城市快速通道跨越铁路大型编组站桥梁方案比选研究

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城市快速通道跨越铁路大型编组站桥梁方案比选研究

周　继，张晓江，田　芳

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉　430063)

摘　要：郑州市农业路快速通道工程上跨郑州北铁路编组站30余股道线及京广铁路，同时桥下既有道路下穿郑州北编组站。桥址处密布框架桥、公路桥，桥梁建设的可行性墩位少，施工方案影响桥梁方案。研究并选择合理的桥梁方案对本工程十分必要。通过对桥址处多个可行性墩位的研究，选择合理的施工方案和孔跨布置方案，进而确定4个桥梁方案，再从铁路安全、技术、工期、经济等方面对桥梁方案进行详细的分析比较，推荐合理的桥梁方案。比选结果表明：(126+200+126) m双塔斜拉桥为推荐桥梁方案，该桥梁方案的研究过程及方法可为同类型涉铁工程设计提供参考和借鉴。

关键词：铁路编组站；斜拉桥；桥梁方案；可行性墩位；施工方案

1　工程概况

郑州北编组站始建于1963年，是亚洲最大的列车编组站。该站南北长6 000余m、东西宽800余m，占地5.3 km2。它纵连京广铁路线，横接陇海铁路线，是我国沟通南北、连接东西的交通要冲，素有铁路“心脏”之称。

新建农业路快速通道工程在既有农业路上方，沿其走向，上跨郑州北编组站和京广铁路之后，接京广快速路沙口互通。快速通道跨越区段位于站场咽喉区，共有30余条股道，铁路运营繁忙。

1.1　桥址概况

桥址处建筑物较多，且多为铁路功能性用房。既有农业路现状为双向6车道，下穿郑州北编组站及京广铁路区间范围建设有多座框架桥和公路桥，交通繁忙。合理的桥梁方案将是本工程亟需解决的首要问题。

1.2　建设标准

(1)道路等级：城市快速路。

(2)设计速度：60 km/h。

(3)设计荷载：城-A级[1]、双向10车道。

(4)最小净空：

地面道路≥5.0 m；

郑州北编组场≥7.96 m(考虑双层集装箱[2])；

京广铁路≥7.96 m[3](考虑双层集装箱)。

(5)平面：直线。

(6)纵断面：≤4%纵坡。

2　桥式方案比选

施工方案决定跨线桥梁的桥式方案[4]。上跨铁路桥梁施工方法中，较易被铁路局批准的施工方法主要有顶推[5]、转体、悬灌和支架拼装施工，施工方案各有优缺点。由于本工程在既有农业路上方，可供转体施工的桥墩位置不理想，且本桥转体半径约95 m左右，悬臂长度较长，施工时其主梁平行侧与铁路线冲突，同时既有建筑较多，道路左侧存在一个既有水塔，对建筑和铁路的影响很大，因此转体施工方案不可行。此外由于郑北编组站铁路线密集，可供选择的支架搭设及挂篮施工空间十分有限，故悬灌和支架拼装不能完全适用，本桥主推顶推法施工，其他施工方法必要时辅助施工。

2.1　设计方案(图1)

根据郑北编组站现状、规划情况，考虑新建桥墩基础与既有铁路的安全距离，桥址范围内存在7个墩位。依据桥墩位置与地理环境的特点，共分5类可行性墩位。其中可行性墩位1和墩位5间距452 m，可行性墩位3距离可行性墩位1和墩位5的距离均为226 m，可行性墩位2和墩位4最远间距约200 m。

图1　可行性墩位平面

两个边墩位置(墩位1、5)受到铁路线和既有建筑的限制，可行性位置已基本固定，据此主桥桥长定为452 m。同时根据边跨比尽量采用0.50～0.60比例的原则，孔跨布置方案1：(126+200+126) m。

编组站中部区域铁路线相对较少，具有一定的施工场地条件和灵活的立墩条件。据此在中跨200 m范围充分考虑此因素，孔跨布置方案2：126 m+(40+2×60+40) m+126 m。

为尽量减少对铁路编组站作业的影响，在编组站范围内利用可行性墩位3的位置，仅设置1个墩。孔跨布置方案3：(226+226) m。

快速通道下方为既有农业路，两侧空地有限，铁路功能性建筑物较多，桥梁方案主要受施工方案的控制，同时考虑跨铁路桥梁的安全、工期、经济及景观等综合因素，推荐斜拉桥桥型，以下研究出4种桥梁方案：双塔斜拉桥[6]，矮塔斜拉桥，独塔斜拉桥，斜塔斜拉桥与梁桥组合结构。

2.1.1　双塔斜拉桥方案(图2)

本方案为(126+200+126) m双塔双索面斜拉桥，采用钢箱梁主梁，钢筋混凝土H形桥塔，全桥共设40对斜拉索，结构体系为半漂浮体系[7]。

图2　双塔斜拉桥方案(单位:m)

(1)主梁(图3)

钢箱梁标准节段长为9 m，采用双主梁整幅截面形式，梁高3.5 m，总箱宽48.3 m(不含风嘴)。标准节段纵向每3 m设一道中横隔梁，箱室隔板每9 m设一道，钢箱梁顶板板厚采用16 mm，底板14 mm，横隔板厚度14 mm。顶板、底板及腹板均设置纵向加劲肋，其中顶、底板采用U形肋，顶板肋高280 mm，布置间距600 mm，底板肋高200 mm，间距800 mm；腹板采用U形肋，间距600 mm。

图3　主梁横断面(单位:cm)

(2)桥塔

桥塔采用钢筋混凝土结构，横向为双柱式，承台顶高程置于编组站现状地面以下，桥面以下塔柱高度分别为15.4 m和19.2 m，桥面以上塔高50 m。

上塔柱作为索锚区采用整体矩形空心截面，截面顺桥向长度5.0 m，横桥向宽度4.0 m，纵横向壁厚为1.2 m；斜拉索锚固点对称于塔柱中心线设置，采用混凝土齿块进行锚固；为了承受斜拉索巨大的拉力，索塔锚固区截面设置环向预应力钢束。钢束弯曲半径1.5 m，钢束规格采用12-Фs15.2 mm钢绞线，布置间距约35cm。

(3)斜拉索

斜拉索为平行双索面，共40对，为热挤聚乙烯双层护套的高强度平行钢丝拉索，公称直径φ7 mm，抗拉标准强度1 670 MPa、成品索弹性模量E≥1.96×105 MPa的Ⅱ级松弛镀锌平行钢丝拉索。斜拉索于塔顶张拉，锚点间距1.2 m，拉索锚固于主梁上。双塔对称斜拉桥方案拉索长度15.0～100.5 m，斜拉索倾角27°，主梁上索间距9 m。斜拉索的两端均采用冷铸锚(张拉端锚具)，施工时在索塔内张拉。

(4)施工方法

①于小里程侧搭设顶推平台，施工桥塔下部及各桥墩，拼装钢箱及导梁，向大里程侧顶推，直到全梁顶推完成；②拆除导梁，落梁至设计高程，吊装钢箱风嘴等附属设施；③施工桥塔剩余部分及斜拉索张拉，拆除所有支架及临时设施，施工二期恒载，完成施工。

2.1.2　矮塔斜拉桥方案(图4)

本方案为(126+200+126) m矮塔混合梁斜拉桥，主梁在左右靠近主墩共80 m范围采用预应力混凝土主梁，其余边跨及中跨部分采用钢箱梁，桥塔采用H形桥塔，塔高跨比为0.125，桥塔均采用混凝土结构，斜拉索采用扇形布置，共36对。结构体系为塔梁固结，墩塔分离[8]。

图4　矮塔斜拉桥方案(单位: m)

(1)主梁(图5)

主梁采用混合梁，混凝土梁采用双主梁截面，边梁采用单箱双室截面，在斜拉索锚固位置处设横隔梁，横隔梁厚度为40 cm，间距6 m。箱梁顶底板厚度为28 cm；边腹板同时作为斜拉索锚固区厚度为225 cm，中室腹板厚50 cm，腹板设置位置与钢箱梁腹板对应。混凝土箱梁梁高由桥塔处的6 m渐变为3.5 m。钢箱梁截面构造同双塔斜拉桥方案钢箱梁截面。

图5　混凝土主梁横断面(单位:cm)

(2)桥塔

主塔高25 m，上塔柱作为索锚区采用整体方形实心截面[9]，两边箱顺桥向长度5.0 m，横桥向宽度4.0 m，斜拉索锚固采用穿丝管。

(3)钢混结合段(图6)

图6　钢混结合段构造(单位:mm)

钢混结合段总长度5.4 m，其中钢混接头长度2 m，接头传力体系采用填充混凝土后承压式。

钢箱梁节段端部设置多格室结构，在隔室中填充混凝土，通过格室钢板与混凝土的摩擦力、钢板与混凝土面直接承压来传递轴力、剪力和弯矩。钢格室腹板上设置PBL键以提高钢混结合段的延性。为了使钢箱梁与混凝土箱梁结合紧密，采用预应力钢筋(钢绞线)进行连接。考虑填充混凝土应力分散必要的面积、格室内焊接空间、构件加工制作可行性等因素，钢格室高度取646 mm。

为了使钢箱梁节段截面特性逐渐过渡，钢梁顶板、底板U形加劲肋设置倒T形加劲板进行过渡，截面过渡段长度3.4 m。

(4)斜拉索

斜拉索为扇形布置，每个塔柱共设9对钢绞线拉索，梁上索间距[10]为6.0 m。塔上竖向索距为 1 m，由事先加工的导向鞍座进行控制。斜拉索通过单根转向钢管(索鞍)穿过索塔，在塔的进出口处采用短分丝管(又称定位圈)结构形式。

(5)施工方法

①施工各桥墩、临时支墩、跨中钢支架及顶推平台，封闭挂篮[11]对称悬灌混凝土梁段；②于小里程支架上拼装梁段，安装导梁，顶推完成钢箱梁至与混凝土主梁合龙，支架拼装跨中钢箱梁；③利用已施工完毕的混凝土箱梁和钢箱梁，继续顶推大里程钢箱梁；④施工桥塔及斜拉索张拉，拆除所有支架及临时设施，施工二期恒载，完成施工。

2.1.3　独塔斜拉桥方案(图7)

本方案为独塔双索面斜拉桥，主桥布置为(226+226) m。桥塔采用H形混凝土桥塔，塔高跨比为0.45，主梁采用钢箱梁，斜拉索采用扇形布置。梁高3.5 m，钢箱梁截面构造同双塔斜拉桥方案钢箱梁截面。全桥共设48对斜拉索，结构体系为半漂浮体系。

图7　独塔斜拉桥方案(单位:m)

(1)桥塔

主塔总高126 m，桥面以下塔柱高度25.5 m，桥面以上塔高100.5 m。

上塔柱作为索锚区采用矩形空心截面，截面顺桥向长度5.0 m，横桥向宽度4.5 m，纵横向壁厚为1.2 m；斜拉索锚固点对称于塔柱中心线设置，采用齿块进行锚固；为了承受斜拉索巨大的拉力，索塔锚固区截面设置环向预应力钢束，钢束弯曲半径1.5 m，钢束规格采用12-Фs15.2 mm钢绞线，布置间距约35 cm。

(2)斜拉索

斜拉索采用扇形索面，共48对，为热挤聚乙烯双层护套的高强度平行钢丝拉索，公称直径φ7 mm，抗拉标准强度1 670 MPa、成品索弹性模量E≥1.96×105 MPa的Ⅱ级松弛镀锌平行钢丝拉索。斜拉索于塔顶张拉，锚点间距1.2 m，拉索锚固于主梁上。双塔对称斜拉桥方案拉索长度73～237 m，斜拉索倾角24°～81°，主梁上索间距9 m。斜拉索的两端均采用冷铸锚(张拉端锚具)，施工时在索塔内张拉。

(3)施工方法

①于小里程侧搭设顶推平台，施工桥塔下部及各桥墩，拼装钢箱及导梁，向大里程侧顶推，直到全梁顶推完成；②拆除导梁，落梁至设计高程，吊装钢箱风嘴等附属设施；③施工桥塔剩余部分及斜拉索张拉，拆除所有支架及临时设施，施工二期恒载，完成施工。

2.1.4　斜塔斜拉桥+梁桥组合方案(图8)

本方案共采用三联梁，1-126 m斜塔斜拉桥+1-(40+2×60+40) m连续梁+1-126 m斜塔斜拉桥，全长452 m。126 m斜塔斜拉桥为单跨无背索独塔斜拉桥，桥塔采用H形桥塔，塔高跨比为0.5，桥塔倾角为70°。主梁及桥塔均采用全钢结构，斜拉索采用平行布置。(40+2×60+40) m连续梁采用混凝土结构。约束体系采用塔梁固结，桥墩处设置竖向支撑，形成简支体的独塔斜拉桥体系。混凝土梁按常规连续梁约束。

图8　斜塔斜拉桥+梁桥组合方案(单位:m)

(1)主梁

主梁采用纵横梁体系，桥面为正交异性板，纵梁布置于桥面两侧与斜拉索位置相对应，纵梁横向间距43 m，采用焊接钢箱梁截面。主梁标准段纵梁梁高3.5 m，上、下翼缘板宽度均为3 m。上、下翼板板厚分别为28、32 mm，腹板板厚为20 mm。钢主梁横断面见图9。

图9　钢主梁横截面(单位:cm)

横梁为变高度焊接工字形截面，主梁标准段桥中心处梁高3.5 m，上、下翼缘板宽度均为600 mm，上、下翼板板厚分别为36、50 mm，腹板板厚为14 mm。横梁顶面设2%双向横坡，横梁布置间距为6.0 m。横梁与纵梁之间、小纵梁与横梁之间采用M24高强度螺栓连接。钢材材质均采用Q345qD[12]。

混凝土连续梁采用双主梁截面形式，中间利用横梁连接，边主梁采用单箱双室截面，箱梁顶底板厚度为28 cm；中室腹板厚50 cm。横隔板厚30 cm。梁高由支座处的4 m渐变为跨中的2.5 m。混凝土主梁横截面见图10。

图10　混凝土主梁横截面(单位:cm)

(2)桥塔(图11)

桥塔采用钢塔，根据受力需要，部分节段灌注混凝土，起压重和辅助受力作用，截面采用六边形截面，板厚40 mm，加劲肋厚25 mm，竖向采用5 m一段。

图11　桥塔横截面(单位:cm)

(3)斜拉索

每座斜塔斜拉桥含8对斜拉索，斜拉索采用热挤聚乙烯双层护套的高强度平行钢丝拉索，公称直径φ7 mm，抗拉标准强度1 670 MPa、成品索弹性模量E≥1.96×105 MPa的Ⅱ级松弛镀锌平行钢丝拉索。斜拉索于主梁张拉，锚点间距7 m，拉索锚固于主梁上。

斜拉桥方案拉索长度29～140.5 m，斜拉索倾角25°，主梁上索间距12 m。斜拉索的两端均采用冷铸锚(张拉端锚具)，施工时在梁底张拉。

(4)施工方法

①施工各桥墩及临时支墩，中间地段施工顶推平台支架；②支架拼装斜拉桥主梁，安装导梁，顶推小里程主梁至落梁位置；③支架拼装斜拉桥主梁，安装导梁，顶推大里程主梁至落梁位置；④拆除顶推支架，封闭挂篮对称悬灌混凝土梁段；⑤施工桥塔及斜拉索张拉，拆除所有临时设施，施工二期恒载，完成施工。

3　方案比选

根据场地条件，顶推施工方案临时支墩的设置，在不影响铁路编组站正常作业的情况下，于可行性墩位附近共设置6个临时支墩，最大顶推跨度为98 m。经计算，结构指标满足规范要求。此外，上述4个桥梁方案均通过结构安全计算，方案均可行。

双塔斜拉桥方案在铁路编组站内仅设置2个桥塔，大大减少了对铁路安全和运营的影响，施工便捷，不影响铁路编组站的正常作业，施工组织有序可行。

矮塔斜拉桥方案采用混合梁结构形式，进一步降低了梁高，使其在较小的梁高下有更大的跨越能力，同时钢箱部分可以采用顶推施工，加快了施工进度。

独塔斜拉桥方案在铁路编组站内仅设置一个桥塔，利用对称大跨度一次跨越所有铁路线，对铁路安全和运营的影响最小。

斜塔斜拉桥+梁桥组合方案充分利用了中跨铁路线较少，对铁路干扰小的特点，于中间布置混凝土连续梁，大大减少了主桥的工程造价，同时采用独斜塔结构，跨过编组站较大区域，对跨越铁路有很好的适应性。

各方案优缺点比较具体见表1。

表1　各方案优缺点比较

桥式方案结构特点景观特点施工特点工期比较工程造价方案1双塔斜拉桥方案主桥结构形式非常成熟,不设横梁的H形桥塔增大桥面的通透感和震撼力结构整体对称,造型美观、简洁,通透向上,体现了良好的城市发展寓意塔柱用爬模施工,陆地上钢梁可采用顶推施工一次完成,对铁路影响较小22个月3.25亿元方案2矮塔斜拉桥方案主桥采用混合梁结构,充分发挥了各自的受力特性,减少了梁高及自重,受力更加合理低矮装饰型的主塔造型,借鉴了商文化的特色,充分体现的郑州的文化特点,整体造型美观协调分别采用悬灌施工和顶推施工,便于施工组织,加快施工进度,对铁路影响较小,但施工较麻烦22个月3.11亿元方案3独塔斜拉桥方案主桥受力特性接近双塔斜拉桥方案,但结构受力较大,工程数量相应增加直H形独柱塔,线条简约大气,与郑州厚重的文化相呼应塔柱用爬模施工,陆地上钢梁可采用顶推施工一次完成,对铁路影响最小,但桥塔施工周期长,工程规模较大24个月3.38亿元方案4斜塔斜拉桥+梁桥组合方案主桥三联桥梁,充分利用了铁路编组分布的特点,两侧桥梁为钢结构,中间采用混凝土箱梁,降低了工程造价倾斜的塔柱表现桥梁的线条美,竖琴式的造型为郑州营造一种城市韵律美同时采用顶推施工和悬灌施工,施工费用较少,施工步骤稍显繁琐,对铁路影响较小31个月2.89亿元

4　结论

通过对郑州农业路上跨郑州北编组站桥梁方案进行充分的技术比较和安全论证，4个桥梁方案均是合格的备选方案。相对而言，方案1双塔斜拉桥结构更加合理，体系运用成熟；采用顶推施工，施工方便且风险较小，对铁路和既有建筑的影响小，工期最短；具有较强的技术先进性和良好的经济性；后期可结合郑州文化特点对桥塔景观性进行装饰美化，突出结构对称韵律美。因此，推荐采用方案1：(126+200+126) m双塔斜拉桥。

参考文献：

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.CJJ11—2011 城市桥梁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2]魏毅强.保阜高速公路跨京广铁路立交桥梁方案研究[J].铁道标准设计，2013(4)：65-68.

[3]曹全.张涿高速公路卧佛寺连接线永定河大桥方案研究[J].铁道标准设计，2014，58(1)：72-76.

[4]张池权.上海金山铁路春申特大桥主桥设计与施工[J].铁道标准设计，2012(7)：64-68.

[5]张贵明，陈湘林.顶推法施工斜拉桥[J].桥梁建设，1998(3)：68-71.

[6]周孟波.斜拉桥手册 [M].北京：人民交通出版社，2003.

[7]范立础.桥梁工程(上、下册)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[8]罗春林.武九客运专线西南下行联络线特大桥主桥桥式方案比选[J].铁道标准设计，2015，59(6)：73-79.

[9]杨克鉴，王俊杰.津秦客运专线戴河桥桥式方案设计[J].铁道标准设计，2007(2)：50-52.

[10]康炜.大西客运专线晋陕黄河特大桥主桥桥式方案比选[J].铁道标准设计，2011(S)：52-57.

[11]左家强.太中银铁路中宁黄河特大桥桥式方案研究[J].铁道工程学报，2013(12)：36-40.

[12]吴冲.现代钢桥(上册) [M].北京：人民交通出版社，2006.

Comparison and Research of Urban Expressway Bridge Crossing Over Large Railway Marshalling Yard

ZHOU Ji， ZHANG Xiao-jiang， TIAN Fang

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063， China)

Abstract： Nongye road expressway project crosses over the north marshalling yard of more than 30 tracks and Beijing-Guangzhou railway in Zhengzhou， and the existing road under the bridge passes through under the Zhengzhou north marshalling yard. There are many frame bridges and road bridges at the work site and the number of feasible pier location for the bridge is very few， which challenges the construction of the bridge. Thus， it is absolutely necessary to study and choose a reasonable bridge type for the project. The researches on some feasible pier locations and the selection of feasible construction program and span arrangement result in the determination of 4 bridge types， and one reasonable bridge type is recommended after analysis and comparison in terms of railway safety， technology， schedule and economy. The results show that the (126+200+126) m twin tower cable-stayed bridge is the recommended bridge type. The research process and method employed may provide references for the design of similar projects．

Key words： Railway marshalling yard; Cable-stayed bridge: Bridge type; Feasible pier location; Construction program

文章编号：1004-2954(2016)05-0059-05

收稿日期：2015-09-23； 修回日期：2015-11-02

作者简介：周　继(1986—)，男，工程师， 2011年毕业于西南交通大学土木工程学院桥梁与隧道工程专业，工学硕士，E-mail：[e-mail]。

中图分类号：U448.17

文献标识码：A　　

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.013