軌道交通高架橋的特殊荷載及變形控制
—上海城市軌道交通明珠線中山北路橋設(shè)計特點

馮愛軍
(北京城建設(shè)計研究院)

摘要： 結(jié)合我院設(shè)計的上海城市軌道交通明珠線特殊大橋-中山北路橋（30m+55m+30m的三跨連續(xù)預(yù)應(yīng)力與鋼結(jié)合梁橋），介紹和分析了軌道交通高架橋的設(shè)計特點及特殊控制點。
關(guān)鍵詞：軌道交通; 高架橋; 荷載; 變形控制; 徐變; 基礎(chǔ)沉降

一、前言
近年來，由于城市交通的發(fā)展，軌道交通以其運量大、速度快而在國內(nèi)各個城市得到推廣，但地鐵系統(tǒng)造價高，建設(shè)周期長，從而使得決策者和設(shè)計者越來越青睞高架線。沈陽、武漢、上海、大連、佛山等城市相繼著手這方面的準備工作，南京、北京等城市的地鐵也規(guī)劃有一段高架線路，廣州和上海規(guī)劃的軌道交通線路中也有多條高架線。但軌道交通高架橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計在很多方面都不同于公路橋和鐵路橋，如受載方式、橋梁的變形允許范圍等均有它自身的特點。由于目前國內(nèi)還沒有軌道交通高架橋梁的設(shè)計規(guī)范，所以具體設(shè)計時還存在一些亟待解決的問題。“上海城市軌道交通明珠線一期工程”為全高架線路，全長約29kM，現(xiàn)土建已基本完工，筆者有幸參加了其中兩座大橋--中山北路橋和蘇州河橋的設(shè)計，在設(shè)計過程中遇到了很多新問題，借此總結(jié)如下，以便在今后的設(shè)計中借鑒。

二、軌道交通高架橋與公路橋和鐵路橋的不同
公路橋一般為多車道，受力為面載，多設(shè)溫度連續(xù)橋面。而軌道交通高架橋一般為雙線橋，在折返線及渡線段有部分多線橋及單線橋，梁軌共同作用，這一點同鐵路橋相同。但它處于城市地區(qū)，高架橋梁長度多達數(shù)十公里，因此對景觀、環(huán)保及變形的要求均比鐵路橋嚴格。另一方面，由于上海城市軌道交通明珠線高架橋梁上部建筑采用無渣無枕道床，軌道采用無縫線路，所以其受力遠較鐵路橋復(fù)雜，同時由于無渣軌道鋼軌扣件的調(diào)高量有限又限制了結(jié)構(gòu)的變形，根據(jù)鐵道部科學(xué)研究院提供科研報告，扣件的調(diào)高量僅為40mm。即橋梁的所有變形（包括預(yù)應(yīng)力梁的收縮徐變和基礎(chǔ)的不均勻沉降等）均在此范圍內(nèi)。

三、軌道交通高架橋的特殊荷載及其組合
軌道交通高架橋的荷載除鐵路橋規(guī)規(guī)定的一般主力和附加力外，還有因橋上鋪設(shè)無縫線路所引起的縱向力。橋上鋪設(shè)無縫線路因溫度的變化、列車荷載的作用以及冬季鋼軌折斷致使梁軌之間產(chǎn)生相對位移，因扣件縱向阻力的作用，梁軌相對位移受到約束，因此梁軌間產(chǎn)生大小相等，方向相反的縱向力。如此，橋梁與鋼軌組成一個相互作用、相互約束的力學(xué)平衡體系，同時引起了幾個特殊力，分別為：
1.伸縮力：由溫度變化時梁與鋼軌有相對位移而引起的縱向作用力。其大小與溫度變化幅度、扣件縱向阻力和橋梁長度有關(guān)。
2.撓曲力：列車在橋上等速運行引起梁的撓曲，從而使梁面縱向纖維縮短產(chǎn)生與鋼軌的相對位移所引起的縱向梁軌相互作用力。其大小與列車荷載和扣件的縱向阻力有關(guān)。伸縮力和撓曲力的計算公式可簡化為：

3. 斷軌力：因鋼軌折斷而產(chǎn)生的縱向力。
4. 制動力：制動力一般與列車撓曲力伴生。制動力單獨作用只發(fā)生在列車作用跨的前方橋跨上，此時，列車尚未駛上前方橋跨，而制動力已傳至前方橋跨。
上述各力如何作用，并將力傳至墩臺，在現(xiàn)行的橋上無縫線路設(shè)計辦法中依照下列原則組合：
伸縮力與撓曲力不疊加，選取較大者和制動力疊加；
如斷軌時鋼軌產(chǎn)生的斷軌力大時，則按一股鋼軌斷軌，另一股鋼軌內(nèi)存在伸縮力或撓曲力計算；
?不論如何疊加，其最終作用力的量值不應(yīng)超過全橋扣件總阻力。
以上這些力作用在梁軌接觸面上，但對一般的橋梁上部結(jié)構(gòu)影響不大，驗算墩臺時作用點移至支座中心處，設(shè)計時驗算墩臺的荷載組合（針對雙線橋）可按以下幾種情況考慮：
四軌伸縮力或四軌撓曲力，取最大者按主力計算；
一軌斷軌力加兩軌伸縮力或撓曲力取其中較大者，按主力加附加力檢算，允許應(yīng)力提高45%；
一線制動力，另一線的兩軌伸縮力或撓曲力取其中較大者，按主力加附加力檢算，允許應(yīng)力提高25%；
④縱橫向計算地震力，作為偶然荷載。

四、墩臺縱向水平力分配
軌道交通高架橋多處于城市地區(qū)，橋墩臺的設(shè)計應(yīng)力求線條簡潔美觀，因此設(shè)計時不能完全按鐵路橋規(guī)剛性橋墩的概念，而應(yīng)考慮支座、橋墩及基礎(chǔ)的組合剛度，根據(jù)剛度分配一孔或一聯(lián)的縱向水平力。

五、軌道交通高架橋的變形控制
根據(jù)鐵道部科學(xué)研究院關(guān)于無渣軌道的研究報告，鋼軌扣件的調(diào)高量僅為40mm，即在承軌臺打完之后，橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的后期變形不能大于40mm，這部分結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形包括預(yù)應(yīng)力混凝土梁的收縮徐變變形和基礎(chǔ)的后期沉降。那么如何減小這兩方面的變形以滿足軌道結(jié)構(gòu)的要求是結(jié)構(gòu)設(shè)計必須要考慮的問題。
（一）預(yù)應(yīng)力混凝土梁的收縮徐變變形控制
所謂混凝土的收縮即混凝土在硬化過程中，以及在干濕變化和溫度變化時所發(fā)生的體積變化。而混凝土的徐變是指混凝土在荷載長期作用下保持應(yīng)力不變，則其塑性變形將隨著荷載作用時間延長而不斷增加，這種現(xiàn)象稱為徐變。在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土的收縮徐變將使構(gòu)件縮短，引起梁的上拱。預(yù)應(yīng)力混凝土梁的徐變變形對無渣軌道的影響這一問題的研究，在國內(nèi)橋梁界還是個空白，因此，明珠線籌建處專門成立課題組，對此進行專項研究，筆者作為課題組成員，通過這一段時間的摸索，覺得控制收縮徐變變形應(yīng)從設(shè)計和施工兩方面考慮：
1.設(shè)計：
⑴.適當增加梁的剛度，減小彈性變形，從而減小了徐變變形的基數(shù)。
⑵.優(yōu)化預(yù)應(yīng)力鋼束布置，盡量使預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的偏心距與恒載作用下的彎矩平衡；
⑶.控制張拉應(yīng)力，以降低梁下翼緣的應(yīng)力水平；
⑷.選擇適宜的橋型，如連續(xù)梁的徐變上拱度比相同跨度的簡支梁?。?BR>⑸.采用部分預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，允許混凝土出現(xiàn)拉力，但不能開裂。
⑹.提高張拉時混凝土的齡期。
⑺.在滿足混凝土強度的前提下，盡可能的減少水泥用量。
⑻.設(shè)計時詳細計算各工程階段的收縮徐變變形量，預(yù)計一個月、三個月、六個月及最后的變形量。在梁體設(shè)計預(yù)拱度時考慮徐變變形的影響。
2.施工
⑴.降低水灰比，加強對混凝土的養(yǎng)護，澆注時注意梁上翼緣的密實度；
⑵.梁澆筑完成之后，盡量延遲承軌臺開始澆注的時間。
⑶.加強監(jiān)測，將測量信息及時反饋給設(shè)計。
（二）基礎(chǔ)變形的控制
上海地區(qū)屬軟土地區(qū)，橋梁基礎(chǔ)一般采用樁基礎(chǔ)。為控制基礎(chǔ)沉降，群樁設(shè)計時，應(yīng)考慮以下三個因素，即適當加深樁的長度；增加樁的個數(shù)；樁的持力層應(yīng)盡可能選擇砂土層。

六、工程實例
以中山北路橋為例，說明軌道交通高架橋的設(shè)計特點。中山北路橋橋長115m，為30m+55m+30m的三跨連續(xù)結(jié)合梁橋，兩邊跨為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，中跨跨越道路中山北路高架橋，采用鋼與混凝土結(jié)合梁，施工時經(jīng)體系轉(zhuǎn)換為連續(xù)梁。
1.徐變控制
設(shè)計時對預(yù)應(yīng)力束配置進行了優(yōu)化，延長了加載齡期，經(jīng)初步計算，架梁完成后各個階段的徐變變形值如下表：

徐變變形計算結(jié)果 表1