津滨轻轨常用跨度桥梁结构型式的选择
摘 要:津滨轻轨工程近40 km 采用高架桥梁,选定合理的桥梁结构型式至关重要。根据工程及现场的实际情况,明确桥型选择原则,同时提出7 种桥型结构,分别论述其各自的技术特点;并结合地基基础实际情况,全面进行技术经济比较,提出推荐的桥梁结构类型。关键词:津滨轻轨; 桥梁; 结构型式; 技术经济比选1 概述
津滨轻轨一期工程起自中山门,终点为天津经济技术开发区第九大街,大部分线路沿津塘公路行进,线路正线全长45. 409 km 。除胡家园车辆场附近一段线路为地面线外,全线大部分为高架,正线桥梁全长39. 7 km 。全线采用无缝线路设计,除胡家园车辆场附近2 座大桥为有碴桥面,其余地段均为无碴桥面。
所经过地区地下水位埋深较浅,沿线分布了较多的粉砂、细砂、粉土,均为地震可液化层,局部地段具有地震可液化性。在沿线地势低洼的平原区,新近沉积层、冲积层、海积层、湖积层、湖沼堆积层中,广泛沉积有6. 0～14. 0 m 厚的软土,该软土物理力学性质很差。地震基本烈度为Ⅶ 度,属高烈度地震区。沿线路网发达,所跨越的城市道路、公路及铁路较多,地下管线密布,在桥梁设计时需充分考虑既有及规划道路和地下管线的影响。本线所跨沟渠较少而且沟渠均不大,故基本为以桥代路的旱桥。
由于津滨轻轨工程桥梁占线下工程的比重极大, 控制总工期投资也大,所以桥梁设计对本项目显得尤为重要。除了考虑桥梁的设计要满足使用功能的要求外,还需要考虑无缝线路、无碴桥面对桥梁的要求,桥梁对环境的影响,施工对桥下道路的干扰,景观要求, 施工快速方便等诸多因素。因此,桥梁结构型式的选择至关重要。
2 桥梁结构型式选择须遵循的原则
(1) 桥梁设计必须符合安全、适用、经济、美观的原则。
(2) 桥梁结构应构造简单,力求标准化,便于施工架设和养护维修。
(3) 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。
(4) 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 ～ 35 m 为宜,特殊地段根据实际情况确定。
(5) 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。
(6) 高架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。
(7) 跨越斜交道路及河流时,桥梁结构宜按正交设计。
(8) 桥梁设计要充分考虑地面或地下已有或规划中的建筑物,尽量避免或减少对建筑物的不利影响。
(9) 高架桥梁除满足行车功能的要求外,尚需考虑设置维修通道(兼作紧急疏散通道) 、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。
(10) 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、与周围环境谐调的原则。
高架桥梁形式的选择,考虑在满足使用功能的前提下,力求经济、美观、方便施工,对常用跨度的桥梁提出以下几种结构形式进行综合比选。
(1) 单箱单室预应力混凝土箱梁(图1)
图1 单箱单室预应力混凝土箱梁截面(单位:cm)
箱梁是目前国内外广泛采用的高架桥结构形式之一,它具有闭合薄壁截面、抗扭刚度大、整体受力性能好、外观简洁、适应性强等特点。箱梁截面刚度大,徐变上拱小,对于轻轨无碴轨道来说,是十分有利的。一般采用满堂支架就地浇筑施工或滑移模架施工。可采用简支或连续结构,连续结构克服了简支梁接缝多的缺点,有利于改善行车条件。简支结构对控制沉降的要求相对容易满足,施工工艺简单,施工周期短。(2) 单箱双室钢筋混凝土箱梁(图2)
图2 单箱双室钢筋混凝土箱梁截面(单位:cm)
该箱梁除本身具有箱梁的一般特点外,还具有适应性强的特点,在区间曲线段、折返线及渡线段处使用更为灵活,对于斜弯桥尤为有利。在小于20 m 的小跨度桥梁结构中,钢筋混凝土梁有其优越性,施工工艺简单, 梁部施工周期短,混凝土收缩徐变影响小;缺点是整体受力性能和结构的耐久性不如预应力混凝土结构。(3) 预应力混凝土双箱单室组合箱梁(图3)
图3 预应力混凝土双箱单室组合箱梁端截面(单位:cm)
高架区间采用2 片预制简支箱梁,安装就位后,其上现浇钢筋混凝土桥面板,形成组合箱梁;也可在顺桥向将箱梁连为整体,形成连续结构。其主要优点为箱梁在预制厂内预制,25 m 跨,梁高为1. 5 m , 单片箱梁自重约90 t , 可用架桥机或大型汽车吊吊装,架桥速度快,对城市交通和环境影响小。整个上部结构抗扭刚度较大,整体受力性能较好; 缺点是预制箱梁较重,对吊装和运梁设备要求高。其后期徐变上拱相对较大, 桥面整体施加预应力效果不均,预制部分偏大。架梁后,现场浇筑混凝土量较大。(4) 钢箱混凝土结合梁(图4)
图4 钢箱混凝土结合梁截面(单位:cm)
该桥梁结构简洁、流畅,由于采用了钢结构,减少了桥梁恒载,可使桥墩比较轻盈。该梁型的受力特点为混凝土受压、钢材受拉,充分发挥了各自材料的特性,增加了梁的承载能力。桥梁自重较小,变形、振动等相对较大,对抗震较为有利。混凝土收缩徐变影响小。施工中可利用钢梁作为模板灌筑桥面混凝土,无需设置支架,施工简单、周期短,对跨越较为繁忙的道路尤为适用;其缺点为,相对造价较高且噪声较大。(5) 预应力混凝土双肋板梁(图5)
图5 双肋板梁端截面(单位:cm)
采用2 片预制简支肋,安装就位后,其上现浇钢筋混凝土桥面板,形成混凝土肋板梁。肋板梁属装配式截面,抗弯抗剪性能好,其特点是外形简单,可在工厂或就地预制施工。桥梁上部结构由2 片肋板梁组成, 25 m 跨,梁重约90 t , 也可采用架桥机或大型汽车吊吊装。其抗扭和减震减噪性能较箱梁略差。后期徐变上拱较大。同样,存在预制箱梁较重、吊装和运梁设备要求高和桥面整体施加预应力效果不均、预制部分偏大的缺点。架梁后,现场浇筑混凝土量较大。(6) 钢管混凝土结合梁(图6)
图6 钢管混凝土结合梁端截面(单位:cm)
由于采用了填充混凝土的钢管截面,充分利用了钢管和混凝土的材料特性,混凝土限制了钢材的局部 压屈,钢管的约束增强了混凝土的抗压能力,钢管混凝 土结合梁具有很高的强度和延性。其构造为在支点处钢管内填充混凝土,而在梁跨中部位则填充充气砂浆(轻型混凝土),有效减轻梁体自重。钢筋混凝土板和梁体在正弯矩区是作为结合构件共同受力的,混凝土收缩徐变影响小。该梁型可以减少车辆产生的噪声和振动程度,施工工艺简单,架设方便;其缺点是造价相对较高。(7) 小跨度钢筋混凝土连续刚架
小跨度连续刚架是国外高速铁路积极推广应用的一种桥梁结构型式,在日本新干线上应用广泛。其特点是施工简单,全部为就地浇筑;缺点是施工要求对地基作不同的处理,造价因此而提升,景观效果稍差,施工对环境的影响大。另外,连续梁与简支梁比较,连续梁由于减少了梁缝个数,减小了梁的竖向挠度,提高了轨道的平顺性, 能减小车辆对结构的冲击作用。一联梁整体受力,动力性能、行车平稳性好;连续梁还大量减少了锚具的使用,锚具的费用减少很多;减少了张拉作业面,简化了施工;一次连续施工的梁段长,能有效加快施工进度; 减少了梁缝,景观上也有所改善。但连续梁为超静定结构,对地基的沉降很敏感,需对桥墩的不均匀沉降进行严格的控制。津滨地区以厚层的软土、松软土为主, 为控制沉降,要求增加的桩长较多。由于连续梁一联梁长,固定墩承受的制动力是简支梁的几倍,无缝线路长钢轨纵向力和断轨力也成倍增加,水平力增加较多, 使得固定墩的尺寸和配设的桩基础加大。考虑景观要求,固定墩的尺寸和非固定墩的尺寸进行了统一。总的说来,采用连续梁要较采用简支梁增加工程投资。根据经济分析,在本工程上,常用跨度桥梁不同形式的连续结构较简支结构要增加工程投资3 %～5 % 。
连续梁的联长,受无缝线路的铺设条件和固定墩的设计控制。为避免长钢轨的附加应力过大,避免大量设置钢轨伸缩调节器,连续梁的联长需要控制。由于长钢轨作用力和断轨力的影响,如连续梁的联长太长,固定墩的尺寸和桩基础大大加大,增加工程投资, 还影响桥梁的美观。现浇施工时,一次浇筑混凝土量太大,会给施工带来很大的难度,施工质量不易保证。设计中,对以上各种结构进行了全面的经济比较, 结合经济跨度和基础类型的选择。
4 结论
(1) 钢管混凝土结合梁和钢箱混凝土结合梁,虽然 施工最为方便,施工对环境的干扰最小,但造价太高, 故只考虑在现场条件受限制时使用。如跨越铁路、繁忙的交通干道,一般不允许进行现浇作业;采用结合梁吊装施工或拖拉法施工,能够最大限度地减少施工对铁路、道路正常运营的干扰。
(2) 预应力单箱组合箱梁、双肋板梁均是比较好的可供选择的梁型。采用集中预制、架桥机架设施工,速度最快,能够最大程度保证施工质量,景观也较好,在本工程上使用造价适中。但由于本线基本沿津塘公路行进,采用预应力单箱组合箱梁和双肋板梁,预制梁的运输会造成津塘公路的路面损坏,也会对繁忙的公路交通造成很大的影响,故予以放弃。
(3) 预应力单箱单室箱梁和20 m 跨度的钢筋混凝土箱梁为以上比较中最为经济的结构型式,20 m 左右非标准跨度的钢筋混凝土箱梁在小半径曲线上和遇控制工点调整墩位最为灵活。采用现浇施工不需大型施工设备、不受场地的限制、对津塘公路的影响小,也能使得梁体平、立面都能做成圆顺的曲线,配合梁底和桥墩的流线形,景观效果很好。故本工程推荐预应力单箱单室箱梁为主要梁型,辅以20 m 跨度的钢筋混凝土箱梁。为提高线路的平顺性,改善行车条件,改善景观,采用连续梁。
(4)25 m 为本工程桥梁预应力混凝土连续箱梁的经济跨度。通过计算分析和充分的调研,综合考虑,在本工程上采用3 25 m 的联长较为适宜。推荐全线桥梁基本跨度为3 25 m 预应力混凝土连续梁,常用跨度桥梁基础采用直径0. 8 m 的钻孔桩较为经济。
原作者：李小江
