桥墩正面外侧还设计了10 cm深的装饰槽，使桥墩更为美观，达到了很好的景观效果。标准桥墩结构示意见图3。

图3 标准桥墩结构示意(单位:cm)

4.2 基础设计

该高架桥区段地质条件较好，标准段基础采用4根φ100 cm钻孔灌注摩擦桩。承台厚度为2.0 m，平面尺寸为5.0 m×5.0 m，基础埋深一般在0.5～1.0 m，采用明挖法施工，承台均采用六面配筋。基础设计需要综合考虑刚度、长钢轨纵向力及地震力的影响。特殊工点根据实际情况需要特殊设计。

5 抗震设计原则及方法

根据《铁路工程抗震设计规范》(GB 50111—2006)，在桥梁结构设计计算中，对重要桥梁，在多遇地震作用下，水平地震基本加速度a值应乘以重要性系数1.4，由于本高架区段位于北京地区，交通繁忙，客流量大，由此设计中考虑1.4倍重要性系数。

本高架区段位于高烈度地震区，下部结构按能力保护设计原则进行抗震设计。为削弱地震力对桩基础的不利影响，本工程选择较为纤细的墩身构造，使墩底形成塑性铰，设计时墩身主筋全截面配筋率以不超过4%控制，并通过精细设计桥梁墩身塑性铰区域内的箍筋，利用箍筋来约束混凝土，来大大提高墩身塑性铰区域的变形能力，确保结构构件不发生脆性破坏。但是，一旦结构发生非延性的破坏模式，如墩身抗剪能力不足，发生剪切破坏，这时就很难形成预期的塑性铰，不能发挥墩柱的延性能力。因此有必要在非延性破坏模式和设计的延性破坏模式之间建立一合适的强度限界，以确保结构不发生非延性破坏。

本工程地震力采用反应谱法进行计算，通过建立高架桥梁结构空间力学模型，考虑地基土的约束效应，计算分析高架桥的非线性地震响应。地震力分别按有车、无车进行计算，并与结构重力进行最不利组合。有车时，顺桥方向由于车轮作用，地面运动的加速度很难传递于列车，因此纵向不计活载引起的水平地震力;横桥方向考虑车架有弹簧，对横向振动有一定的消能作用，而且地震的主要震动方向不一定与横向一致，因此横向只计入50%活载引起的地震力。

由于本线地震烈度较高，在设计中加强抗震能力分析，对钢筋混凝土桥墩进行罕遇地震作用下的延性设计，根据《铁路工程抗震设计规范》(GB 50111—2006)附录F所示的简化计算方法，对桥墩结构的非线性位移延性比进行验算。对于刚构桥等特殊工点下部结构进行最大位移分析，运用Midas建立有限元计算模型，在桥墩墩顶、墩底部分范围内设置FEMA塑性铰，采用在墩顶施加集中力的侧向荷载模式进行Pushover分析计算，得到基底剪力与墩顶控制位移的关系曲线，将能力曲线(基底剪力-墩顶位移关系曲线)转化为能力谱，建立结构需求谱曲线，得到性能点及屈服位移，验算桥墩结构的非线性位移延性比。

6 设计中注意的问题

本线特殊桥型如连续刚构，其下部结构承受较大的水平力作用 (温度力、收缩徐变、制动力、长钢轨的纵向力、断轨力、地震力以及汽车的撞击力)，如果墩身刚度设计过大，墩底承载能力很难计算通过，对梁部的受力也较为不利。大兴地铁高架桥多座连续刚构计算分析表明，往往梁部受力不控制设计，而墩身截面尺寸、配筋及基础设计成为连续刚构设计的控制关键所在，可通过改变体系转换顺序、合龙前施加推力、调整合龙温度等方式优化墩身截面内力，减小或抵消混凝土收缩、徐变对主墩产生的次内力的不利影响。

本线为无缝线路，荷载组合较多，加上孔跨式样繁多，基础情况差别较大，部分区段位于小半径曲线上，使得设计难度加大，设计中很难统一，工作量增多。于是利用高效配套设计软件进行批量计算分析成为提高高架轻轨设计效率的关键。

7 结语

我国目前在建和拟建的城市轨道交通线路越来越多，地铁高架桥的结构设计在很多方面都不同于公路桥和铁路桥，如受载方式、桥梁的变形允许范围等均有它自身的特点。本线设计时充分考虑了其结构特点，在选择桥型时根据适用、美观、经济合理以及设计施工的难易程度等因素进行了综合分析，以确定最终工程实施方案，并对关键技术进行了充分的研究。由于目前国内还没有轨道交通高架桥梁的设计规范，所以具体设计时还存在一些问题亟待解决。

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