城市軌道交通高架橋的設(shè)計(jì)及實(shí)踐

提　要: 根據(jù)莘閔軌道交通線高架橋的設(shè)計(jì), 重點(diǎn)介紹了軌道高架橋設(shè)計(jì)的整體構(gòu)思, 和一些重要問題的處理方法, 并給出部分參考數(shù)據(jù), 對(duì)同類設(shè)計(jì)具有一定的借鑒作用。
關(guān)鍵詞: 軌道交通; 高架橋; 設(shè)計(jì)

1　前言
上海市莘閔軌道交通線是上海市閔行區(qū)南北向一條重要的公共交通干線, 是上海市軌道交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的一個(gè)組成部分, 同時(shí)也是我國(guó)在建的第一條城市輕軌交通線。工程全長(zhǎng)約17. 2km, 其中高架橋合計(jì)總長(zhǎng)約16. 7km 。高架橋主要包括區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支跨(Lp= 30 m )、區(qū)間連續(xù)梁及跨1 號(hào)線處滬杭鐵路線、橫瀝港等節(jié)點(diǎn)工程。
自2000 年7 月起, 我們承擔(dān)了連續(xù)梁和橫瀝港節(jié)點(diǎn)等的初步設(shè)計(jì)及施工圖設(shè)計(jì)工作。工程計(jì)有預(yù)應(yīng)力及鋼筋混凝土連續(xù)梁、岔線梁17 聯(lián), 其中含節(jié)點(diǎn)工程1 個(gè), 合計(jì)線路長(zhǎng)度約1. 8km, 12 月底完成了設(shè)計(jì)。該工程于2002 年初施工完成。
2　莘閔軌道交通線高架橋建設(shè)環(huán)境、工程特點(diǎn)及整體設(shè)計(jì)構(gòu)思
2. 1　莘閔軌道交通線高架橋建設(shè)環(huán)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(hào)線全部走行于地下和地面, 第二條地鐵2 號(hào)線僅有局部(約一個(gè)半?yún)^(qū)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(guó)首次在城市軌道交通線建中大規(guī)模采用高架線路, 城市軌道高架橋的設(shè)計(jì)、建造第一次在大型工程建設(shè)中得以實(shí)踐。
1998 年明珠線高架橋設(shè)計(jì)時(shí), 已針對(duì)性地作了一些專題研究, 理論上解決了一些設(shè)計(jì)、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(fā)現(xiàn)了一些問題, 如橋梁整體造型差、結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備偏大和箱梁底板出現(xiàn)沿筋縱向裂縫等。此外, 還由于時(shí)間關(guān)系, 對(duì)一些關(guān)鍵問題, 如基礎(chǔ)豎向沉降等, 也無(wú)法觀測(cè)和驗(yàn)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(duì)莘閔線有關(guān)專家評(píng)價(jià)為: 國(guó)內(nèi)初次建造, 沒有成熟的經(jīng)驗(yàn), 更無(wú)現(xiàn)成的規(guī)范。
2. 2　莘閔軌道交通線高架橋工程特點(diǎn)
與一般鐵路橋梁相比, 莘閔軌道交通線高架橋有下列特點(diǎn):
(1) 列車荷載小(軸重110 kN );運(yùn)營(yíng)最大車速V y, m ax= 60 km /h,
(2) 車速中等(最大設(shè)計(jì)車速Vm ax= 80 km /h);
(3) 線路設(shè)計(jì)坡度大(最大設(shè)計(jì)坡度im ax= 30‰);
(4) 制動(dòng)長(zhǎng)度短(要求在100 m 長(zhǎng)度內(nèi), 將車速由60 km ?h 制動(dòng)至零速);
(5) 長(zhǎng)鋼軌;
(6) 無(wú)碴承軌臺(tái)結(jié)構(gòu);
(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(shè)計(jì)構(gòu)思
根據(jù)我國(guó)、特別是上海市軌道交通線高架橋建設(shè)的現(xiàn)狀和能力, 重點(diǎn)考慮我國(guó)公路、城市道路和鐵路橋梁建設(shè)多年來(lái)積累的成熟經(jīng)驗(yàn)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(shè)的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn), 適當(dāng)兼顧高架橋的現(xiàn)澆施工方法的需要, 在莘閔軌道交通線高架橋整體設(shè)計(jì)時(shí), 在以下幾方面進(jìn)行了重點(diǎn)研究:
2. 3. 1　高架橋造型
城市軌道高架橋的選型應(yīng)考慮功能、景觀、經(jīng)濟(jì)、施工、占地和工期等幾方面的需要, 其景觀度的要求遠(yuǎn)高于鐵路和公路橋。通過(guò)對(duì)已建成的明珠線高架橋(如圖1) 的調(diào)研, 認(rèn)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(chǔ)備略顯偏大。本次根據(jù)上海位于江南的地理環(huán)境和上海市道路用地范圍窄、兩側(cè)高樓林立的特點(diǎn), 采用融合法和消去法, 使之從屬城市環(huán)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(diǎn)。

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(jiǎn)支或連續(xù)結(jié)構(gòu), 可用于直線段、曲線段、出岔段和變寬段等, 減少橋梁類型; 設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)豐富、成熟。
(2) 與明珠線保持協(xié)調(diào)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?qū)拑H8. 80m 的單箱單室箱梁, 其梁部支承點(diǎn)相距較近; 箱梁側(cè)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(guò)渡, 使得線條流暢、比例恰當(dāng)、造型優(yōu)美; 對(duì)墩高的變化適應(yīng)性極強(qiáng); 受力合理, 材料節(jié)省, 施工方便、快速。
2. 3. 2　連續(xù)梁梁部預(yù)應(yīng)力配束型式
通常, 對(duì)于跨度小于60 m、聯(lián)長(zhǎng)小于150 m 的中等跨度現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁, 為方便施工, 對(duì)預(yù)應(yīng)束的錨固采用端錨型式, 與之相應(yīng), 預(yù)應(yīng)力束多采用“長(zhǎng)配束”型式布束。但莘閔線由于高架線路長(zhǎng)達(dá)10 多km , 而梁部又只能采用現(xiàn)澆法施工, 為使大部分梁可以平行施工, 互不影響, 預(yù)應(yīng)束的錨固只得采用內(nèi)錨型式。所以, 對(duì)聯(lián)長(zhǎng)均不大于150 m , 且多為三孔一聯(lián)的莘閔線連續(xù)梁如仍沿用傳統(tǒng)的“ 長(zhǎng)配束”型式布束, 顯然是不經(jīng)濟(jì)的。為此, 對(duì)莘閔線連續(xù)梁配束式進(jìn)行了研究。
結(jié)合懸灌法施工的連續(xù)梁的“ 短配束”型式, 共提出了三種配束方案: 長(zhǎng)配束、短配束和長(zhǎng)短束。并以(27 + 40+ 27) m 連續(xù)梁, 按施工圖設(shè)計(jì)階段進(jìn)行地了同精度比較, 詳見表1:
表1　鋼束布置型式比較表

經(jīng)綜合比較結(jié)構(gòu)尺寸及受力、施工難易程度和工程投資等, 最終連續(xù)梁采用“ 長(zhǎng)短束”配束方案。
2. 3. 3　縱向力及墩頂位移的控制
對(duì)于無(wú)碴無(wú)枕的無(wú)縫線路, 由于溫度變化、梁部撓曲引起梁軌間發(fā)生相對(duì)位移和低溫時(shí)鋼軌斷裂均產(chǎn)生很大的縱向力。通過(guò)研究, 縱向力對(duì)連續(xù)梁梁部影響一般小于3% , 梁部設(shè)計(jì)時(shí)可以不計(jì); 但對(duì)于墩柱及基礎(chǔ), 受到的縱向力作用非常大, 在設(shè)計(jì)中起主導(dǎo)作用, 往往控制設(shè)計(jì); 若按單墩承全部縱向力, 則墩臺(tái)身及基礎(chǔ)都比較龐大, 工程上造成浪費(fèi), 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮墩臺(tái)的共同作用, 將縱向力按墩身剛度(含支座剛度) 進(jìn)行分配, 以使受力趨于合理, 經(jīng)濟(jì)上節(jié)約。
對(duì)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(huì)很差。本次參照秦沈高速鐵路的意見, 采用更嚴(yán)格的控制指標(biāo): 按下部結(jié)構(gòu)縱向水平線剛度控制。但由于輕軌與高速鐵路存在區(qū)別, 設(shè)計(jì)時(shí)將秦沈水平線剛度指標(biāo)進(jìn)行了適當(dāng)折減。
2. 3. 4　豎向位移控制
高架橋上的無(wú)碴無(wú)枕軌道在施工完成后, 可以調(diào)節(jié)軌道高程只有軌道扣件。為保持運(yùn)營(yíng)期間線路設(shè)計(jì)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(nèi)。莘閔線采用的W J21 型的調(diào)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(guān)系示意圖
工后豎向變位主要由預(yù)應(yīng)力梁的收縮徐變和基礎(chǔ)不均勻沉降產(chǎn)生, 參見圖3, 可按下面方法計(jì)算: 由圖3, 可得S= m ax[Sz, Sz-S”(x)+ S’(x)] (1) 預(yù)應(yīng)力梁的收縮徐變S′(x) 和基礎(chǔ)不均勻沉降S”(x) 為時(shí)間的函數(shù), 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(diào)高量的50～ 75% , 但對(duì)于? 型, 取為10 mm 。
2. 3. 5　抗震設(shè)計(jì)
目前, 我國(guó)還沒有軌道交通高架橋的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范, 而通常橋梁抗震設(shè)計(jì)中普遍采用的《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》及《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》, 又沒有或無(wú)法考慮橋上無(wú)縫線路軌道對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用。對(duì)此, 同濟(jì)大學(xué)的馬坤全等進(jìn)行了研究。在設(shè)計(jì)中采取了如下原則或措施來(lái)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。① 高架橋上軌道結(jié)構(gòu)對(duì)橋梁的縱向約束作用, 顯著減少了橋梁的縱向地震響應(yīng)及對(duì)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(yīng), 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(qiáng)度和變形控制原則。
2.2. 3. 6　基礎(chǔ)沉降控制

由于莘閔線設(shè)計(jì)時(shí), 明珠線高架橋基礎(chǔ)沉降的資料還來(lái)不及反饋, 故莘閔線仍采用明珠線高架橋基礎(chǔ)沉降控制的專題研究結(jié)論。定性上將大部分樁基礎(chǔ)置于⑦2 層上, 對(duì)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(guī)范進(jìn)行沉降檢算, 控制絕對(duì)沉降不大于30 mm, 相對(duì)沉降差不大于10～ 15 mm 。為減少沉降, 要求樁基礎(chǔ)施工完成與承軌臺(tái)開始施工的時(shí)間間隔不小于一定的時(shí)間。該時(shí)間一般取為90 d。
2. 3. 7　施工方法
根據(jù)上海市建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)、莘閔線的實(shí)際情況和上海市現(xiàn)有的施工水平、經(jīng)驗(yàn)等, 考慮到高架橋高度通常不大于8. 0m, 個(gè)別地段(如車站范圍等) 也不大于2.12. 0m, 經(jīng)過(guò)綜合比較工期、經(jīng)濟(jì)、施工難易程度和施工期間對(duì)環(huán)境、居民的影響等, 橋梁采取現(xiàn)澆法施工, 且以滿堂支架現(xiàn)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(yùn)、現(xiàn)澆。基礎(chǔ)樁基若為打入樁, 則以預(yù)制為主; 若為灌注樁或其他形式基礎(chǔ), 多為商品混凝土就地澆筑。為減少梁部結(jié)構(gòu)的收縮徐變和基礎(chǔ)的沉降以滿足無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)對(duì)橋梁豎向變形限制的要求, 要求承軌臺(tái)施工開始與梁體施工完成的時(shí)間間隔不小于一定數(shù)值, 對(duì)簡(jiǎn)支梁, 一般為90 d, 對(duì)連續(xù)梁為180 d。為保證工期, 采取多點(diǎn)、面平行施工梁部。
3　連續(xù)梁梁部設(shè)計(jì)
3. 1　設(shè)計(jì)基本資料和參數(shù)取值
3. 1. 1　基本資料
(1) 列車活載: 如圖4:
(2) 線路數(shù): 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(shè)計(jì)烈度7 度, 場(chǎng)地土類別類。

圖4　列車活載圖式
3. 1. 2　設(shè)計(jì)參數(shù)
·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(jì);
·列車活載沖擊系數(shù): 1+ Λ= 1+ 12/(38+ L ) R jy= 1 860M Pa, STM 1529 錨具。
·制動(dòng)力和牽引力: 按豎向活載的15% 計(jì), 當(dāng)與(2) 施工方法: 滿堂腳手架現(xiàn)澆法施工。離心力或和沖擊力組合時(shí), 按10% 計(jì)。(3) 計(jì)算理論: 全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。
3. 1. 3　其他資料
(1) 材料: 3. 2　梁部橫斷面、立面設(shè)計(jì)
混凝土: C50; 典型的橫斷面如圖5, 立面圖根據(jù)需要設(shè)計(jì)有三j 15. 20 高強(qiáng)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(jié)構(gòu)受力分析、計(jì)算CB 和大橋局的PRB P 等電算程序, 對(duì)個(gè)別項(xiàng)目, 采用對(duì)于結(jié)構(gòu)受力分析、計(jì)算, 按薄壁曲線箱梁理論, 手工計(jì)算和調(diào)整。采用箱梁有限元法。首先將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為計(jì)算簡(jiǎn)圖, 并劃對(duì)于具體計(jì)算過(guò)程, 可參見專著或文獻(xiàn)資料。下面分單元和節(jié)點(diǎn), 根據(jù)不同施工階段荷載、結(jié)構(gòu)和約束等給出部分計(jì)算成果: 的不同進(jìn)行計(jì)算。具體設(shè)計(jì)時(shí)國(guó)內(nèi)有很多成熟的專用
表2　連續(xù)梁結(jié)構(gòu)尺寸表

表3　連續(xù)梁應(yīng)力計(jì)算及配束表

　　X ——控制點(diǎn)至梁端的距離(m )。N 采用的預(yù)應(yīng)力根數(shù)。
3. 4　徐變、疲勞分析計(jì)算土齡期3 年時(shí), 結(jié)構(gòu)徐變拱度為11. 9mm 。另外, 也對(duì)30 m 簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力梁進(jìn)行了疲勞分析, 常用荷載下, 鋼為定量預(yù)應(yīng)力混凝土梁的徐變影響, 采用徐變量絞線的活載應(yīng)力幅為9. 2M Pa, 小于允許的疲勞強(qiáng)度較大的進(jìn)行了分析計(jì)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(yīng)力為6. 2M Pa, 小于允許的最大疲勞應(yīng)力20. 1M Pa 。由以上計(jì)算, 認(rèn)為3. 5　主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)徐變、疲勞對(duì)連續(xù)梁不控制, 可不予檢算。
表4　連續(xù)梁主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

　　指標(biāo)1: 每m2 橋面的含量。指標(biāo)2: 每m3 混凝土的含量(對(duì)普通鋼筋, 不含齒塊, 隔板、橫梁)?；炷林笜?biāo): 每m2 橋面的橋?qū)挵淳€間距+ 4. 7m 計(jì)。
3. 6　按主+ 特檢算, 允許應(yīng)力提高45% 。通過(guò)計(jì)算, 莘閔線的活載作用與汽2超20 級(jí)相當(dāng) 4. 2　墩柱結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力鋼束和普通鋼材用量上講, 一般均大于公路汽2超20 級(jí)梁; 與明珠線比較, 除普通鋼筋大于明珠線外, 其余兩項(xiàng)相當(dāng)。從結(jié)構(gòu)尺寸上講, 一般均大于公路汽2超20 級(jí)梁; 與明珠線接近。
4　墩柱及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
墩柱及基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、計(jì)算, 除荷載組合與鐵路及公路橋梁差別較大外, 計(jì)算原理、方法均無(wú)本質(zhì)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(jié)約篇幅, 以下重點(diǎn)介紹其與鐵路、公路橋設(shè)計(jì)上的不同處和主要設(shè)計(jì)成果。

圖7　墩柱構(gòu)造圖

5　結(jié)束語(yǔ)
墩柱配筋一般遠(yuǎn)大于汽2超20 級(jí)橋梁, 接近普通正在成為城市基礎(chǔ)設(shè)施的軌道交通中, 高架橋占國(guó)鐵橋梁。對(duì)于墩高小于8. 0m, 跨度30～ 40 m 高架線路長(zhǎng)度85～ 95% , 而軌道交通高架橋的設(shè)計(jì)、施工橋, 一般每延m、每m2 橋梁墩柱混凝土為1. 2m3、在我國(guó)剛剛起步, 為此, 研究橋梁結(jié)構(gòu)型式、造型、荷載0. 15m 3, 鋼筋為234 kg 、29. 3kg 。承臺(tái)混凝土含筋量的作用和施工方法、工藝等, 已成為迫切課題。