城市轨道交通高架型式设计探讨
冯爱军
（北京城建设计研究院有限责任公司）
摘要：城市轨道交通高架线路型式因其造价低、建设周期短而越来越受到决策者和建设者的青睐，正在建设的16条线路中，高架长度已占到约40%。本文即重点论述了高架结构型式选择的影响因素及高架结构设计应注意的问题。
关键词：轨道交通；设计；高架结构
1高架城市轨道交通建设现状
众所周知，伴随着新世纪的到来，中国的城市轨道交通建设也翻开了崭新的一页。目前中国人口过百万的三十四个城市中，有二十个超大城市和特大城市正在建设和筹建自己的轨道交通。目前在建的线路长度近400公里，这其中高架线路型式因其造价低、建设周期短而越来越受到决策者和设计者的青睐。据统计，在已建成通车的8条146.94公里的线路中，仅有一条高架线，长度占17%，而正在建设的16条线路中，高架长度已占到约40%。表1为已建项目高架线路情况统计。
城市快速轨道交通高架桥梁与一般城市高架道路桥梁不同，虽与铁路桥近似，但也有其特殊性，主要体现在以下几个方面：
①桥上铺设无缝线路无碴轨道结构，因而对结构型式的选择及上、下部结构的设计造成特别的影响；
②城市轨道交通特有的桥面系布置及接口关系；
③列车的运行最高速度为80km/h， 运行密度大，维修时间短；
④建设地点一般位于城区或近郊区，对景观要求、施工工期及环保要求较高。
目前，正在建设高架轨道交通项目的北京、上海、武汉等地，业主和设计者已充分认识到了上述特点，并积极开展了分析研究工作，为高架结构的选择和设计积累了一定的经验，正在修编的《地下铁道设计规范》也特别加入了高架结构这一章。本文重点论述了高架结构型式选择的影响因素及高架结构设计应注意的问题，供大家探讨交流。
2高架型式选择的影响因素
高架线路型式的显著特点是建设周期短、造价低，但同时也会带来景观及噪音污染的问题，因此，选择高架型式必须考虑建设地点、景观及环境影响因素。
2.1 高架型式的适用地段
在轨道交通线路设计时, 在如下地段考虑选择高架型式是比较适宜的：
1．城市繁华地区以外的城近郊区，周围建筑较少。道路宽阔，线路可选择在道路一侧或道路中间。
2．连接城市中心区与周围卫星城、开发区、机场等。
3．中等规模及以下城市，规划予留出城市轨道交通专属用地。
根据上海明珠线一期工程及泰国等城市的经验，在大城市中心区一般不建议采用高架线路。
2.2 高架型式与景观影响
高架车站、区间具有工程量小、工程投资少的特点，但同时会给城市带来景观上的不协调、噪音的污染等问题。针对高架车站、区间本身的特点，首先应从建筑布局、结构形式及环境设施上进行全面的构思，对所处地段的地形、环境特征加以巧妙的、空间尺度适宜的利用，将轨道交通设计成在景色中运行的流线，连成一幅巨大的动态的画面。处理得当，不仅会消除其对城市景观的负面影响，而且会为城市增添一道亮丽的动态风景线。
解决高架型式对景观的影响主要可从区间高架结构型式的选择、车站造型和车站体量等方面考虑，建议采取以下几方面的措施：
1)高架线路首先注意线形，应与区域特点、土地利用规划、原有道路相协调。平面线形应尽量平衡流畅。
2)道路分幅，尽量留出中央的绿化分隔带，两侧又留有不同层次绿化的行道树，给人以明快舒适之感。
3)车站设计地点，结合旧城改造或新区予留两侧的绿化地，这会改善街道景观和人们的心理感受。其次要从质感、色彩等方面考虑与环境的协调，以求获得美观的视觉效果。另外，车站建筑也应体现文化内涵及历史传统建筑化的基本元素。
4)高架结构形式的选择必须借鉴桥梁美学的概念，充分考虑合理的高跨比、梁体外部线形及桥墩造型。
5)高架车站的体量也是景观设计应注意的问题。高架车站应简洁通透，尽量缩小车站体量，减少站务用房。
2.3 高架型式与环境影响
高架轨道交通工程的建设和运营不可避免地对沿线周围环境产生影响；其主要影响因素有噪音影响、振动影响及施工环境影响。
2.3.1噪声影响
在建设施工和运营期间均会产生噪音影响。
施工期间噪声环境影响，主要来源是拆除建筑物作业、道路破碎作业、钻孔灌注桩作业、挖掘、运土等工种。因此，大型挖土机、空压机、钻孔机、重型车辆、风镐、振动棒、电锯、混凝土搅拌机、大型吊机等是各个阶段噪声。
运营噪声为列车在地面及高架线行驶时向线路两侧辐射的噪声，主要有车辆噪声和车辆运行时激发桥梁结构振动而产生的“二次噪声”；车辆噪声包括动力系统噪声和轮轨系统噪声。轮轨噪声包括平直轨道上的滚动噪声、钢轨接缝处的撞击噪声以及弯道和制动时的尖叫声，这些噪音声源是由于轮轨互相作用激发车轮和钢轨的振动而产生的，它的产生主要与线路型式、桥梁结构、车辆类型、列车长度、行车密度及感应点距地面高度等因素相关。
2.3.2振动影响
振动和噪声是不可分的，振动的强度也就是噪声的强度。施工期间产生振动的主要因素有：大型挖土、重型运输、道路破坏及回填夯实等。
运营期间的振动主要是由列车运行时的动力振动而引起结构的振动及列车通过桥墩、基础传至地面的振动。结构自身的振动应用结构动力学由设计解决，传至地面的振动会对相邻建筑产生影响。
2.3.3工程环境影响对策
减振降噪主要有三种途径，其一，振动噪声源减振降噪，主要通过降低轮轨冲击力和摩擦以及减振系统实现。主要措施有控制最小曲线半径、轨下设置橡胶减振垫、梁下设置橡胶支座等。其二，在噪声的传播途径中通过吸收和阻隔等方式降噪，最常用的方式是桥上设置声屏障。其三就是在需要降噪的具体位置设置隔音吸音设施，如隔音窗，隔音外墙等。减振降噪措施：
1)尽量避免过小的曲线半径。在设计过程中合理的进行纵平面布置，确保线路的平顺。这一措施同时还能降低轮轨的磨耗，提高列车通过曲线时的安全度和舒适度。同时线路的选择应距周围建筑物一定距离。
2)桥上采用无缝线路。
3)根据不同路段的减振降噪要求采用不同类型的弹性扣件和道床形式，在达到减振降噪要求的同时尽量作到经济合理。如北京城市铁路采用的隔而固钢弹簧浮置板道床，可有效地减振和消除固体声。减振效果为：噪声传递损失可达40-60dB。
4)列车在高架线路运行时产生的结构噪声与高架结构主梁的型式、墩台基础结构及支座布置情况有很大的关系。设计中考虑在人口密集区采用槽形梁可有效降低列车运行时的噪声影响。基础采用桩基础，以减小震动向远距离的传播。支座采用抗振动性能好的板式支座。
5)施工过程中，施工单位应制订环保措施规程及实施细则，并成立工作小组，经常检查落实条例执行情况。合理制订施工工艺流程，优化施工工序，缩短施工工期。做好施工期的交通疏解工作，防止交通拥挤阻塞。
6)桥梁结构在外侧设置声屏障进行降噪处理。
7)在沿途建筑物上增加隔声窗。
8)结合改建后的道路横断面设置绿化带，可以有效地降低地面噪声。
3 高架结构设计应注意的问题
3.1 特殊荷载
轨道交通高架桥因桥上铺设无缝线路，引起了一些特殊力。桥上铺设无缝线路因温度变化、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。它们分别是：伸缩力、挠曲力、断轨力，制动力与铁路桥也不同。
3.2 变形控制
由于城市轨道交通高架桥采用无渣无枕轨道结构，钢轨扣件调高量仅为40mm，即桥梁的后期变形不能大于40mm.桥梁设计时必须考虑变形控制。主要的变形包括予应力混凝土梁的徐变变形和基础的后期沉降。从1997年开始，笔者有幸参加了国内第一条高架城市轨道交通线路-上海明珠一期工程的设计及该工程对桥梁的徐变控制和基础沉降的研究课题，课题从设计、施工监测、到运营阶段对桥梁的徐变和沉降进行了深入研究，课题历时4年多。正在建设的北京城市铁路，也对桥梁的徐变进行了测试，工程实践表明，在设计和施工过程中采取一些适当措施，其变形是可以得到有效控制的。
控制徐变变形的措施：
1．设计时适当增加梁的刚度，减少弹性变形，从而减少徐变变形基数；
2．优化予应力钢束布置，控制张拉应力。
3．提高张拉时混凝土的龄期。
4．梁体设计预拱度时考虑徐变变形的影响。
5．施工加强对混凝土的养护，减低水灰比。
6．梁浇注完成后，要做好施工组织，尽量延迟承轨台开始浇注的时间。
7．加强监测，将测量信息及时反馈给设计。
基础变形控制
1．尽量采用桩基础；
2．增加桩长；
3．增加桩数；
4．选择持力层。
3.3 桥梁结构形式的选择
长距离的高架桥结构形式的选择应遵循安全、经济、美观、便于施工，满足桥下道路交通及环保要求，因此，高架桥区间标准段桥式选择的成功与否，是高架线路建设能否成功的关键因素之一。
3.3.1合理跨径：从景观、经济和施工技术等各方面综合考虑确定。区间标准梁的合理跨度以25m-30 m为宜。
3.3.2结构体系：城市中小跨度桥多采用简支梁体系或连续梁体系。简支梁结构简单,受力明确，容易做到设计标准化、制造工厂化、施工机械化，安装架设方便， 施工速度较快。连续梁桥为超静定体系，其优点是结构刚度大，变形小，动力性能好，有利于改善行车条件，减小列车运行产生的噪音和振动。优先推荐简支梁体系。
3.3.3梁型
根据几条线的建设经验，区间标准梁的结构型式重点应考虑预应力混凝土箱梁、预应力混凝土槽形梁和预应力混凝土T形梁。
箱梁能适应各类条件，是目前国内广泛采用的高架结构形式之一，它具有闭合薄壁截面，抗扭刚度大，整体受力性能好、动力稳定性好。箱梁外观简洁、适应性强，在区间直线段、曲线段、折返线及渡线段等处均可采用，对于斜弯桥尤为有利。
Ｔ形梁属肋梁式结构的一种，其抗弯性能好。由于主梁为工厂或现场预制，故质量较高。桥梁上部结构由四片Ｔ梁相互联结而成，吊装重量轻，施工方便，且构件容易修复或更换。
槽形梁为下承式梁，与上承式梁相比，其最大优点是结构高度相对较低，且两侧的主梁可起到隔音作用。
表2列出了各种型式梁特性的综合比较。
3.4 施工方式选择
对于标准区间桥梁，其施工方法主要有整孔预制方案、节段拼装和现浇三种方式。从表1可以看出，在目前国内建成和在建的线路中，桥梁施工方法多采用现浇，这是由于当时国内桥梁运输和吊装设备的限制及标段划分较小的原因造成的。但是，世界上桥梁技术发展迅速，桥梁的结构也在多样化，特别是由于桥梁架设施工技术的发展，促使各类桥梁的架设质量与进度不断提高。由于高速铁路桥梁和轻轨交通高架桥梁发展的需要，也使架桥设备与技术日新月异。修建城市轻轨高架桥，应采用预制简支梁吊运架设法，利用现代桥梁施工设备与技术，以流水作业方式进行建设施工。这种方法已在意大利、法国、南韩、墨西哥等国家被证明是保证桥梁外观质量、缩短工期、降低总成本、减少施工对社会的负效应的最佳方式。
预制施工方案的特点：
1)在现场预制箱梁，通过运输机械将箱梁运到桥位，再利用架桥机械将箱梁安装就位。
2)对施工现场周边的城市环境影响较小。由于采用预制、吊装的施工方法，在桥墩及基础施工完成后即可对施工沿线现场进行清理，并在线上完成桥梁架设，可有效减小拆迁量，减少施工场地占用面积和时间以及对城市交通的影响。
3)桥梁上部结构为工厂化生产，施工工艺简单易行，技术成熟，桥梁的内部质量及外观都能得到保障，可有效避免全线现浇作业中桥梁质量参差不一，外观相差较大的现象。
4)整孔预制、运输、架设方案单工作面施工速度远远快于其他施工方案。如采取恰当运梁方式，更有利于减少施工对城市环境及城市交通的影响。
5)预制施工的发展-阶段拼装法：分段箱梁的运输、安装方便，采用跨越式架桥桁机，对交通和社区的干扰最小。此外桥梁跨度较大并可灵活调整。
3.5 车站结构型式及减振措施
从结构形式上高架车站主要分三类：站桥分离式，桥从车站穿过，与车站的构件不发生任何关系；站、桥结合式，即行车道处设行车道梁，该梁简支在车站框架横梁上，支承点采取减振措施；站、桥合一式，即车站部分框架结构作为行车道，列车直接在框架梁板上行走。这三种结构形式有如下的优缺点：
高架车站结构型式比较表 表3
3.6 使用环境对结构设计的特殊要求
城市轨道交通高架桥作为重要的生命线工程，其使用寿命为100年，因此设计时应满足耐久性要求。高架车站，因站台雨棚多设计为半开敞式，因此设计时应按露天结构进行设计。
4 需进一步研究的课题
虽然城市轨道交通高架桥的建设已有一些经验，但仍需解决以下问题：
1)桥梁结构耐久性及100年设计基准期的设计参数选择。
2)施工方法研究，如整孔预制运架技术、阶段拼装技术、先张预应力技术等。
3)车站型式及规模优化。
4)减振降噪技术。
5 结语
综上所述，城市轨道交通高架型式的设计有其自身的特点，它涉及了线路、桥梁、轨道、建筑景观、建筑结构、环境保护、施工等多个领域，是一个综合的设计系统。作者在这里只是抛砖引玉，希望中国的高架城市轨道交通系统建设不断完善、持续创新。
参考文献
[1] 冯爱军,“轨道交通高架桥的特殊荷载及变形控制”，第二届全国城市桥梁青年科技学术会议，1999.12。
[2] “北京地铁5号线投标文件”，北京城建设计研究院。2002.4
