城市軌道交通高架橋的設計及實踐

提　要: 根據莘閔軌道交通線高架橋的設計, 重點介紹了軌道高架橋設計的整體構思, 和一些重要問題的處理方法, 并給出部分參考數據, 對同類設計具有一定的借鑒作用。
關鍵詞: 軌道交通; 高架橋; 設計

1　前言
上海市莘閔軌道交通線是上海市閔行區南北向一條重要的公共交通干線, 是上海市軌道交通網絡系統中的一個組成部分, 同時也是我國在建的第一條城市輕軌交通線。工程全長約17. 2km, 其中高架橋合計總長約16. 7km 。高架橋主要包括區間標準簡支跨(Lp= 30 m )、區間連續梁及跨1 號線處滬杭鐵路線、橫瀝港等節點工程。
自2000 年7 月起, 我們承擔了連續梁和橫瀝港節點等的初步設計及施工圖設計工作。工程計有預應力及鋼筋混凝土連續梁、岔線梁17 聯, 其中含節點工程1 個, 合計線路長度約1. 8km, 12 月底完成了設計。該工程于2002 年初施工完成。
2　莘閔軌道交通線高架橋建設環境、工程特點及整體設計構思
2. 1　莘閔軌道交通線高架橋建設環境
莘閔軌道交通線是上海市在建的第四條軌道交通線, 其中三條已建成或部分建成, 第一條線路地鐵1 號線全部走行于地下和地面, 第二條地鐵2 號線僅有局部(約一個半區間) 為高架線路, 第三條明珠線大部分為高架線路(約21. 4 km)。1999 年開始修建的明珠線是上海乃至我國首次在城市軌道交通線建中大規模采用高架線路, 城市軌道高架橋的設計、建造第一次在大型工程建設中得以實踐。
1998 年明珠線高架橋設計時, 已針對性地作了一些專題研究, 理論上解決了一些設計、施工上的難題, 提出工程上處理措施。截止2000 年, 從部分施工完成的工程上看, 這些方案和措施, 大部分都是成功和有明顯效果的, 但也發現了一些問題, 如橋梁整體造型差、結構安全儲備偏大和箱梁底板出現沿筋縱向裂縫等。此外, 還由于時間關系, 對一些關鍵問題, 如基礎豎向沉降等, 也無法觀測和驗證。由于明珠線為地鐵, 莘閔線為輕軌, 兩者也存在一些差別。所以, 對莘閔線有關專家評價為: 國內初次建造, 沒有成熟的經驗, 更無現成的規范。
2. 2　莘閔軌道交通線高架橋工程特點
與一般鐵路橋梁相比, 莘閔軌道交通線高架橋有下列特點:
(1) 列車荷載小(軸重110 kN );運營最大車速V y, m ax= 60 km /h,
(2) 車速中等(最大設計車速Vm ax= 80 km /h);
(3) 線路設計坡度大(最大設計坡度im ax= 30‰);
(4) 制動長度短(要求在100 m 長度內, 將車速由60 km ?h 制動至零速);
(5) 長鋼軌;
(6) 無碴承軌臺結構;
(7) 造型美觀度要求高;
(8) 乘坐舒適度要求高。

2. 3　莘閔軌道交通線高架橋整體設計構思
根據我國、特別是上海市軌道交通線高架橋建設的現狀和能力, 重點考慮我國公路、城市道路和鐵路橋梁建設多年來積累的成熟經驗和方法, 充分吸收和借鑒上海市城市軌道明珠線高架橋建設的經驗、教訓, 適當兼顧高架橋的現澆施工方法的需要, 在莘閔軌道交通線高架橋整體設計時, 在以下幾方面進行了重點研究:
2. 3. 1　高架橋造型
城市軌道高架橋的選型應考慮功能、景觀、經濟、施工、占地和工期等幾方面的需要, 其景觀度的要求遠高于鐵路和公路橋。通過對已建成的明珠線高架橋(如圖1) 的調研, 認為其景觀度中等, 主要不足為外形滯重, 給人一種粗笨的視角效果; 另外, 從橋梁受力上講, 橋墩安全儲備略顯偏大。本次根據上海位于江南的地理環境和上海市道路用地范圍窄、兩側高樓林立的特點, 采用融合法和消去法, 使之從屬城市環境。如圖2 為最后采用的造型, 其具有造型柔和, 色彩暗淡, 弱華視角效果的特點。

圖1　明珠線高架橋造型

圖2　莘閔線高架橋造型方案
梁部同明珠線一樣采用箱梁, 主要考慮了兩方面的原因: (1) 箱梁整體受力好, 收縮徐變小; 適于中跨和大跨、簡支或連續結構, 可用于直線段、曲線段、出岔段和變寬段等, 減少橋梁類型; 設計施工經驗豐富、成熟。
(2) 與明珠線保持協調一致。
墩柱采用不同于明珠線的變形單柱墩, 主要考慮莘閔線為橋寬僅8. 80m 的單箱單室箱梁, 其梁部支承點相距較近; 箱梁側面與墩柱上部可采用一致斜率的直線, 而墩柱上下部采用大半徑圓曲線過渡, 使得線條流暢、比例恰當、造型優美; 對墩高的變化適應性極強; 受力合理, 材料節省, 施工方便、快速。
2. 3. 2　連續梁梁部預應力配束型式
通常, 對于跨度小于60 m、聯長小于150 m 的中等跨度現澆預應力混凝土連續梁, 為方便施工, 對預應束的錨固采用端錨型式, 與之相應, 預應力束多采用“長配束”型式布束。但莘閔線由于高架線路長達10 多km , 而梁部又只能采用現澆法施工, 為使大部分梁可以平行施工, 互不影響, 預應束的錨固只得采用內錨型式。所以, 對聯長均不大于150 m , 且多為三孔一聯的莘閔線連續梁如仍沿用傳統的“ 長配束”型式布束, 顯然是不經濟的。為此, 對莘閔線連續梁配束式進行了研究。
結合懸灌法施工的連續梁的“ 短配束”型式, 共提出了三種配束方案: 長配束、短配束和長短束。并以(27 + 40+ 27) m 連續梁, 按施工圖設計階段進行地了同精度比較, 詳見表1:
表1　鋼束布置型式比較表

經綜合比較結構尺寸及受力、施工難易程度和工程投資等, 最終連續梁采用“ 長短束”配束方案。
2. 3. 3　縱向力及墩頂位移的控制
對于無碴無枕的無縫線路, 由于溫度變化、梁部撓曲引起梁軌間發生相對位移和低溫時鋼軌斷裂均產生很大的縱向力。通過研究, 縱向力對連續梁梁部影響一般小于3% , 梁部設計時可以不計; 但對于墩柱及基礎, 受到的縱向力作用非常大, 在設計中起主導作用, 往往控制設計; 若按單墩承全部縱向力, 則墩臺身及基礎都比較龐大, 工程上造成浪費, 設計時應考慮墩臺的共同作用, 將縱向力按墩身剛度(含支座剛度) 進行分配, 以使受力趨于合理, 經濟上節約。
對于墩頂位移如按一般橋梁? ≤5L 1/2 (mm ) 控制, 旅客乘車的舒適性就會很差。本次參照秦沈高速鐵路的意見, 采用更嚴格的控制指標: 按下部結構縱向水平線剛度控制。但由于輕軌與高速鐵路存在區別, 設計時將秦沈水平線剛度指標進行了適當折減。
2. 3. 4　豎向位移控制
高架橋上的無碴無枕軌道在施工完成后, 可以調節軌道高程只有軌道扣件。為保持運營期間線路設計坡度、減少線路豎向變形, 橋梁工后豎向變位必須控制在軌道扣件允許范圍以內。莘閔線采用的W J21 型的調高量為40 mm , 用于正線或輔助線; ? 型為10 mm , 用于岔線。

圖3　豎向變位關系示意圖
工后豎向變位主要由預應力梁的收縮徐變和基礎不均勻沉降產生, 參見圖3, 可按下面方法計算: 由圖3, 可得S= m ax[Sz, Sz-S”(x)+ S’(x)] (1) 預應力梁的收縮徐變S′(x) 和基礎不均勻沉降S”(x) 為時間的函數, 豎向變位S 可表示為: S= S (t) (2) 橋梁豎向變位允許值[S ]一般取為軌道扣件調高量的50～ 75% , 但對于? 型, 取為10 mm 。
2. 3. 5　抗震設計
目前, 我國還沒有軌道交通高架橋的抗震設計規范, 而通常橋梁抗震設計中普遍采用的《鐵路工程抗震設計規范》及《公路工程抗震設計規范》, 又沒有或無法考慮橋上無縫線路軌道對橋梁結構的作用。對此, 同濟大學的馬坤全等進行了研究。在設計中采取了如下原則或措施來進行抗震設計。① 高架橋上軌道結構對橋梁的縱向約束作用, 顯著減少了橋梁的縱向地震響應及對橋梁的抗震延性要求。② 板式橡膠支座可以明顯減少橋梁的地震響應, 改善橋梁的抗震延性性能。③ 墩柱縱向鋼筋的配筋率Θ1≥0. 95% , 能確保該高架橋滿足“ 小震不壞, 中震可修, 大震不倒”的強度和變形控制原則。
2.2. 3. 6　基礎沉降控制

由于莘閔線設計時, 明珠線高架橋基礎沉降的資料還來不及反饋, 故莘閔線仍采用明珠線高架橋基礎沉降控制的專題研究結論。定性上將大部分樁基礎置于⑦2 層上, 對于少量⑦2 缺失者, 置于⑧1 層上; 定量上采用鐵路、公路及上海市規范進行沉降檢算, 控制絕對沉降不大于30 mm, 相對沉降差不大于10～ 15 mm 。為減少沉降, 要求樁基礎施工完成與承軌臺開始施工的時間間隔不小于一定的時間。該時間一般取為90 d。
2. 3. 7　施工方法
根據上海市建設的經驗、莘閔線的實際情況和上海市現有的施工水平、經驗等, 考慮到高架橋高度通常不大于8. 0m, 個別地段(如車站范圍等) 也不大于2.12. 0m, 經過綜合比較工期、經濟、施工難易程度和施工期間對環境、居民的影響等, 橋梁采取現澆法施工, 且以滿堂支架現澆法為主。梁部采用商品混凝土、泵送、滿堂支架澆筑; 墩柱采用商品混凝土、泵送或人工倒運、現澆。基礎樁基若為打入樁, 則以預制為主; 若為灌注樁或其他形式基礎, 多為商品混凝土就地澆筑。為減少梁部結構的收縮徐變和基礎的沉降以滿足無碴軌道結構對橋梁豎向變形限制的要求, 要求承軌臺施工開始與梁體施工完成的時間間隔不小于一定數值, 對簡支梁, 一般為90 d, 對連續梁為180 d。為保證工期, 采取多點、面平行施工梁部。
3　連續梁梁部設計
3. 1　設計基本資料和參數取值
3. 1. 1　基本資料
(1) 列車活載: 如圖4:
(2) 線路數: 雙線, 線間距3. 3m;
(3) 橋梁寬度: 直線段8. 0m;
(4) 行車最大速度: 80 km /h;
(5) 地震力: 設計烈度7 度, 場地土類別類。

圖4　列車活載圖式
3. 1. 2　設計參數
·二期恒載: 64 kN /m;
·支座不均勻沉降: 考慮徐變折減后取0. 5～ 1. 0 cm;
·溫度力: 均勻升溫20℃ 、降溫-10℃; 非均勻升溫5℃;

·列車橫向搖擺力: 按豎向活載的2. 5% 計;
·列車活載沖擊系數: 1+ Λ= 1+ 12/(38+ L ) R jy= 1 860M Pa, STM 1529 錨具。
·制動力和牽引力: 按豎向活載的15% 計, 當與(2) 施工方法: 滿堂腳手架現澆法施工。離心力或和沖擊力組合時, 按10% 計。(3) 計算理論: 全預應力結構。
3. 1. 3　其他資料
(1) 材料: 3. 2　梁部橫斷面、立面設計
混凝土: C50; 典型的橫斷面如圖5, 立面圖根據需要設計有三j 15. 20 高強度低松馳鋼絞線, 如圖6:

圖5　橋梁典型橫斷面圖　　　　　　　　　　　　　　圖6　橋梁立面圖程序可供選擇, 本次采用西南

交大李喬教授等的A S23. 3　結構受力分析、計算CB 和大橋局的PRB P 等電算程序, 對個別項目, 采用對于結構受力分析、計算, 按薄壁曲線箱梁理論, 手工計算和調整。采用箱梁有限元法。首先將結構簡化為計算簡圖, 并劃對于具體計算過程, 可參見專著或文獻資料。下面分單元和節點, 根據不同施工階段荷載、結構和約束等給出部分計算成果: 的不同進行計算。具體設計時國內有很多成熟的專用
表2　連續梁結構尺寸表

表3　連續梁應力計算及配束表

　　X ——控制點至梁端的距離(m )。N 采用的預應力根數。
3. 4　徐變、疲勞分析計算土齡期3 年時, 結構徐變拱度為11. 9mm 。另外, 也對30 m 簡支預應力梁進行了疲勞分析, 常用荷載下, 鋼為定量預應力混凝土梁的徐變影響, 采用徐變量絞線的活載應力幅為9. 2M Pa, 小于允許的疲勞強度較大的進行了分析計算, 其在二期恒載施加后至混凝值52. 0M Pa; 混凝土的最大疲勞應力為6. 2M Pa, 小于允許的最大疲勞應力20. 1M Pa 。由以上計算, 認為3. 5　主要經濟指標徐變、疲勞對連續梁不控制, 可不予檢算。
表4　連續梁主要經濟指標

　　指標1: 每m2 橋面的含量。指標2: 每m3 混凝土的含量(對普通鋼筋, 不含齒塊, 隔板、橫梁)。混凝土指標: 每m2 橋面的橋寬按線間距+ 4. 7m 計。
3. 6　按主+ 特檢算, 允許應力提高45% 。通過計算, 莘閔線的活載作用與汽2超20 級相當 4. 2　墩柱結構尺寸或略大。與明珠線相比, 總體上講略小, 具體為活載比約為明珠線的0. 84, 總荷載比約為0. 94, 隨跨度增大該值也變大。從混凝土、預應力鋼束和普通鋼材用量上講, 一般均大于公路汽2超20 級梁; 與明珠線比較, 除普通鋼筋大于明珠線外, 其余兩項相當。從結構尺寸上講, 一般均大于公路汽2超20 級梁; 與明珠線接近。
4　墩柱及基礎設計
墩柱及基礎的設計、計算, 除荷載組合與鐵路及公路橋梁差別較大外, 計算原理、方法均無本質差別。荷載組合的差別主要由軌道高架橋特有的軌道縱向力引起。為節約篇幅, 以下重點介紹其與鐵路、公路橋設計上的不同處和主要設計成果。

圖7　墩柱構造圖

5　結束語
墩柱配筋一般遠大于汽2超20 級橋梁, 接近普通正在成為城市基礎設施的軌道交通中, 高架橋占國鐵橋梁。對于墩高小于8. 0m, 跨度30～ 40 m 高架線路長度85～ 95% , 而軌道交通高架橋的設計、施工橋, 一般每延m、每m2 橋梁墩柱混凝土為1. 2m3、在我國剛剛起步, 為此, 研究橋梁結構型式、造型、荷載0. 15m 3, 鋼筋為234 kg 、29. 3kg 。承臺混凝土含筋量的作用和施工方法、工藝等, 已成為迫切課題。