津滨轻轨高架桥总体设计
摘 要:全面介绍津滨轻轨工程高架桥的设计情况,常规梁跨采用3 25 m 预应力混凝土连续箱梁,节点桥除30～40 m 主跨连续梁外尚有异形箱梁、框架墩桥、50 m 简支结合梁及中跨连续刚构桥等;同时对津滨轻轨高架桥桥型选定、快速施工、徐变及软基沉降控制、框架墩、结合梁、刚构桥的设计难点进行了重点研究介绍和总结。关键词:城市轻轨; 快速轨道交通; 高架桥; 建设条件; 技术标准; 设计原则1. 1 津滨轻轨项目总概况一线路位于天津市区及滨海新区城区。
由于本线是快天津市区至滨海新区快速轨道交通工程(简称津速轨道交通线,车流密度大,车速快,为保证安全,设计滨轻轨) 是天津市城市总体规划布局的重要组成部分。为全封闭。在两端城区及中间沿疏港公路地段由于沿该工程起于天津市区中心广场,终到经济技术开发区线道路、工厂、村庄密集,为减少分隔作用,给将来发展第八大街,线路全长约52. 5 km , 设胡家园车辆段和新创造条件,该部分线路均采用高架形式。中间一部分立镇停车场两个车辆基地,在终点处设置控制中心1 线路在跨过京山铁路线至胡家园地段,线路紧靠京山座。该线设计时速为100 km , 是兼有城区间快速线路线,是尚未进行开发的地段。为降低工程投资,该部分性质的城市轨道交通工程。该工程的建设对天津市可线路采用地面形式,共有3 段,总长为4. 3 km , 终点1. 1 持续发展和实现21 世纪战略具有十分重要的意义。km 长线路由于没有立交要求,亦采用地面线路。该项目一期工程由市区中山门至经济技术开发区津滨轻轨一期工程线路平面示意图见图1 。
图1 津滨轻轨一期工程线路平面示意
1. 2 桥梁工程概况津滨轻轨一期工程高架线路为40 km , 考虑停车为无碴轨道,2 号、3 号桥为有碴轨道。桥上线路有场、车辆段及联络线高架并扣除高架车站范围,桥梁总双线、单线、多线及桥上出岔和桥上设置单渡线、交长度为39. 7 km , 占线路总长的87 % 。全线共设置4 叉渡线、钢轨伸缩调节器等。沿线桥上主要线路情座高架桥,其分布及长度详见图1 。
沿线桥梁结构类型主要有以下几种:
(1) 全线普遍采用的常规梁跨为单、双线3 25 m 预应力混凝土连续箱梁和3 20 m 钢筋混凝土连续箱梁;
(2) 跨越主要道路等采用30 、35 、40 m 主跨预应力混凝土连续箱梁;
(3) 在桥上出岔、变线间距、多线桥处采用钢筋混凝土连续整孔异形箱梁;
(4) 在小角度跨越道路、重要管线时,采用各种形式框架墩、倒L 形墩及简支或连续的钢混结合梁;
(5) 跨越铁路及重要道路采用50 m 跨简支钢混结合梁,共3 处;
(6) 跨越重要公路采用了主跨分别为56. 8 m 和62 m 的2 座4 跨连续刚构桥。
2 建设条件
2. 1 地形地貌
津滨轻轨经过地区处于海河冲积平原与滨海相衔接处,按大的地貌单元可分为冲积平原和滨海平原。地形平坦,地势低平,沟渠纵横,绝对高程一般为0～ 3. 5 m 。沿线河流属海河水系,沿途跨越河流主要有月牙河、西减河、煤河、袁家河、黑潴河等,沿线人工开挖的沟渠纵横交错。上述河渠均受人工调控,大都只有河槽,无滩地,河床平顺。
2. 2 工程地质
沿线地层较简单,第四系地层广泛发育,厚度巨大。地层分布从上到下依次为人工堆积层、新近沉积层、上部陆相层、第一海相层、中上部陆相层、上部及中上部地层广泛沉积有十几米厚的软土,各土层物理力学性质、固结度较差,强度较低。沿线地下水位埋深较浅,一般为地表下0～3 m 。
2. 3 地震
根据《津滨轻轨工程场地地震安全性评价报告》, 工程场地类别为Ⅲ 类,对应50 年超越概率10 % 的地震烈度,即基本烈度为Ⅶ 度。沿线地层软土较厚,但大部分地段软土震陷问题较小,仅终点约10 km 线路存在较明显的软土震陷。沿线虽分布了较多的粉砂、细砂、粉土地层,但工程场地地震液化问题不明显。
3 主要技术标准
(1) 线路类别 轻轨;
(2) 正线数目 双线;
(3) 最小曲线半径 区间正线: 一般600 m , 困难条件400 m ; 车场线及辅助线:150 m ;
(4) 最大坡度 区间正线30 ‰,辅助线40 ‰;
(5) 轨距 1 435 mm , 采用60 kg/m 钢轨、无缝线路、无碴轨道(地面线路部分为有碴轨道);
(6) 电动车组 选用B 型4 轴电动车组, 轴重≤14 t ;
(7) 编组 初期、近期列车编组为4 辆,远期列车编组为6 辆;
(8) 牵引种类 电力;
(9) 线网电压 DC1 500 V 、架空接触网供电;
(10) 设计最高行车速度 100 km/h ;
(11) 地震烈度 按Ⅶ 度设计。
4 桥梁设计总体指导原则
(1) 桥梁设计必须符合安全、适用、经济、美观的原则,并尽可能采用成熟、先进技术。
(2) 全线桥梁设计要力求统一风格、统一设计、统一材料。
(3) 由于全线常规标准跨占桥梁工程投资的95 % 以上,因此要充分做好常规梁跨的设计比选和优化工作。
(4) 高架桥梁梁式、墩型的选择要遵循结构受力合理、外形美观、梁墩配合协调、与周围环境和谐的原则。
(5) 桥梁结构应构造简单、力求标准化、系列化、并尽量减少结构类型,便于设计、施工和养护维修。
(6) 桥梁上部结构应尽量采用预应力混凝土结构, 结构要有足够的强度、刚度和稳定性,作为永久性建筑物,要有良好的耐久性。
(7) 桥梁跨径应根据城市的景观、经济、方便施工等因素进行优化比选,一般区间采用经济跨径20～30 m 为宜,特殊地段根据实际情况确定。
(8) 高架桥梁设计要研究确定合理的桥面结构布置形式,满足各相关专业要求。
(9) 由于采用无碴轨道,且沿线多为软土地基,因此在设计中应严格控制桥梁徐变及基础沉降,以满足铺设无缝线路、设置无碴轨道的要求。
(10) 梁部结构设计应有足够的刚度和自振频率,要尽可能减少梁部结构振动或共鸣等产生的噪声污染。
(11) 高架桥梁除满足行车功能的要求外,尚需考虑人员紧急疏散、电力及通讯等管线的支撑设备和防止列车脱轨落梁的设备。
(12) 桥梁设计应满足限界、抗震、防迷流、环保、施工工艺等方面的要求。
(13) 跨越河流、沟渠时,应尽量减少河中桥墩数量,且宜采用圆柱墩、圆端型墩以减少阻水面积。
(14) 跨越铁路、公路或城市道路时,桥下净空需满足有关技术标准要求并征得相关部门同意,设计方案应尽可能减小对现有公路、铁路交通的影响。
(15) 桥梁设计要充分考虑地面或地下已有或规划建筑物,尽量避免或减少对建筑物的不利影响。
(16) 桥梁结构设计应结合桥跨结构、轨道结构类型、支座布置等综合考虑梁轨相互作用力的影响,并根据受力特点进行合理的荷载组合。
(17) 为提高线路运营条件,减少道岔及温度伸缩调节器的养护维修工作量,桥梁孔跨布置时要尽可能避免梁缝设在道岔区和温度伸缩调节器前后。
(18) 为满足桥上线间距变化及设置单开道岔或交叉渡线等的需要,要选取合理的梁部结构及孔跨布置形式。
5 重点研究解决的技术方案和问题
(1) 一般跨度桥梁合理型式的选定
由于一般梁跨是该桥的主体,因此选定经济、美观、合理的梁跨结构型式是至关重要的。梁部结构设计中分别对预应力混凝土箱梁、钢筋混凝土箱梁、预应力混凝土组合箱梁、预应力混凝土双肋板梁、钢管混凝土结合梁、钢混凝土结合梁、小跨度钢筋混凝土连续刚架、槽形梁、简支梁与连续梁等进行了分析,结合预制架设、现场满布支架现浇、滑移模架施工、节段预制拼装等不同施工方案进行了综合比选,根据现场条件、工程建设进度计划及前期建设准备情况最终选定采用现浇整孔连续箱梁。其经济跨度为25 m , 跨度小于25 m 时采用钢筋混凝土连续箱梁,25～40 m 跨度选用预应力混凝土连续箱梁。根据不同桥宽、曲线半径等组合,40 m 以下跨度梁种类全线达100 余种。
(2) 适用于长桥优质快速施工的桥梁结构设计
本项目高架桥长40 km , 工程量巨大,而建设工期包含征地、拆迁等各项建设准备工作要求不到2 年,因此工程量大而周期短的矛盾较为突出。为解决这一主要矛盾,设计中研究解决了预应力混凝土梁同时施工时预应力束的张拉问题,并在设计中运用了A 、B 型两种梁端设计及根据现场施工需要的互换原则。为加快梁部支架的周转,缩短施工周期,在A 型梁端设置了硫磺砂浆临时支座。对于钢筋混凝土连续梁,为加速施工,根据试验段施工反馈意见对箱梁腹板厚度及钢筋布置进行了优化设计后全线推广采用。
(3) 桥梁徐变及软基沉降的控制
根据本线技术特点,无碴轨道桥梁工后总变形量要求不得大于2 cm , 在总变形量中包括桥梁徐变变形和基础沉降两部分。在设计中研究分析了变形产生的原因,结合国内其他类似项目的研究成果采取了多种设计措施,包括确保梁部有足够的竖向刚度、适宜的预应力度、合适的预应力束布置以及合理的桩基选型和桩基布置方式,在桩基设计中保证桩尖置于稳固的第二持力层即埋深30～35 m 以下的第Ⅳ 陆相层之中。
(4) 墩台设计中减小桥上无缝线路长钢轨作用力作用的对策
桥上无缝线路梁轨相互作用机理比较复杂,设计繁琐,在桥梁孔跨布置、桥梁结构选择时考虑尽可能减小长钢轨作用力对下部结构设计的影响,在一般桥跨设计中分析归纳了不同梁跨、不同支座布置、无缝线路固定区及伸缩区不同位置对下部结构设计的影响,根据其影响大小进行墩台结构的设计。
(5) 小角度跨越铁路、公路时合理桥梁结构选型
受场地条件控制,在跨越部分铁路、公路时,平面交叉条件较差,一是夹角较小,二是线路位于小半径曲线上,根据所需跨度基本分为50～62 m 跨和大于100 m 跨两类。对于两跨京山铁路,为了确保铁路运输安全,最大限度降低对运营的影响,桥梁结构均选用1 50 m 跨简支钢混结合梁,采用吊装或拖拉法施工。对于跨越塘沽区河北路,由于其位于无缝线路伸缩区,为克服长联连续梁在伸缩区较大的梁轨相互作用,亦选用1 50 m 简支钢混结合梁设计。对于两处跨越疏港公路,其跨度要求分别为(42 + 62 + 62 + 42)m 和(36 + 56. 8 + 56. 8 + 36)m。对于这样的4 孔连续梁,其梁轨相互作用力是很大的,路中分隔带上桥墩尺寸将满足不了道路断面要求,而选用连续刚构桥则较好地解决了这一矛盾。对于所需跨度大于100 m 的工点,设计中对斜拉桥、拱桥、大跨连续梁、一般小跨梁结合框架墩等方案进行了论证分析,最终研究确定了经济、实用的小跨梁配框架墩方案。
(6) 框架式桥墩设计
全线运用了较多的框架式桥墩,根据框架墩的跨度大小分为钢筋混凝土、预应力混凝土、钢横梁混凝土立柱组合框架墩3 种类型。设计中重点研究解决了墩与横梁的刚度匹配、墩梁固接处的局部应力分析及加强措施、结构中合理的普通钢筋和预应力筋的布置及混凝土立柱与钢横梁的最佳连接方式等问题。
(7) 钢混结合梁设计
本项目中共设计了3 类钢混结合梁,分别为25 m 跨连续钢混结合梁、22 m 跨简支钢混结合梁和50 m 跨简支钢混结合梁。设计中重点研究解决了结构型式及材质的选型、剪力传剪器的选型与设计、连续梁负弯矩区裂缝控制、混凝土收缩、徐变对组合截面的内力影响和施工阶段的稳定性分析等。
原作者：孙衍福,李小江
