轨道交通高架桥的特殊荷载及变形控制

轨道交通高架桥的特殊荷载及变形控制
—上海城市轨道交通明珠线中山北路桥设计特点

冯爱军
(北京城建设计研究院)

摘要： 结合我院设计的上海城市轨道交通明珠线特殊大桥-中山北路桥（30m+55m+30m的三跨连续预应力与钢结合梁桥），介绍和分析了轨道交通高架桥的设计特点及特殊控制点。
关键词：轨道交通; 高架桥; 荷载; 变形控制; 徐变; 基础沉降

一、前言
近年来，由于城市交通的发展，轨道交通以其运量大、速度快而在国内各个城市得到推广，但地铁系统造价高，建设周期长，从而使得决策者和设计者越来越青睐高架线。沈阳、武汉、上海、大连、佛山等城市相继着手这方面的准备工作，南京、北京等城市的地铁也规划有一段高架线路，广州和上海规划的轨道交通线路中也有多条高架线。但轨道交通高架桥的结构设计在很多方面都不同于公路桥和铁路桥，如受载方式、桥梁的变形允许范围等均有它自身的特点。由于目前国内还没有轨道交通高架桥梁的设计规范，所以具体设计时还存在一些亟待解决的问题。“上海城市轨道交通明珠线一期工程”为全高架线路，全长约29kM，现土建已基本完工，笔者有幸参加了其中两座大桥--中山北路桥和苏州河桥的设计，在设计过程中遇到了很多新问题，借此总结如下，以便在今后的设计中借鉴。

二、轨道交通高架桥与公路桥和铁路桥的不同
公路桥一般为多车道，受力为面载，多设温度连续桥面。而轨道交通高架桥一般为双线桥，在折返线及渡线段有部分多线桥及单线桥，梁轨共同作用，这一点同铁路桥相同。但它处于城市地区，高架桥梁长度多达数十公里，因此对景观、环保及变形的要求均比铁路桥严格。另一方面，由于上海城市轨道交通明珠线高架桥梁上部建筑采用无渣无枕道床，轨道采用无缝线路，所以其受力远较铁路桥复杂，同时由于无渣轨道钢轨扣件的调高量有限又限制了结构的变形，根据铁道部科学研究院提供科研报告，扣件的调高量仅为40mm。即桥梁的所有变形（包括预应力梁的收缩徐变和基础的不均匀沉降等）均在此范围内。

三、轨道交通高架桥的特殊荷载及其组合
轨道交通高架桥的荷载除铁路桥规规定的一般主力和附加力外，还有因桥上铺设无缝线路所引起的纵向力。桥上铺设无缝线路因温度的变化、列车荷载的作用以及冬季钢轨折断致使梁轨之间产生相对位移，因扣件纵向阻力的作用，梁轨相对位移受到约束，因此梁轨间产生大小相等，方向相反的纵向力。如此，桥梁与钢轨组成一个相互作用、相互约束的力学平衡体系，同时引起了几个特殊力，分别为：
1.伸缩力：由温度变化时梁与钢轨有相对位移而引起的纵向作用力。其大小与温度变化幅度、扣件纵向阻力和桥梁长度有关。
2.挠曲力：列车在桥上等速运行引起梁的挠曲，从而使梁面纵向纤维缩短产生与钢轨的相对位移所引起的纵向梁轨相互作用力。其大小与列车荷载和扣件的纵向阻力有关。伸缩力和挠曲力的计算公式可简化为：

3. 断轨力：因钢轨折断而产生的纵向力。
4. 制动力：制动力一般与列车挠曲力伴生。制动力单独作用只发生在列车作用跨的前方桥跨上，此时，列车尚未驶上前方桥跨，而制动力已传至前方桥跨。
上述各力如何作用，并将力传至墩台，在现行的桥上无缝线路设计办法中依照下列原则组合：
伸缩力与挠曲力不叠加，选取较大者和制动力叠加；
如断轨时钢轨产生的断轨力大时，则按一股钢轨断轨，另一股钢轨内存在伸缩力或挠曲力计算；
?不论如何叠加，其最终作用力的量值不应超过全桥扣件总阻力。
以上这些力作用在梁轨接触面上，但对一般的桥梁上部结构影响不大，验算墩台时作用点移至支座中心处，设计时验算墩台的荷载组合（针对双线桥）可按以下几种情况考虑：
四轨伸缩力或四轨挠曲力，取最大者按主力计算；
一轨断轨力加两轨伸缩力或挠曲力取其中较大者，按主力加附加力检算，允许应力提高45%；
一线制动力，另一线的两轨伸缩力或挠曲力取其中较大者，按主力加附加力检算，允许应力提高25%；
④纵横向计算地震力，作为偶然荷载。

四、墩台纵向水平力分配
轨道交通高架桥多处于城市地区，桥墩台的设计应力求线条简洁美观，因此设计时不能完全按铁路桥规刚性桥墩的概念，而应考虑支座、桥墩及基础的组合刚度，根据刚度分配一孔或一联的纵向水平力。

五、轨道交通高架桥的变形控制
根据铁道部科学研究院关于无渣轨道的研究报告，钢轨扣件的调高量仅为40mm，即在承轨台打完之后，桥梁结构产生的后期变形不能大于40mm，这部分结构产生的变形包括预应力混凝土梁的收缩徐变变形和基础的后期沉降。那么如何减小这两方面的变形以满足轨道结构的要求是结构设计必须要考虑的问题。
（一）预应力混凝土梁的收缩徐变变形控制
所谓混凝土的收缩即混凝土在硬化过程中，以及在干湿变化和温度变化时所发生的体积变化。而混凝土的徐变是指混凝土在荷载长期作用下保持应力不变，则其塑性变形将随着荷载作用时间延长而不断增加，这种现象称为徐变。在预应力混凝土结构中，混凝土的收缩徐变将使构件缩短，引起梁的上拱。预应力混凝土梁的徐变变形对无渣轨道的影响这一问题的研究，在国内桥梁界还是个空白，因此，明珠线筹建处专门成立课题组，对此进行专项研究，笔者作为课题组成员，通过这一段时间的摸索，觉得控制收缩徐变变形应从设计和施工两方面考虑：
1.设计：
⑴.适当增加梁的刚度，减小弹性变形，从而减小了徐变变形的基数。
⑵.优化预应力钢束布置，尽量使预应力产生的偏心距与恒载作用下的弯矩平衡；
⑶.控制张拉应力，以降低梁下翼缘的应力水平；
⑷.选择适宜的桥型，如连续梁的徐变上拱度比相同跨度的简支梁小；
⑸.采用部分预应力结构，允许混凝土出现拉力，但不能开裂。
⑹.提高张拉时混凝土的龄期。
⑺.在满足混凝土强度的前提下，尽可能的减少水泥用量。
⑻.设计时详细计算各工程阶段的收缩徐变变形量，预计一个月、三个月、六个月及最后的变形量。在梁体设计预拱度时考虑徐变变形的影响。
2.施工
⑴.降低水灰比，加强对混凝土的养护，浇注时注意梁上翼缘的密实度；
⑵.梁浇筑完成之后，尽量延迟承轨台开始浇注的时间。
⑶.加强监测，将测量信息及时反馈给设计。
（二）基础变形的控制
上海地区属软土地区，桥梁基础一般采用桩基础。为控制基础沉降，群桩设计时，应考虑以下三个因素，即适当加深桩的长度；增加桩的个数；桩的持力层应尽可能选择砂土层。

六、工程实例
以中山北路桥为例，说明轨道交通高架桥的设计特点。中山北路桥桥长115m，为30m+55m+30m的三跨连续结合梁桥，两边跨为预应力混凝土箱梁，中跨跨越道路中山北路高架桥，采用钢与混凝土结合梁，施工时经体系转换为连续梁。
1.徐变控制
设计时对预应力束配置进行了优化，延长了加载龄期，经初步计算，架梁完成后各个阶段的徐变变形值如下表：

徐变变形计算结果 表1