新形势下探讨当前轨道桥梁的设计_轨道桥梁论文发表

分类：交通运输论文发表 时间：2011-08-03 08:07 关注：(1)

新形势下探讨当前轨道桥梁的设计

陈波

摘 要：轨道交通高架形式造价低，是城市交通、尤其是市域线的一个重要组成部分。本文针对城市轨道交通高架桥梁的特点，结合新颁布的设计规范，就轨道交通高架桥梁设计中的设计对策进行了探讨。

关键词：轨道；桥梁；设计

1 城市轨道交通高架桥的特点

城市轨道交通高架桥，顾名思义是建在城市里的高架桥，因此它具有市政高架桥的特点，如桥梁长度大，穿过居民区，跨过路口、管线；但与市政高架桥又不完全一样，如城市轨道交通高架桥水平力大、要求后期变形小等。此外，城市轨道交通高架桥顾名思义是轨道交通，具有铁路桥梁的特点，如要求结构刚度大、基础沉降小、维修方便、乘坐舒适，但与铁路桥梁又不完全一样，如城市轨道交通高架桥荷载较小、速度较慢、景观要求高等。

1.1 具有市政高架桥特点

城市轨道交通一般都是连接城郊人流密集区域，其高架桥具有明显的市政高架桥的特点。

（1）线路平面，一般沿市政道路两旁绿化带或沿市政道路中间绿化带，线路走向服从城市规划；线路立面，桥梁高度不高，考虑桥下净空5.0m或5.5m，墩高一般为8m左右。

（2）穿过居民区，甚至有时要穿过对噪声、振动特别敏感区及需要特别保护的名胜古迹等。

（3）桥梁长度大，工期短。和市政高架桥梁一样，城市轨道高架桥梁长度短则几公里，长则几十公里；而城市轨道交通一般都是政府工程，是迫切需要解决的公共交通问题，工期都很短，从设计到通车往往只有三四年时间。

（4）除少数情况外，城市轨道交通高架桥一般不跨越大江大河，主要跨越城市道路、市政管线，为陆地桥梁，需占用紧缺而宝贵的城市土地资源。

（5）大量坡桥、弯桥。城市轨道交通高架桥需要跨越市政道路、高架桥、立交桥，甚至要跨越铁路，因此线路起伏多，出现大量坡桥。又线路要服从城市规划和避让一些城市建筑物，故城市轨道交通高架桥有大量弯桥。但城市轨道交通高架桥坡度比市政高架桥要小，最大坡度一般不超过30%；最小半径比市政工程大，一般为250m。

（6）设计最高速度小。轨道交通设计最高速度一般为80km/h，且由于站距一般为1km多，实际平均时速只有30～40km。一般城市高架道路的设计速度也是80km/h，而铁路设计最高速度已达350km/h。

1.2具有铁路桥梁的特点

（1）活载较大。对跨度30m梁而言，双线轨道交通活载、双线中-活载、3车道汽超-20产生的内力见表1。轨道交通活载以16t轴重、6列编组为例。由表1可见，轨道荷载产生的跨中弯矩为中活载的0.361倍，3车道汽超-20的1.009倍；轨道荷载产生的梁端剪力为中-活载的0.371倍，3 车道汽超-20的1.008倍。

（2）要求后期变形非常小。由于采用无碴无缝轨道结构，要求桥梁结构的后期变形、基础后期沉降很小，预应力结构的收缩徐变引起的变形和挠度要求不大于10mm，设计时考虑离散性控制在7mm以下。

（3受力复杂。无缝轨道对桥梁结构尤其是对下部结构产生附加力，轨道对桥梁产生挠曲力、伸缩力、断轨力。此外，还要考虑车辆的脱轨荷载、接触网荷载等作用。

（4）桥面宽度不大。双线梁桥面宽一般9m左右，单线梁桥面宽一般为5m左右，梁型选择时要考虑这个特点，如外形很优美的鱼腹梁就不太适用。

2 城市轨道交通高架桥设计对策

2.1 采用合理的结构体系

桥式方案一般有简支梁、连续梁及连续刚构3种形式。

简支梁受力明确，便于工程质量控制，及预制架设，适用于桥梁长度长而工期短的情况。连续梁多采用现浇，即使采用简支变连续施工方法也需现场施工作业，工期较长，适用于墩台基础沉降易于控制、桥梁长度短，工期较长的情况。连续刚构（ 架）由于结构体系要求下部结构刚度小，而轻轨交通墩高墩柱不高，一般8m 左右甚至矮至5、6m；此外无缝线路要求桥墩刚度大，与连续刚构（ 架）要求下部结构刚度小形成了一对矛盾，参考国外资料仅用于较小跨度（ 如3×10m），适用于高架车站和道岔区，现浇施工。

简支结构对基础沉降的适应性比连续结构好，连续结构存在以下工程风险：（1）如不均匀沉降超过设计允许值，没有及时发现，将引起结构开裂，尤其是小跨度连续梁对基础不均匀沉降反应敏感；（2）轨道扣件、支座调整是不确定的，在施工和运营期都需要进行长期的观测，适时调整、观测的工作量大。连续结构严格的基础不均匀沉降控制值也在一定程度上增加基础的工程量。

简支结构对无缝线路长钢轨纵向力的适应性好。由于受钢轨允许附加应力的限制，简支结构要求的桥墩纵向水平线刚度远小于连续结构；同时，由于简支结构各墩受力较均匀，其相邻桥墩的沉降差较容易控制，且沉降差不会对结构产生附加内力，只需满足轨道变形要求即可，因此，简支梁下部工程的工程数量较连续结构要少。

此外，轨道交通是公共交通，一旦中断将影响极大，因此，一旦中断必须能快速修通，简支体系比连续体系有明显快速抢通的优势。铁道部编写的《客运专线常用跨度桥梁选型专题报告》的经济比较结果表明，在基础较差情况下简支梁相对连续结构明显经济。

综上所述，对城市轨道交通高架桥这种长桥来说，结构体系宜采用简支体系，只有在如道岔区、跨越道路需较大跨度等特殊情况下采用连续结构。按我国现行设计规范，混凝土桥梁温度跨度超过120m时，桥上无缝线路需要设置温度调节器，该装置相当于小号道岔，对行车不利，也难于养护，因此，以桥上不设或少设轨道调节器为原则，连续梁以不超过3跨，联长120m左右为宜。简支体系与连续体系比较见表2。

 

2.2 把轨道力的作用、桥梁的收缩徐变变形、基础沉降放在重要位置

轨道力的作用，以及要求桥梁后期变形很小，这是轨道交通高架桥与市政高架桥的根本区别，不仅要常规条件下的检算墩身强度、基础承载力，还要检算各种轨道力作用下的组合，检算桥墩线刚度、墩顶横纵向位移，检算基础总沉降、工后沉降、相邻墩台的不均匀沉降，因此，下部结构设计时检算工况要比市政高架桥多得多。下部结构设计往往不是受力控制，而是刚度控制。

在选择结构形式时，要始终牢记控制后期变形这个目标。因此梁体要保证一定刚度，根据研究结果简支梁静挠跨比宜在1/3000左右。

由于轨道交通高架桥要求后期变形很小，因此，基础变形也是希望越小越好，基础设计要采取减小基础沉降的措施，根据当地的地质条件选择合适的持力层和基础形式。如，广州由于基岩较浅一般地选择基岩作持力层，采用柱桩基础；上海则选用7-2或9层作持力层，只有在缺失7-2层或9层埋深太深时才选用其他土层作持力层。

2.3 采用合理的梁型

城市轨道交通梁型一般有箱梁、组合式T梁、板梁、槽形梁，各种梁型比较见表3。

组合T梁主要优点是梁体轻，便于运输吊装，铁路桥梁上大量使用，但现场需进行多片T梁桥面板及横隔板的连接。为了提高结构耐久性甚至需要横向预应力，横向预应力施工比较困难，且从桥下和侧面看景观难以满足市民日益提高的审美要求，我国城市轨道交通仅在北京八（ 王坟）通（ 州）线上使用过，跨度为25m。

空心板梁的造价经济、施工周期短，可运用工厂预制现场吊装，对设备要求不高，但其桥型时代感差，跨径小，桥下立柱林立或采用长大墩顶盖梁，结构的刚度小、整体性能差，已不能适应现代国际化大都市的景观要求。

槽形梁属下承式梁，最大优点是轨顶至梁顶结构建筑高度相对较低，且两侧的主梁可起到隔音作用，但混凝土主要位于受拉区经济性差，此外从侧面看梁体显庞大，影响视觉效果。

箱梁是闭合截面结构，其抗扭刚度大，整体受力性能好，动力稳定性好，外观简洁，适用于区间直线段、曲线段及渡线段，是国内广泛采用的高架结构形式。具体的梁型比较见表3。

 

城市轨道交通箱梁根据情况可采用双箱单室组合箱梁、两个单箱单室并置或单箱单室箱梁，各种箱梁比较见表4。单箱单室箱梁吨位大，需要专门的运梁、架梁设备，需要较大的存梁场地。两个单箱单室并置由于单个箱体顶面达5m，也需要专门的运梁、架梁设备；此外由于线间距小于隔音屏与线路中线的距离，每个箱体两侧桥面悬臂长度不等，设计时或在悬臂较长侧桥面设置断缝，或使预应力筋偏心布置，桥面设置断缝带来防水问题，预应力筋偏心布置技术不成熟。双箱单室组合箱梁克服了两个单箱单室并置、单箱单室的缺点，技术成熟可靠，运梁、架梁吨位小，但需现场浇筑部分桥面混凝土。视线路所处环境，可采用双箱单室组合箱梁或单箱单室箱梁。

 

3 轨道交通高架桥梁对环境振动的影响

轨道交通高架桥梁具有钢轮与钢轨的相互作用，因此所引起的环境振动和噪声与道路相比要大得多。轨道交通高架桥梁设计必须考虑降低振动与噪声的问题。

影响轨道交通高架系统对环境振动的主要因素有列车速度、车辆重量、桥上轨道特性、桥梁形式和基础类型等。已有的研究表明，对于桥梁来说，碎石道床的减振、减噪效果比整体道床好，但碎石道床有养护工作量大、易污染等缺点，因此采用整体道床时往往增加橡胶减振垫。从桥梁结构形式来看，目前认为箱梁引起的噪声较大，而槽形梁则具有隔音的效果，故后者应在高架轨道交通中推广应用。至于桥梁的基础形式，已有的研究表明桩基础比扩大基础的减振效果要好的多。