城市轨道交通高架工程设计研究
摘 要:对城市轨道交通高架工程进行综合性的评述,展望城市轨道交通的发展前景。关键词:城市轨道交通; 高架工程; 研究
1 概述
近年来,城市轨道交通已经在我国各大城市迅速崛起,发展势头有增无减。与其他交通工具相比,城市轨道交通具有“舒适、快捷、便利以及有利于节能和环保”等显著优势,而其中的高架桥梁工程造价一般为013 亿元/ km～014 亿元/ km , 仅为地铁工程造价的1/ 5 ～1/ 4 。高架工程与地下工程相比具有工程造价低、施工便利且周期短等优点,在跨越既有地面交叉路口时具有不可替代的作用。因此,充分利用地上和地下空间、合理使用有限的资金和土地资源,会使城市轨道交通蕴藏巨大的发展潜力和生机。
2 设计时应考虑的主要因素
(1) 应根据沿线城市道路交通规划,既有道路交通现状,地下管线和工程地质、水文地质等状况合理选择桥式、孔跨,桥梁施工方案应合理可行,并尽量减少对既有道路交通的影响。
(2) 为了尽量少占用土地,新建轨道交通工程应尽量沿既有地面道路一侧或中心走行,可选择并设计高架桥梁合理的桥式方案,跨越平面交叉路口、地面道路和建筑物等。
(3) 高架桥梁的结构设计应满足强度、刚度、稳定性和耐久性的要求,并与周围景观相协调,既要安全可靠、经济合理,又要美观新颖。
(4) 跨平面交叉路口的桥梁应根据相交道路的主次、道路横断面形式、交通流向和流量等条件,确定跨越交叉路口合理的桥式,桥梁孔跨布置应便于交叉路口的交通组织和交通管理,满足车辆转弯时行车路线和行车视距的要求,保证车辆在交叉路口安全、顺畅地行驶。
(5) 混凝土连续梁具有工程造价低、行车技术条件优越、施工方便和减振降噪效果好等优点,一般桥梁应优先采用。
(6) 轨道交通线路沿城市主干道或次干道道路中心走行时,一般在中央分隔带上布置桥墩,中央分隔带一般宽310 m 左右。根据《城市道路设计规范》(GJJ 37 90) ,安全带宽度应≥0125 m 。直线上双线桥面宽一般在815～910 m , 主干道梁下净高不小于510 m , 次干道梁下净高不小于415 m 。
(7) 施工组织设计应尽量避免梁及上部结构的施工对既有交通的通行能力产生过大干扰。
(8) 基础施工应考虑地下管线对桩基础的影响。
3 高架工程结构的设计研究
(1) 桥梁的孔跨形式
一般区间直线段桥梁宜采用单箱单室预应力混凝土连续箱梁,曲线段及桥面变宽段桥梁采用单箱双室钢筋混凝土连续箱梁。综合考虑安全、经济、美观等因素的影响,区间桥梁跨度一般采用20～30 m 。由于长钢轨作用力对桥墩设计影响较大,连续箱梁的联长一般控制在90 m 以内。区间孔跨宜等跨设置;跨平面交叉路口为提高跨越能力,桥梁孔跨可选择(25 + 30 + 25) m、(25 + 2 ×30 + 25) m、(25 + 35 + 25) m 及(25 + 2 ×35 + 25) m 等几种结构形式。
一般区间梁部结构除混凝土连续箱梁外,还可采用预应力混凝土T 梁、槽型梁及双箱单室预应力混凝土梁。单片T 形梁可以工厂预制,具有施工速度快、对既有道路交通干扰少和工程造价相对较低等优点,但其横向抗扭刚度小,外观也不如箱形梁美观,因此,城市桥梁中已经很少采用。槽型梁为下承式桥梁,具有建筑结构高度低、两侧腹板可兼作声屏障等优点,但其结构受力复杂,由于支座须放置在腹板下,桥墩帽梁长度要比箱梁桥墩帽梁大得多,桥墩结构不仅受力不利, 而且也不美观;除此之外,槽型梁施工难度大、周期长, 工程造价高,目前国内公路、铁路以及已经建成或正在建设的城市轨道交通桥梁很少采用该种形式。
混凝土箱形梁具有外形美观、抗扭刚度大以及整体性能好等优点, 且具有成熟的施工技术和经验, 所以一般区间及跨平面交叉路口的桥梁推荐采用混凝土箱梁。轨道交通线路沿城市道路中心走行时,桥式的选择不仅要满足平面交叉路口的交通要求,还要保证与其并行的道路交通顺畅,并且应有利于降低桥梁工程造价。大跨度桥梁桥墩截面尺寸较大,仅对与其相交道路上直行车辆的行驶较为有利,对与其并行道路上的车辆及转弯车辆的行驶均会产生不同程度的干扰, 桥梁工程造价也较高,因此,跨平面交叉路口的桥梁跨度不宜过大。连续梁中孔采用30 、35 m 的跨度即可一跨跨越25 m 和30 m 宽支路及次干道的十字交叉路口,道路中心可不设置桥墩;跨越30 m 宽次干道X 形交叉路口及40 m 以上宽主干道的交叉路口,道路中心设置桥墩,2 孔跨越既有道路。
(2) 下部结构形式
桥墩采用矩形独柱墩,为满足道路限界要求,桥墩横向宽度不超过215 m , 桥台采用混凝土轻型桥台。根据地质情况,基础一般采用桩基础和明挖基础;采用钻孔桩时直径选择80～100 cm 为宜。
桥墩可采用T 形独柱墩、板式墩、双柱墩等。T 形独柱墩线条简洁、明快,横向宽度小,受力性能好,应优先采用;当轨道交通中心线与地面道路中心线偏距较小时,可采用不对称T 形墩,偏距较大时应采用框架墩;当桥墩横向宽度不受限制时(路侧线位),也可选用造型新颖美观的矩形板式墩或双柱墩。
(3) 线路转向处的桥梁结构
当线路转向引起城轨交通中心线与既有道路中心线偏离,桥梁下部结构不能采用独柱墩时,采用框架墩可减小桥梁跨度,使工程造价经济合理。梁部宜采用自重较轻、跨度较小的结构形式,框架墩两柱分别设于中央带和人行道上,柱间距一般为14～18 m 。为了提高跨越能力,大柱距框架墩,横梁可采用钢箱梁或预应力混凝土结构形式。梁部结构可采用跨度为25 m 以内的钢箱连续结合梁或跨度为16 m 以内的钢筋混凝土连续板梁。钢箱连续结合梁结构自重轻、抗扭刚度大,桥型美观,可采用的桥梁跨度比混凝土板梁大,能够减小框架墩个数,但其造价及养护维修费用均较钢筋混凝土连续板梁高。
(4) 高架车站
随着高架桥梁的建设,高架车站作为一种新型的建筑形式应运而生,高架车站有两种结构体系可供选择,即“站桥合一”和“站桥分开”。
道路中心设站方案一般采用“ 站桥合一”的方式, 轨道梁设置在车站框架结构上,其结构体系受力复杂, 设计难度大,但便于车站进行行车组织和管理,方便乘客上下车。由于站厅及车站办公管理用房设在轨道梁下,需采取有效的减振降噪措施降低噪声带来的不利影响。轨道梁宜采用钢筋混凝土连续板梁,桥梁跨度一般可采用8～12 m 。小跨度桥梁梁高较小,有利于降低车站高度和节省工程投资,但小跨度桥梁对车站建筑布局不利,桥下桥墩间隔较密,景观效果稍差。
道路两侧设站方案采用“ 站桥分开”的方式,站厅及车站办公管理用房设在道路两侧,乘客通过人行通道进入站台。“站桥分开”的结构体系受力明确,站、桥互不影响,但使用功能不好,墩柱较多整体性差。轨道梁采用钢筋混凝土连续板梁,桥梁跨度为12～15 m , 下部结构桥墩采用双柱墩。
4 桥梁长钢轨纵向力计算研究
桥上无缝线路长钢轨纵向力包括挠曲力、伸缩力及断轨力。连续梁桥长钢轨纵向力与桥上无缝线路的布设、线路纵向阻力、梁轨相对位移量以及桥梁结构型式、墩台顶纵向水平刚度、支座的布置方式等有关,目前国内外还没有成熟的计算理论,应通过专题研究解决城市轨道交通高架桥上无缝线路长钢轨纵向力的计算办法。
5 无碴桥面桥梁混凝土徐变观测试验研究
预应力混凝土结构将不可避免的产生不容忽视的徐变变形,有必要安排预应力混凝土梁徐变变形的观测和试验研究项目。虽然混凝土徐变变形很难准确计算,但其发展规律是可以把握的,采用徐变的观测资料可以把握其发展规律,从而可以推算出后期的徐变量, 对桥梁预拱度的设置、确定桥梁上的承轨台浇筑时间和高程等有其重要的指导意义。
6 展望
城市轨道交通是一项新型的综合性工程,由于车辆设计荷载、设计行车速度与国铁不同,使用要求与国铁也不一样,且采用无碴轨道,因而一些设计参数如列
