北京铁路枢纽丰台站改建工程112 m六线钢箱叠合拱桥设计

李恩良，张 上，施 威

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

1 工程概况

北京铁路枢纽丰台站改建工程从丰台站至西咽喉区段落采用双层车场重叠布置方案。地面层为普速场。上层为高速尽头式车场，设计为高架站，从车站内向西衔接京广客专.京石城际及动车运用所，平面为六线布置，自北至南依次为京广客专联络线上下行线.动车运用所出入段线上下行线.京石城际铁路上下行线，设计采用多组高架柱网平台单元跨越地面层的普通车场及咽喉区，并将线路引过北京西四环路后，逐渐降低纵断面与地面层站线股道进行综合布置。

改建线路于J3K9+923.63处跨越北京西四环路，跨越处西四环路为1-(15+2×18+15)m既有框构中桥，道路分隔带宽约2 m，立交要求为宽66 m×高4.5 m，交叉右角为106°38′。改建工程普速场站线利用既有线框构中桥跨越北京西四环路，高架场线路考虑城市景观效果，采用新建1孔112 m六线简支钢箱拱桥方案跨越北京西四环路，并在拱桥两侧设置两孔简支板梁与高架柱网平台衔接。跨越点高架层的平.立面布置见图1。

图1 桥梁跨越北京西四环路处平.立面布置(单位：m)

桥址为暖温带大陆性亚湿润季风气候，春季干旱多风.夏季炎热多雨.秋季秋高气爽.冬季寒冷干燥的气候特点。历年平均气温13.1 ℃，历年极端最高气温41.9 ℃，历年极端最低气温-17 ℃，历年最大风速13.9 m/s。地震动峰值加速度为0.2g，地震基本烈度为Ⅷ度。

2 主要技术标准及原则

2.1 技术标准

(1)铁路等级：高速铁路。

(2)线路数目：六线。

(3)设计速度：90 km/h。

(4)线路间距：8.0 m+5.0 m+5.0 m+5.0 m+8.0 m。

(5)平纵断面：平面位于直线上，纵断面位于0‰的平坡上。

(6)轨道类型：有砟轨道，轨面至梁顶最低点处高度为814 mm。

2.2 设计荷载

(1)恒载：钢结构容重按78.5 kN/m3计算，二期恒载为480 kN/m。

(2)活载：采用ZK活载，按以下3种组合包络计算[1]。

组合1：任意两线ZK活载×100%。

组合2：京广.京石四线中任意三线ZK活载×75%+一线空车×75%(或不加空车)。

组合3：京广.京石四线ZK活载×75%+一线空车×75%(或不加空车)。

(3)摇摆力：按双线摇摆力施加。

(4)制动力或牵引力：按四线制动力或牵引力设计，同时考虑75%的折减系数。

(5)疲劳荷载：纵梁疲劳计算采用最不利单线ZK活载加载，并乘以多线系数。吊杆及横梁疲劳计算按一线ZK加载，其他线采用荷载图式中均布荷载加载[2-3]。

(6)其他荷载：按规范相应条文及相关规定办理。

2.3 主要材料

纵梁腹板.上拱肋下板.下拱肋上板采用Q370qE-Z25，其余主体构件采用Q370qE。桥面钢板采用不锈钢复合钢板321-Q370qE。

3 结构设计

3.1 结构形式

主桥整体结构形式为六线简支钢箱系杆叠合拱桥[4-6]，计算跨度112 m。两个拱肋拱顶中心高差为6.0 m，竖向设置联杆，在拱脚处合二而一，两拱弦线高差为2.0 m。两榀拱肋横向中心距为23.2 m，拱间设置5道桁式横撑，纵向设置15对刚性吊杆，纵梁兼做系杆。

桥面全宽38.6 m，采用密布横梁正交异性桥面板体系[7-9]。横向布置六线铁路，两拱间通行四线，两拱外侧悬挑两线[10-11]，线间距为8.0 m+5.0 m+5.0 m+5.0 m+8.0 m。桥面设置多向1%的横坡，以利于桥面排水。主体结构立面及横向布置分别见图2.图3。

图2 跨度112 m六线钢箱拱立面布置(单位：m)

图3 跨度112 m六线钢箱拱跨中横断面布置(单位：m)

3.2 拱肋

拱轴线均采用抛物线，上拱肋矢跨比1∶4.57，矢高24.5 m；下拱肋矢跨比1∶5.46，矢高20.5 m，拱肋采用钢箱截面。

上拱肋截面内高1 600 mm，内宽1 600 mm，上下翼缘板厚分36.40 mm两种，腹板分36.40.44 mm三种。下拱肋内高1 200 mm，内宽1 600 mm，截面上下翼缘板厚20 mm，腹板厚32 mm。拱肋内部设置加劲肋及横隔板。竖杆采用箱形截面，内高800 mm，内宽1 600 mm。

3.3 纵梁

纵梁采用箱形等高截面，内高3 500 mm，内宽1 600 mm。上下翼板厚度采用40.28 mm两种，腹板厚度采用44.32 mm两种。截面内设置加劲肋及横隔板，拱脚段根据支座布置及传力要求加密隔板。除节段拼接头两侧各1.5 m范围外，其他区域采用气密设计，拼接头下翼缘板设置600 mm×300 mm的进人洞。

3.4 桥面结构

行车道区域桥面设置U形纵肋，根据相关研究横向间距采用600 mm[8，12-13]；端横梁采用箱形截面，内宽2 200 mm，内高3 500 mm，板厚32 mm，桥面板兼做顶板。

主.次横梁均采用倒T形截面。主横梁腹板为3 500 mm×24 mm，翼缘板为800 mm×32 mm；次横梁腹板为2 750 mm×20 mm，翼缘板为600 mm×28 mm。横梁悬挑段端部3 m范围内采用变高形式，并在横梁端部沿桥长方向设置波浪造型挡板以加强景观效果。

3.5 吊杆

吊杆均采用工字形截面，翼缘板厚32 mm，腹板厚20 mm。1号.1′号吊杆采用等高等宽截面，翼缘板宽800 mm，腹板高1 600 mm；其余吊杆纵横向均进行线形变高，翼缘板宽度由800 mm变至660 mm，腹板宽度由1 600 mm变至1 200 mm。在腹板上设置间距1 800 mm的过风孔，以减小风振效应[14-16]。

3.6 横撑

横撑上下弦杆采用箱形截面，两弦杆间距随拱肋高度变化，腹杆采用工字形截面。

3.7 梁端牛腿及横向限位

为适应梁端轨道横向变形要求，在端横梁外侧设置牛腿作为邻跨支承[17]，并在端横梁底板中心设置横向限位装置。

3.8 连接设计

从行车安全.施工便利及结构受力方面考虑，全桥除横撑分段与拱肋的连接.拱肋分段间连接.端横梁分段与拱脚间连接.纵梁分段顶板连接采用焊接外，其余分段间均采用高强螺栓连接。

3.9 防腐设计

钢结构外表面采用第7套涂装体系，内表面除构件气密空间外均采用第4套涂装体系。高强度螺栓连接摩擦面采用无机富锌防锈防滑涂装[18]。

3.10 指导性施工方案设计

桥址处情况复杂，既有线需进行多次便线导改，从确保运营线路的安全考虑，制定了“先旁位拼装，再横移，最后前后导梁配合纵向顶推到位”的施工方案[19-20]。

4 结构计算分析

4.1 计算模型

采用Midas Civil软件建立模型进行施工阶段分析，以最后施工阶段的内力作为成桥内力。拱肋.横撑.纵梁.横梁及吊杆离散成梁单元，桥面板离散成板单元；桥面板与纵横梁之间采用弹性连接(刚性)进行模拟，支座采用一般支撑进行模拟，有限元模型见图4。

图4 全桥有限元模型

4.2 整体分析结果

(1)梁端转角：纵梁端部.桥面板中心端部.悬挑车道端部的转角分别为1.164‰.1.177‰.1.197‰，均满足规范要求。

(2)挠跨比：结构竖向.横向挠度及挠跨比检算结果见表1，表1中数据表明结构竖向.横向挠跨比均满足规范要求，结构具有良好的刚度。

表1 简支拱挠度计算结果

(3)温度变形：活动端纵向伸缩范围为-61～69 mm，横向最外侧车道中心伸缩范围为-8～9 mm，能够满足轨道专业要求。

(4)自振频率：结构一阶竖向自振频率为1.484 Hz，满足规范要求。

(5)支反力：恒载工况为41 904 kN，活载工况最大为9 279 kN。

(6)主要构件内力：桥面结构为密布横梁体系，参与主桥整体受力作用较小，简支拱的主要受力构件为拱肋.纵梁.吊杆，其内力见图5～图8。图中数据表明：

图5 拱肋轴力

图6 纵梁轴力

图7 纵梁弯矩

图8 吊杆轴力

拱肋基本为轴压构件，上.下拱肋最大轴压力分别为34 364.17 723 kN，最大值均在拱脚区域，上拱肋受力约为下拱肋的1.94倍。

纵梁主要为拉弯构件，最大轴拉力为28 861 kN，出现在梁端区域；纵梁弯矩均为正值，最大为16 901 kN·m，出现在距离梁端约11 m区域。

吊杆均承受轴拉力，1号.1′号吊杆力较大，为4 415 kN，其余吊杆受力较为均匀，最大值均在3 390 kN左右。

(7)构件强度检算：对结构各个部分构件均进行了强度检算，结果见表2。表2中数据表明结构各个部分受力安全，能够满足规范要求。

表2 简支拱杆件强度检算结果 MPa

4.3 局部分析结果

纵梁.拱肋在拱脚段落交汇，内部板肋.C肋.环肋.顶梁装置加劲板等各种加劲肋板较多，构造复杂，受力相对复杂。为确保拱脚段落受力安全，对拱脚建立了精细化有限元模型进行恒载.主力.主力+附加力等多工况的局部受力分析，最不利工况受力结果见图9.图10，从图9.图10可得以下结论。

图9 拱脚等效应力云图1

图10 拱脚等效应力云图2

(1)拱脚区域传力途径较为明确，上拱肋受力相对较大。除支座区域的加劲肋板受力较大外，其他区域的加劲肋板受力相对较小。

(2)在各种工况作用下，拱脚分段在纵梁底板支座区域存在局部应力集中现象，最大有效应力为263 MPa，但区域很小；其他区域受力相对均匀，最大约为165 MPa，拱脚受力安全。

5 创新点及技术难点

(1)通过对车辆的出入站时段.车站运营调度方案等参数进行综合分析，确定了六线拱桥的活载加载方式及折减系数等关键设计参数。

(2)针对六线超宽桥面，采用两拱间通行四线，两拱外侧悬挑两线的桥面布置方案，减小了桥面结构的横向跨度和拱肋的侧移效应，改善了结构的受力状态。

(3)在端横梁外侧设置牛腿作为邻跨支承，并在端横梁底板中心设置横向限位装置，解决了梁端多线轨道的变形适应性问题。

(4)采用了不锈钢复合钢板作为桥面板，并在其上直接铺设道砟，不再设置混凝土道砟槽板，有效减小了二期荷载，减少了工程投资。

(5)采用了先拼装.后横移.再顶推到位的施工方案，顶推时采用前后导梁设计，有效地适应了复杂现场边界条件，并保证了结构安全。

6 结语

该桥是我国乃至世界上首座六线铁路简支钢箱拱桥，经过大量的比选研究，确定了“拱间通行四线，两拱外侧悬挑两线”的简支叠合拱桥的结构体系及活载加载组合，改善了结构的受力状态；梁端采用横向限位及牛腿构造与邻跨衔接，解决了多线轨道梁端变形适应性问题；主桥采用自重轻盈的钢结构及步履顶推的施工方案，有利于高烈度震区下部结构的抗震设计及复杂桥址的快速化.模块化.环保化施工；结合桥址周边环境对主桥开展了景观设计，实现了结构美观和受力合理的和谐统一。该桥的设计建设将为我国多线铁路桥梁的建造和发展提供多方面的经验参考。