吴钛
（中铁上海设计院集团合肥有限公司，安徽 合肥 230011）
摘要：以蚌埠市凤阳东路下穿京沪高铁立体交叉工程为研究对象，从桥型特点、方案研究等方面具体阐述该桥的设计方案，并通过对全桥模型的计算得出该类桥的受力特性及内力分布特点，为同类项目的设计提供参考。
关键词：下穿高铁；设计方案；受力分析；
1 项目概况
蚌埠市凤阳东路路位于蚌埠市经济开发区长淮片区内，全长8.43千米，东西横贯长淮片区。蚌埠市凤阳东路在K2+017.5与京沪高铁交叉，交叉处京沪高铁里程为K839+257.02，交叉角度为84.82°，该段京沪高铁为32m后张法预应力混凝土双线箱梁。目前，该段铁路桥下遗留施工便道，主要为杂填土，施工单位没有外运，采用在铁路征地地界内摊平，填土平均高度约为3.5m左右。拟建凤阳东路从京沪高铁淮河特大桥2155#～2157#号桥墩下穿过，断面采用双向六车道主线+非机动车道+人行道的形式。
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图1：立面布置图
2总体设计
京沪高铁淮河特大桥2155#桥墩～2157#桥墩相邻承台间距离为25.91m（顺铁路），2155#桥墩～2157#桥墩承台尺寸为6.8×10.5m，基础为10根Φ1.0m嵌岩桩。
蚌埠市凤阳东路路幅宽46m，双向六车道，两侧设有非机动车道及人行道。由于京沪高铁相邻承台间沿道路垂线距离均小于道路规划路幅，因此本工程采用道路左右分幅设置，并分别从桥下一跨内居中穿越京沪高铁。
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图2：平面布置图
高速铁路对桩基沉降要求严格，为避免新建道路结构自重和汽车荷载对既有铁路桩基产生附加压力，影响铁路桩基沉降及水平变形，从而进一步影响铁路运营安全，方案应选择桥梁施工等对铁路行车安全威胁最小的方案。并考虑设计水位等因素，采用多跨门式刚构[1~4]从铁路桥下通过。
3 计算模型及受力分析
3.1模型建立
本次设计模型采用3×20m，梁高1.0m，梁长60m。主梁采用分幅布置。单幅梁顶宽16.0m，底宽14.5m。其下为钻孔桩基础，桩径1.5m。
对于多跨门式刚构桥来说，由于属于超静定结构，其下部结构必然是极为重要，因此，桥墩结构尺寸的拟定，直接关系到整体桥梁结构的受力特点，但在实际桥梁下部结构拟定过程中，其桥墩高度需要针对实际情况进行恰当的设定，保障其在运营后发挥出其应有的作用和价值，但在该项目中，因现场的特殊性，其高度的可调整性比较突出的，设计时就针对现场的具体情况对该桥的下部结构高度进行合理的设定，促使其表现出较为理想的经济性和安全性效果。因此，提出了两个不同的方案，并分别采用桥梁博士软件建立模型，进行计算，全桥划分71个梁单元。
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图3：计算模型
方案一：不设置桥墩，由桩基、路基土体与钢筋混凝土承载板、帽梁组成地面桥连续桩板结构，它充分利用桩与土、板与土之间的共同作用来满足强度与变形要求[5~7]，是介于桥梁与路基之间的一种特殊的结构形式。一般来说，在桥梁竣工时，相对应的路基土体和板是紧密连接的，也正是因为这种紧密连接才能够较好的发挥路基的承载能力，但随着项目的运营，活载的不断往复作用，可能出现脱空现象，从而改变起初的受力体系。计算模拟时可将地基土对板的支撑可视为安全储备，即不考虑地基土对板的支撑作用。
方案二：桥墩高度为5米，将桥墩和梁板进行刚性连接，从力学角度来看，这种刚性连接的影响也是极为突出的，正是因为这种刚性连接的参与，受力体系发生了较大的改变，使结构在温度、沉降、收缩徐变等因素的作用下，产生较大的次内力。为使其受力状况满足使用要求，应使下部机构有较大的柔度来抵抗上部结构的荷载。
3.2桩基础的模拟
对于这种桩基础的模拟工作来说，其具体的计算是比较核心的一个方面，只有保障计算的准确性才能够提升其模拟的准确性，在该项目中，通过柱底加设1个竖直梁单元和1个水平边界单元，等效模拟整个桩基础，所采用的基本计算公式如下所示[8~10]:
等效竖直单元长度：L=3H11/（2H13）；
等效竖直单元面积：A=3H211/（2EH22 H13）；
等效竖直单元惯性矩：I=3H211/（8EH13（H33
H11- H213）；
等效水平边界单元刚度：K=（3H33 H11- 4H213）/{3H11（H33 H11- H213）}；
等效竖直单元顺桥向宽度：b=（12I/A）1/2；
等效竖直单元横桥向宽度：a=A/b；
其中H11为在承台顶作用单位水平力时承台顶产生的水平位移（H11>0）；H13为在承台顶作用单位水平力时承台顶产生的转角位移；H22为在承台顶作用单位竖直力时承台顶产生的竖向位移（H22>0）；H31为在承台顶作用单位力矩时承台顶产生的水平位移（H31>0）；H33为在承台顶作用单位力矩时承台顶产生的转角位移（H33>0）；
3.3计算结果
针对上述的两个方案进行详细的分析，其具体的图示如下，从图4中可以看出，桩板结构最大负弯矩出现在墩顶位置，为60578KN，最大正弯矩出现在边跨的跨中位置，为43028KN。
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桩板结构各种荷载组合下弯矩图4
从图5中可以看出，桩板结构最大负弯矩出现在墩顶位置，为60537KN，最大正弯矩出现在边跨的跨中位置，为39876KN。
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桩板结构各种荷载组合下弯矩图5
3.4计算结果比较
两种结构形式主要区别就是墩高的高度不同，桥墩的高度变高，即结构的下部墩台刚度变小，上部梁体刚度加大，在温度、混凝土收缩及徐变等作用下结构的内力相应变小，对结构设计较利。而下部结构刚度的变化对上部梁体负弯矩影响不大，对正弯矩影响较大，增加7.9%。
总之，为了减小结构的附加应力，必须采取增加桥墩高度、减小厚度等措施来保证，但同时也必须满足下部结构的自身强度要求。下部结构的强度可通过增强结构配筋、提高混凝土强度来保证。尽量小的下部结构刚度和尽量大的下部结构强度是中等跨径刚构设计的关键。此外笔者建议当高铁桥墩埋置较深时采用何种结构形式主要从对高铁桥梁的影响和经济方面进行。
4 结语
随着高特路网的发展，高速铁路涉及与市政道路、公路立体交叉项目越来越多。由于桥下净空限制及高速铁路对桩基沉降要求严格，文中介绍的桩板结构及多跨门式刚构桥是比较好的桥型之一，可为同类工程的设计提供参考。
参考文献
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