津濱輕軌常用跨度橋梁結構型式的選擇
摘 要:津濱輕軌工程近40 km 采用高架橋梁,選定合理的橋梁結構型式至關重要。根據工程及現場的實際情況,明確橋型選擇原則,同時提出7 種橋型結構,分別論述其各自的技術特點;并結合地基基礎實際情況,全面進行技術經濟比較,提出推薦的橋梁結構類型。關鍵詞:津濱輕軌; 橋梁; 結構型式; 技術經濟比選1 概述
津濱輕軌一期工程起自中山門,終點為天津經濟技術開發區第九大街,大部分線路沿津塘公路行進,線路正線全長45. 409 km 。除胡家園車輛場附近一段線路為地面線外,全線大部分為高架,正線橋梁全長39. 7 km 。全線采用無縫線路設計,除胡家園車輛場附近2 座大橋為有碴橋面,其余地段均為無碴橋面。
所經過地區地下水位埋深較淺,沿線分布了較多的粉砂、細砂、粉土,均為地震可液化層,局部地段具有地震可液化性。在沿線地勢低洼的平原區,新近沉積層、沖積層、海積層、湖積層、湖沼堆積層中,廣泛沉積有6. 0～14. 0 m 厚的軟土,該軟土物理力學性質很差。地震基本烈度為Ⅶ 度,屬高烈度地震區。沿線路網發達,所跨越的城市道路、公路及鐵路較多,地下管線密布,在橋梁設計時需充分考慮既有及規劃道路和地下管線的影響。本線所跨溝渠較少而且溝渠均不大,故基本為以橋代路的旱橋。
由于津濱輕軌工程橋梁占線下工程的比重極大, 控制總工期投資也大,所以橋梁設計對本項目顯得尤為重要。除了考慮橋梁的設計要滿足使用功能的要求外,還需要考慮無縫線路、無碴橋面對橋梁的要求,橋梁對環境的影響,施工對橋下道路的干擾,景觀要求, 施工快速方便等諸多因素。因此,橋梁結構型式的選擇至關重要。
2 橋梁結構型式選擇須遵循的原則
(1) 橋梁設計必須符合安全、適用、經濟、美觀的原則。
(2) 橋梁結構應構造簡單,力求標準化,便于施工架設和養護維修。
(3) 橋梁上部結構應盡量采用預應力混凝土結構, 結構要有足夠的強度、剛度和穩定性;作為永久性建筑物,要有良好的耐久性。
(4) 橋梁跨徑應根據城市的景觀,經濟、方便施工等因素進行優化比選, 一般區間采用經濟跨徑20 ～ 35 m 為宜,特殊地段根據實際情況確定。
(5) 由于采用無碴軌道,且沿線多為軟土地基,因此在設計中應嚴格控制橋梁徐變及基礎沉降,以滿足鋪設無縫線路、設置無碴軌道的要求。
(6) 高架橋梁設計應滿足限界、抗震、防迷流、環保、施工工藝等方面的要求。
(7) 跨越斜交道路及河流時,橋梁結構宜按正交設計。
(8) 橋梁設計要充分考慮地面或地下已有或規劃中的建筑物,盡量避免或減少對建筑物的不利影響。
(9) 高架橋梁除滿足行車功能的要求外,尚需考慮設置維修通道(兼作緊急疏散通道) 、電力及通訊等管線的支撐設備和防止列車脫軌落梁的設備。
(10) 高架橋梁梁式、墩型的選擇要遵循結構受力合理、外形美觀、梁墩配合協調、與周圍環境諧調的原則。
高架橋梁形式的選擇,考慮在滿足使用功能的前提下,力求經濟、美觀、方便施工,對常用跨度的橋梁提出以下幾種結構形式進行綜合比選。
(1) 單箱單室預應力混凝土箱梁(圖1)
圖1 單箱單室預應力混凝土箱梁截面(單位:cm)
箱梁是目前國內外廣泛采用的高架橋結構形式之一,它具有閉合薄壁截面、抗扭剛度大、整體受力性能好、外觀簡潔、適應性強等特點。箱梁截面剛度大,徐變上拱小,對于輕軌無碴軌道來說,是十分有利的。一般采用滿堂支架就地澆筑施工或滑移模架施工?？刹捎煤喼Щ蜻B續結構,連續結構克服了簡支梁接縫多的缺點,有利于改善行車條件。簡支結構對控制沉降的要求相對容易滿足,施工工藝簡單,施工周期短。(2) 單箱雙室鋼筋混凝土箱梁(圖2)
圖2 單箱雙室鋼筋混凝土箱梁截面(單位:cm)
該箱梁除本身具有箱梁的一般特點外,還具有適應性強的特點,在區間曲線段、折返線及渡線段處使用更為靈活,對于斜彎橋尤為有利。在小于20 m 的小跨度橋梁結構中,鋼筋混凝土梁有其優越性,施工工藝簡單, 梁部施工周期短,混凝土收縮徐變影響小;缺點是整體受力性能和結構的耐久性不如預應力混凝土結構。(3) 預應力混凝土雙箱單室組合箱梁(圖3)
圖3 預應力混凝土雙箱單室組合箱梁端截面(單位:cm)
高架區間采用2 片預制簡支箱梁,安裝就位后,其上現澆鋼筋混凝土橋面板,形成組合箱梁;也可在順橋向將箱梁連為整體,形成連續結構。其主要優點為箱梁在預制廠內預制,25 m 跨,梁高為1. 5 m , 單片箱梁自重約90 t , 可用架橋機或大型汽車吊吊裝,架橋速度快,對城市交通和環境影響小。整個上部結構抗扭剛度較大,整體受力性能較好; 缺點是預制箱梁較重,對吊裝和運梁設備要求高。其后期徐變上拱相對較大, 橋面整體施加預應力效果不均,預制部分偏大。架梁后,現場澆筑混凝土量較大。(4) 鋼箱混凝土結合梁(圖4)
圖4 鋼箱混凝土結合梁截面(單位:cm)
該橋梁結構簡潔、流暢,由于采用了鋼結構,減少了橋梁恒載,可使橋墩比較輕盈。該梁型的受力特點為混凝土受壓、鋼材受拉,充分發揮了各自材料的特性,增加了梁的承載能力。橋梁自重較小,變形、振動等相對較大,對抗震較為有利?；炷潦湛s徐變影響小。施工中可利用鋼梁作為模板灌筑橋面混凝土,無需設置支架,施工簡單、周期短,對跨越較為繁忙的道路尤為適用;其缺點為,相對造價較高且噪聲較大。(5) 預應力混凝土雙肋板梁(圖5)
圖5 雙肋板梁端截面(單位:cm)
采用2 片預制簡支肋,安裝就位后,其上現澆鋼筋混凝土橋面板,形成混凝土肋板梁。肋板梁屬裝配式截面,抗彎抗剪性能好,其特點是外形簡單,可在工廠或就地預制施工。橋梁上部結構由2 片肋板梁組成, 25 m 跨,梁重約90 t , 也可采用架橋機或大型汽車吊吊裝。其抗扭和減震減噪性能較箱梁略差。后期徐變上拱較大。同樣,存在預制箱梁較重、吊裝和運梁設備要求高和橋面整體施加預應力效果不均、預制部分偏大的缺點。架梁后,現場澆筑混凝土量較大。(6) 鋼管混凝土結合梁(圖6)
圖6 鋼管混凝土結合梁端截面(單位:cm)
由于采用了填充混凝土的鋼管截面,充分利用了鋼管和混凝土的材料特性,混凝土限制了鋼材的局部 壓屈,鋼管的約束增強了混凝土的抗壓能力,鋼管混凝 土結合梁具有很高的強度和延性。其構造為在支點處鋼管內填充混凝土,而在梁跨中部位則填充充氣砂漿(輕型混凝土),有效減輕梁體自重。鋼筋混凝土板和梁體在正彎矩區是作為結合構件共同受力的,混凝土收縮徐變影響小。該梁型可以減少車輛產生的噪聲和振動程度,施工工藝簡單,架設方便;其缺點是造價相對較高。(7) 小跨度鋼筋混凝土連續剛架
小跨度連續剛架是國外高速鐵路積極推廣應用的一種橋梁結構型式,在日本新干線上應用廣泛。其特點是施工簡單,全部為就地澆筑;缺點是施工要求對地基作不同的處理,造價因此而提升,景觀效果稍差,施工對環境的影響大。另外,連續梁與簡支梁比較,連續梁由于減少了梁縫個數,減小了梁的豎向撓度,提高了軌道的平順性, 能減小車輛對結構的沖擊作用。一聯梁整體受力,動力性能、行車平穩性好;連續梁還大量減少了錨具的使用,錨具的費用減少很多;減少了張拉作業面,簡化了施工;一次連續施工的梁段長,能有效加快施工進度; 減少了梁縫,景觀上也有所改善。但連續梁為超靜定結構,對地基的沉降很敏感,需對橋墩的不均勻沉降進行嚴格的控制。津濱地區以厚層的軟土、松軟土為主, 為控制沉降,要求增加的樁長較多。由于連續梁一聯梁長,固定墩承受的制動力是簡支梁的幾倍,無縫線路長鋼軌縱向力和斷軌力也成倍增加,水平力增加較多, 使得固定墩的尺寸和配設的樁基礎加大?？紤]景觀要求,固定墩的尺寸和非固定墩的尺寸進行了統一?？偟恼f來,采用連續梁要較采用簡支梁增加工程投資。根據經濟分析,在本工程上,常用跨度橋梁不同形式的連續結構較簡支結構要增加工程投資3 %～5 % 。
連續梁的聯長,受無縫線路的鋪設條件和固定墩的設計控制。為避免長鋼軌的附加應力過大,避免大量設置鋼軌伸縮調節器,連續梁的聯長需要控制。由于長鋼軌作用力和斷軌力的影響,如連續梁的聯長太長,固定墩的尺寸和樁基礎大大加大,增加工程投資, 還影響橋梁的美觀。現澆施工時,一次澆筑混凝土量太大,會給施工帶來很大的難度,施工質量不易保證。設計中,對以上各種結構進行了全面的經濟比較, 結合經濟跨度和基礎類型的選擇。
4 結論
(1) 鋼管混凝土結合梁和鋼箱混凝土結合梁,雖然 施工最為方便,施工對環境的干擾最小,但造價太高, 故只考慮在現場條件受限制時使用。如跨越鐵路、繁忙的交通干道,一般不允許進行現澆作業;采用結合梁吊裝施工或拖拉法施工,能夠最大限度地減少施工對鐵路、道路正常運營的干擾。
(2) 預應力單箱組合箱梁、雙肋板梁均是比較好的可供選擇的梁型。采用集中預制、架橋機架設施工,速度最快,能夠最大程度保證施工質量,景觀也較好,在本工程上使用造價適中。但由于本線基本沿津塘公路行進,采用預應力單箱組合箱梁和雙肋板梁,預制梁的運輸會造成津塘公路的路面損壞,也會對繁忙的公路交通造成很大的影響,故予以放棄。
(3) 預應力單箱單室箱梁和20 m 跨度的鋼筋混凝土箱梁為以上比較中最為經濟的結構型式,20 m 左右非標準跨度的鋼筋混凝土箱梁在小半徑曲線上和遇控制工點調整墩位最為靈活。采用現澆施工不需大型施工設備、不受場地的限制、對津塘公路的影響小,也能使得梁體平、立面都能做成圓順的曲線,配合梁底和橋墩的流線形,景觀效果很好。故本工程推薦預應力單箱單室箱梁為主要梁型,輔以20 m 跨度的鋼筋混凝土箱梁。為提高線路的平順性,改善行車條件,改善景觀,采用連續梁。
(4)25 m 為本工程橋梁預應力混凝土連續箱梁的經濟跨度。通過計算分析和充分的調研,綜合考慮,在本工程上采用3 25 m 的聯長較為適宜。推薦全線橋梁基本跨度為3 25 m 預應力混凝土連續梁,常用跨度橋梁基礎采用直徑0. 8 m 的鉆孔樁較為經濟。
原作者：李小江
