城市軌道交通高架型式設(shè)計(jì)探討

馮愛(ài)軍
（北京城建設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司）

摘要：城市軌道交通高架線(xiàn)路型式因其造價(jià)低、建設(shè)周期短而越來(lái)越受到?jīng)Q策者和建設(shè)者的青睞，正在建設(shè)的16條線(xiàn)路中，高架長(zhǎng)度已占到約40%。本文即重點(diǎn)論述了高架結(jié)構(gòu)型式選擇的影響因素及高架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：軌道交通；設(shè)計(jì)；高架結(jié)構(gòu)

1高架城市軌道交通建設(shè)現(xiàn)狀
眾所周知，伴隨著新世紀(jì)的到來(lái)，中國(guó)的城市軌道交通建設(shè)也翻開(kāi)了嶄新的一頁(yè)。目前中國(guó)人口過(guò)百萬(wàn)的三十四個(gè)城市中，有二十個(gè)超大城市和特大城市正在建設(shè)和籌建自己的軌道交通。目前在建的線(xiàn)路長(zhǎng)度近400公里，這其中高架線(xiàn)路型式因其造價(jià)低、建設(shè)周期短而越來(lái)越受到?jīng)Q策者和設(shè)計(jì)者的青睞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在已建成通車(chē)的8條146.94公里的線(xiàn)路中，僅有一條高架線(xiàn)，長(zhǎng)度占17%，而正在建設(shè)的16條線(xiàn)路中，高架長(zhǎng)度已占到約40%。表1為已建項(xiàng)目高架線(xiàn)路情況統(tǒng)計(jì)。
城市快速軌道交通高架橋梁與一般城市高架道路橋梁不同，雖與鐵路橋近似，但也有其特殊性，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
①橋上鋪設(shè)無(wú)縫線(xiàn)路無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)，因而對(duì)結(jié)構(gòu)型式的選擇及上、下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)造成特別的影響；
②城市軌道交通特有的橋面系布置及接口關(guān)系；
③列車(chē)的運(yùn)行最高速度為80km/h， 運(yùn)行密度大，維修時(shí)間短；
④建設(shè)地點(diǎn)一般位于城區(qū)或近郊區(qū)，對(duì)景觀要求、施工工期及環(huán)保要求較高。
目前，正在建設(shè)高架軌道交通項(xiàng)目的北京、上海、武漢等地，業(yè)主和設(shè)計(jì)者已充分認(rèn)識(shí)到了上述特點(diǎn)，并積極開(kāi)展了分析研究工作，為高架結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，正在修編的《地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范》也特別加入了高架結(jié)構(gòu)這一章。本文重點(diǎn)論述了高架結(jié)構(gòu)型式選擇的影響因素及高架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題，供大家探討交流。

2高架型式選擇的影響因素
高架線(xiàn)路型式的顯著特點(diǎn)是建設(shè)周期短、造價(jià)低，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)景觀及噪音污染的問(wèn)題，因此，選擇高架型式必須考慮建設(shè)地點(diǎn)、景觀及環(huán)境影響因素。
2.1 高架型式的適用地段
在軌道交通線(xiàn)路設(shè)計(jì)時(shí), 在如下地段考慮選擇高架型式是比較適宜的：
1．城市繁華地區(qū)以外的城近郊區(qū)，周?chē)ㄖ^少。道路寬闊，線(xiàn)路可選擇在道路一側(cè)或道路中間。
2．連接城市中心區(qū)與周?chē)l(wèi)星城、開(kāi)發(fā)區(qū)、機(jī)場(chǎng)等。
3．中等規(guī)模及以下城市，規(guī)劃予留出城市軌道交通專(zhuān)屬用地。
根據(jù)上海明珠線(xiàn)一期工程及泰國(guó)等城市的經(jīng)驗(yàn)，在大城市中心區(qū)一般不建議采用高架線(xiàn)路。
2.2 高架型式與景觀影響
高架車(chē)站、區(qū)間具有工程量小、工程投資少的特點(diǎn)，但同時(shí)會(huì)給城市帶來(lái)景觀上的不協(xié)調(diào)、噪音的污染等問(wèn)題。針對(duì)高架車(chē)站、區(qū)間本身的特點(diǎn)，首先應(yīng)從建筑布局、結(jié)構(gòu)形式及環(huán)境設(shè)施上進(jìn)行全面的構(gòu)思，對(duì)所處地段的地形、環(huán)境特征加以巧妙的、空間尺度適宜的利用，將軌道交通設(shè)計(jì)成在景色中運(yùn)行的流線(xiàn)，連成一幅巨大的動(dòng)態(tài)的畫(huà)面。處理得當(dāng)，不僅會(huì)消除其對(duì)城市景觀的負(fù)面影響，而且會(huì)為城市增添一道亮麗的動(dòng)態(tài)風(fēng)景線(xiàn)。
解決高架型式對(duì)景觀的影響主要可從區(qū)間高架結(jié)構(gòu)型式的選擇、車(chē)站造型和車(chē)站體量等方面考慮，建議采取以下幾方面的措施：
1)高架線(xiàn)路首先注意線(xiàn)形，應(yīng)與區(qū)域特點(diǎn)、土地利用規(guī)劃、原有道路相協(xié)調(diào)。平面線(xiàn)形應(yīng)盡量平衡流暢。
2)道路分幅，盡量留出中央的綠化分隔帶，兩側(cè)又留有不同層次綠化的行道樹(shù)，給人以明快舒適之感。
3)車(chē)站設(shè)計(jì)地點(diǎn)，結(jié)合舊城改造或新區(qū)予留兩側(cè)的綠化地，這會(huì)改善街道景觀和人們的心理感受。其次要從質(zhì)感、色彩等方面考慮與環(huán)境的協(xié)調(diào)，以求獲得美觀的視覺(jué)效果。另外，車(chē)站建筑也應(yīng)體現(xiàn)文化內(nèi)涵及歷史傳統(tǒng)建筑化的基本元素。
4)高架結(jié)構(gòu)形式的選擇必須借鑒橋梁美學(xué)的概念，充分考慮合理的高跨比、梁體外部線(xiàn)形及橋墩造型。
5)高架車(chē)站的體量也是景觀設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題。高架車(chē)站應(yīng)簡(jiǎn)潔通透，盡量縮小車(chē)站體量，減少站務(wù)用房。
2.3 高架型式與環(huán)境影響
高架軌道交通工程的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)不可避免地對(duì)沿線(xiàn)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生影響；其主要影響因素有噪音影響、振動(dòng)影響及施工環(huán)境影響。
2.3.1噪聲影響
在建設(shè)施工和運(yùn)營(yíng)期間均會(huì)產(chǎn)生噪音影響。
施工期間噪聲環(huán)境影響，主要來(lái)源是拆除建筑物作業(yè)、道路破碎作業(yè)、鉆孔灌注樁作業(yè)、挖掘、運(yùn)土等工種。因此，大型挖土機(jī)、空壓機(jī)、鉆孔機(jī)、重型車(chē)輛、風(fēng)鎬、振動(dòng)棒、電鋸、混凝土攪拌機(jī)、大型吊機(jī)等是各個(gè)階段噪聲。
運(yùn)營(yíng)噪聲為列車(chē)在地面及高架線(xiàn)行駛時(shí)向線(xiàn)路兩側(cè)輻射的噪聲，主要有車(chē)輛噪聲和車(chē)輛運(yùn)行時(shí)激發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)而產(chǎn)生的“二次噪聲”；車(chē)輛噪聲包括動(dòng)力系統(tǒng)噪聲和輪軌系統(tǒng)噪聲。輪軌噪聲包括平直軌道上的滾動(dòng)噪聲、鋼軌接縫處的撞擊噪聲以及彎道和制動(dòng)時(shí)的尖叫聲，這些噪音聲源是由于輪軌互相作用激發(fā)車(chē)輪和鋼軌的振動(dòng)而產(chǎn)生的，它的產(chǎn)生主要與線(xiàn)路型式、橋梁結(jié)構(gòu)、車(chē)輛類(lèi)型、列車(chē)長(zhǎng)度、行車(chē)密度及感應(yīng)點(diǎn)距地面高度等因素相關(guān)。
2.3.2振動(dòng)影響
振動(dòng)和噪聲是不可分的，振動(dòng)的強(qiáng)度也就是噪聲的強(qiáng)度。施工期間產(chǎn)生振動(dòng)的主要因素有：大型挖土、重型運(yùn)輸、道路破壞及回填夯實(shí)等。
運(yùn)營(yíng)期間的振動(dòng)主要是由列車(chē)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力振動(dòng)而引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)及列車(chē)通過(guò)橋墩、基礎(chǔ)傳至地面的振動(dòng)。結(jié)構(gòu)自身的振動(dòng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)由設(shè)計(jì)解決，傳至地面的振動(dòng)會(huì)對(duì)相鄰建筑產(chǎn)生影響。
2.3.3工程環(huán)境影響對(duì)策
減振降噪主要有三種途徑，其一，振動(dòng)噪聲源減振降噪，主要通過(guò)降低輪軌沖擊力和摩擦以及減振系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。主要措施有控制最小曲線(xiàn)半徑、軌下設(shè)置橡膠減振墊、梁下設(shè)置橡膠支座等。其二，在噪聲的傳播途徑中通過(guò)吸收和阻隔等方式降噪，最常用的方式是橋上設(shè)置聲屏障。其三就是在需要降噪的具體位置設(shè)置隔音吸音設(shè)施，如隔音窗，隔音外墻等。減振降噪措施：
1)盡量避免過(guò)小的曲線(xiàn)半徑。在設(shè)計(jì)過(guò)程中合理的進(jìn)行縱平面布置，確保線(xiàn)路的平順。這一措施同時(shí)還能降低輪軌的磨耗，提高列車(chē)通過(guò)曲線(xiàn)時(shí)的安全度和舒適度。同時(shí)線(xiàn)路的選擇應(yīng)距周?chē)ㄖ镆欢ň嚯x。
2)橋上采用無(wú)縫線(xiàn)路。
3)根據(jù)不同路段的減振降噪要求采用不同類(lèi)型的彈性扣件和道床形式，在達(dá)到減振降噪要求的同時(shí)盡量作到經(jīng)濟(jì)合理。如北京城市鐵路采用的隔而固鋼彈簧浮置板道床，可有效地減振和消除固體聲。減振效果為：噪聲傳遞損失可達(dá)40-60dB。
4)列車(chē)在高架線(xiàn)路運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲與高架結(jié)構(gòu)主梁的型式、墩臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及支座布置情況有很大的關(guān)系。設(shè)計(jì)中考慮在人口密集區(qū)采用槽形梁可有效降低列車(chē)運(yùn)行時(shí)的噪聲影響。基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，以減小震動(dòng)向遠(yuǎn)距離的傳播。支座采用抗振動(dòng)性能好的板式支座。
5)施工過(guò)程中，施工單位應(yīng)制訂環(huán)保措施規(guī)程及實(shí)施細(xì)則，并成立工作小組，經(jīng)常檢查落實(shí)條例執(zhí)行情況。合理制訂施工工藝流程，優(yōu)化施工工序，縮短施工工期。做好施工期的交通疏解工作，防止交通擁擠阻塞。
6)橋梁結(jié)構(gòu)在外側(cè)設(shè)置聲屏障進(jìn)行降噪處理。
7)在沿途建筑物上增加隔聲窗。
8)結(jié)合改建后的道路橫斷面設(shè)置綠化帶，可以有效地降低地面噪聲。

3 高架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題
3.1 特殊荷載
軌道交通高架橋因橋上鋪設(shè)無(wú)縫線(xiàn)路，引起了一些特殊力。橋上鋪設(shè)無(wú)縫線(xiàn)路因溫度變化、列車(chē)荷載的作用以及冬季鋼軌折斷致使梁軌之間產(chǎn)生相對(duì)位移，因扣件縱向阻力的作用，梁軌相對(duì)位移受到約束，因此梁軌間產(chǎn)生大小相等、方向相反的縱向力。它們分別是：伸縮力、撓曲力、斷軌力，制動(dòng)力與鐵路橋也不同。
3.2 變形控制
由于城市軌道交通高架橋采用無(wú)渣無(wú)枕軌道結(jié)構(gòu)，鋼軌扣件調(diào)高量?jī)H為40mm，即橋梁的后期變形不能大于40mm.橋梁設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮變形控制。主要的變形包括予應(yīng)力混凝土梁的徐變變形和基礎(chǔ)的后期沉降。從1997年開(kāi)始，筆者有幸參加了國(guó)內(nèi)第一條高架城市軌道交通線(xiàn)路-上海明珠一期工程的設(shè)計(jì)及該工程對(duì)橋梁的徐變控制和基礎(chǔ)沉降的研究課題，課題從設(shè)計(jì)、施工監(jiān)測(cè)、到運(yùn)營(yíng)階段對(duì)橋梁的徐變和沉降進(jìn)行了深入研究，課題歷時(shí)4年多。正在建設(shè)的北京城市鐵路，也對(duì)橋梁的徐變進(jìn)行了測(cè)試，工程實(shí)踐表明，在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中采取一些適當(dāng)措施，其變形是可以得到有效控制的。
控制徐變變形的措施：
1．設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)增加梁的剛度，減少?gòu)椥宰冃危瑥亩鴾p少徐變變形基數(shù)；
2．優(yōu)化予應(yīng)力鋼束布置，控制張拉應(yīng)力。
3．提高張拉時(shí)混凝土的齡期。
4．梁體設(shè)計(jì)預(yù)拱度時(shí)考慮徐變變形的影響。
5．施工加強(qiáng)對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)，減低水灰比。
6．梁澆注完成后，要做好施工組織，盡量延遲承軌臺(tái)開(kāi)始澆注的時(shí)間。
7．加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，將測(cè)量信息及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)。
基礎(chǔ)變形控制
1．盡量采用樁基礎(chǔ)；
2．增加樁長(zhǎng)；
3．增加樁數(shù)；
4．選擇持力層。
3.3 橋梁結(jié)構(gòu)形式的選擇
長(zhǎng)距離的高架橋結(jié)構(gòu)形式的選擇應(yīng)遵循安全、經(jīng)濟(jì)、美觀、便于施工，滿(mǎn)足橋下道路交通及環(huán)保要求，因此，高架橋區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)段橋式選擇的成功與否，是高架線(xiàn)路建設(shè)能否成功的關(guān)鍵因素之一。
3.3.1合理跨徑：從景觀、經(jīng)濟(jì)和施工技術(shù)等各方面綜合考慮確定。區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)梁的合理跨度以25m-30 m為宜。
3.3.2結(jié)構(gòu)體系：城市中小跨度橋多采用簡(jiǎn)支梁體系或連續(xù)梁體系。簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,受力明確，容易做到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、制造工廠(chǎng)化、施工機(jī)械化，安裝架設(shè)方便， 施工速度較快。連續(xù)梁橋?yàn)槌o定體系，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)剛度大，變形小，動(dòng)力性能好，有利于改善行車(chē)條件，減小列車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生的噪音和振動(dòng)。優(yōu)先推薦簡(jiǎn)支梁體系。
3.3.3梁型
根據(jù)幾條線(xiàn)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)梁的結(jié)構(gòu)型式重點(diǎn)應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁、預(yù)應(yīng)力混凝土槽形梁和預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁。
箱梁能適應(yīng)各類(lèi)條件，是目前國(guó)內(nèi)廣泛采用的高架結(jié)構(gòu)形式之一，它具有閉合薄壁截面，抗扭剛度大，整體受力性能好、動(dòng)力穩(wěn)定性好。箱梁外觀簡(jiǎn)潔、適應(yīng)性強(qiáng)，在區(qū)間直線(xiàn)段、曲線(xiàn)段、折返線(xiàn)及渡線(xiàn)段等處均可采用，對(duì)于斜彎橋尤為有利。
Ｔ形梁屬肋梁式結(jié)構(gòu)的一種，其抗彎性能好。由于主梁為工廠(chǎng)或現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制，故質(zhì)量較高。橋梁上部結(jié)構(gòu)由四片Ｔ梁相互聯(lián)結(jié)而成，吊裝重量輕，施工方便，且構(gòu)件容易修復(fù)或更換。
槽形梁為下承式梁，與上承式梁相比，其最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)高度相對(duì)較低，且兩側(cè)的主梁可起到隔音作用。
表2列出了各種型式梁特性的綜合比較。

3.4 施工方式選擇
對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間橋梁，其施工方法主要有整孔預(yù)制方案、節(jié)段拼裝和現(xiàn)澆三種方式。從表1可以看出，在目前國(guó)內(nèi)建成和在建的線(xiàn)路中，橋梁施工方法多采用現(xiàn)澆，這是由于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)橋梁運(yùn)輸和吊裝設(shè)備的限制及標(biāo)段劃分較小的原因造成的。但是，世界上橋梁技術(shù)發(fā)展迅速，橋梁的結(jié)構(gòu)也在多樣化，特別是由于橋梁架設(shè)施工技術(shù)的發(fā)展，促使各類(lèi)橋梁的架設(shè)質(zhì)量與進(jìn)度不斷提高。由于高速鐵路橋梁和輕軌交通高架橋梁發(fā)展的需要，也使架橋設(shè)備與技術(shù)日新月異。修建城市輕軌高架橋，應(yīng)采用預(yù)制簡(jiǎn)支梁吊運(yùn)架設(shè)法，利用現(xiàn)代橋梁施工設(shè)備與技術(shù)，以流水作業(yè)方式進(jìn)行建設(shè)施工。這種方法已在意大利、法國(guó)、南韓、墨西哥等國(guó)家被證明是保證橋梁外觀質(zhì)量、縮短工期、降低總成本、減少施工對(duì)社會(huì)的負(fù)效應(yīng)的最佳方式。
預(yù)制施工方案的特點(diǎn)：
1)在現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制箱梁，通過(guò)運(yùn)輸機(jī)械將箱梁運(yùn)到橋位，再利用架橋機(jī)械將箱梁安裝就位。
2)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)周邊的城市環(huán)境影響較小。由于采用預(yù)制、吊裝的施工方法，在橋墩及基礎(chǔ)施工完成后即可對(duì)施工沿線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行清理，并在線(xiàn)上完成橋梁架設(shè)，可有效減小拆遷量，減少施工場(chǎng)地占用面積和時(shí)間以及對(duì)城市交通的影響。
3)橋梁上部結(jié)構(gòu)為工廠(chǎng)化生產(chǎn)，施工工藝簡(jiǎn)單易行，技術(shù)成熟，橋梁的內(nèi)部質(zhì)量及外觀都能得到保障，可有效避免全線(xiàn)現(xiàn)澆作業(yè)中橋梁質(zhì)量參差不一，外觀相差較大的現(xiàn)象。
4)整孔預(yù)制、運(yùn)輸、架設(shè)方案單工作面施工速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于其他施工方案。如采取恰當(dāng)運(yùn)梁方式，更有利于減少施工對(duì)城市環(huán)境及城市交通的影響。
5)預(yù)制施工的發(fā)展-階段拼裝法：分段箱梁的運(yùn)輸、安裝方便，采用跨越式架橋桁機(jī)，對(duì)交通和社區(qū)的干擾最小。此外橋梁跨度較大并可靈活調(diào)整。

3.5 車(chē)站結(jié)構(gòu)型式及減振措施
從結(jié)構(gòu)形式上高架車(chē)站主要分三類(lèi)：站橋分離式，橋從車(chē)站穿過(guò)，與車(chē)站的構(gòu)件不發(fā)生任何關(guān)系；站、橋結(jié)合式，即行車(chē)道處設(shè)行車(chē)道梁，該梁簡(jiǎn)支在車(chē)站框架橫梁上，支承點(diǎn)采取減振措施；站、橋合一式，即車(chē)站部分框架結(jié)構(gòu)作為行車(chē)道，列車(chē)直接在框架梁板上行走。這三種結(jié)構(gòu)形式有如下的優(yōu)缺點(diǎn)：
高架車(chē)站結(jié)構(gòu)型式比較表 表3

3.6 使用環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特殊要求
城市軌道交通高架橋作為重要的生命線(xiàn)工程，其使用壽命為100年，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足耐久性要求。高架車(chē)站，因站臺(tái)雨棚多設(shè)計(jì)為半開(kāi)敞式，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按露天結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 需進(jìn)一步研究的課題
雖然城市軌道交通高架橋的建設(shè)已有一些經(jīng)驗(yàn)，但仍需解決以下問(wèn)題：
1)橋梁結(jié)構(gòu)耐久性及100年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的設(shè)計(jì)參數(shù)選擇。
2)施工方法研究，如整孔預(yù)制運(yùn)架技術(shù)、階段拼裝技術(shù)、先張預(yù)應(yīng)力技術(shù)等。
3)車(chē)站型式及規(guī)模優(yōu)化。
4)減振降噪技術(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)
綜上所述，城市軌道交通高架型式的設(shè)計(jì)有其自身的特點(diǎn)，它涉及了線(xiàn)路、橋梁、軌道、建筑景觀、建筑結(jié)構(gòu)、環(huán)境保護(hù)、施工等多個(gè)領(lǐng)域，是一個(gè)綜合的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。作者在這里只是拋磚引玉，希望中國(guó)的高架城市軌道交通系統(tǒng)建設(shè)不斷完善、持續(xù)創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)
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