城市軌道交通高架橋的設計及實踐

1、城市軌道交通高架橋的設計及理論提要:根據莘閔軌道交通線高架橋的設計,重點介紹了軌道高架橋設計的整體構思,和一些重要問題的處理方法,并給出局部參考數(shù)據,對同類設計具有一定的借鑒作用。關鍵詞:軌道交通;高架橋;設計1前言上海市莘閔軌道交通線是上海市閔行區(qū)南北向一條重要的公共交通干線,是上海市軌道交通網絡系統(tǒng)中的一個組成局部,同時也是我國在建的第一條城市輕軌交通線。工程全長約17.2k,其中高架橋合計總長約16.7k。高架橋主要包括區(qū)間標準簡支跨(lp=30)、區(qū)間連續(xù)梁及跨1號線處滬杭鐵道路、橫瀝港等節(jié)點工程。自2000年7月起,我們承擔了連續(xù)梁和橫瀝港節(jié)點等的初步設計及施工圖設計工作。工程計有預

2、應力及鋼筋混凝土連續(xù)梁、岔線梁17聯(lián),其中含節(jié)點工程1個,合計線路長度約1.8k,12月底完成了設計。該工程于2002年初施工完成。2莘閔軌道交通線高架橋建立環(huán)境、工程特點及整體設計構思2.1莘閔軌道交通線高架橋建立環(huán)境莘閔軌道交通線是上海市在建的第四條軌道交通線,其中三條已建成或局部建成,第一條線路地鐵1號線全部走行于地下和地面,第二條地鐵2號線僅有局部(約一個半區(qū)間)為高架線路,第三條明珠線大局部為高架線路(約21.4k)。1999年開始修建的明珠線是上海乃至我國首次在城市軌道交通線建中大規(guī)模采用高架線路,城市軌道高架橋的設計、建造第一次在大型工程建立中得以理論。1998年明珠線高架橋設計

3、時,已針對性地作了一些專題研究,理論上解決了一些設計、施工上的難題,提出工程上處理措施。截止2000年,從局部施工完成的工程上看,這些方案和措施,大局部都是成功和有明顯效果的,但也發(fā)現(xiàn)了一些問題,如橋梁整體造型差、構造平安儲藏偏大和箱梁底板出現(xiàn)沿筋縱向裂縫等。此外,還由于時間關系,對一些關鍵問題,如根底豎向沉降等,也無法觀測和驗證。由于明珠線為地鐵,莘閔線為輕軌,兩者也存在一些差異。所以,對莘閔線有關專家評價為:國內初次建造,沒有成熟的經歷,更無現(xiàn)成的標準。2.2莘閔軌道交通線高架橋工程特點與一般鐵路橋梁相比,莘閔軌道交通線高架橋有以下特點:(1)列車荷載小(軸重110kn);運營最大車速vy

4、,ax=60k/h,(2)車速中等(最大設計車速vax=80k/h);(3)線路設計坡度大(最大設計坡度iax=30);(4)制動長度短(要求在100長度內,將車速由60k?h制動至零速);(5)長鋼軌;(6)無碴承軌臺構造;(7)造型美觀度要求高;(8)乘坐舒適度要求高。2.3莘閔軌道交通線高架橋整體設計構思根據我國、特別是上海市軌道交通線高架橋建立的現(xiàn)狀和才能,重點考慮我國公路、城市道路和鐵路橋梁建立多年來積累的成熟經歷和方法,充分吸收和借鑒上海市城市軌道明珠線高架橋建立的經歷、教訓,適當兼顧高架橋的現(xiàn)澆施工方法的需要,在莘閔軌道交通線高架橋整體設計時,在以下幾方面進展了重點研究:2.3.

5、1高架橋造型城市軌道高架橋的選型應考慮功能、景觀、經濟、施工、占地和工期等幾方面的需要,其景觀度的要求遠高于鐵路和公路橋。通過對已建成的明珠線高架橋(如圖1)的調研,認為其景觀度中等,主要缺乏為外形滯重,給人一種粗笨的視角效果;另外,從橋梁受力上講,橋墩平安儲藏略顯偏大。本次根據上海位于江南的地理環(huán)境和上海市道路用地范圍窄、兩側高樓林立的特點,采用交融法和消去法,使之附屬城市環(huán)境。如圖2為最后采用的造型,其具有造型柔和,色彩暗淡,弱華視角效果的特點。圖1明珠線高架橋造型圖2莘閔線高架橋造型方案梁部同明珠線一樣采用箱梁,主要考慮了兩方面的原因:(1)箱梁整體受力好,收縮徐變小;適于中跨和大跨、簡

6、支或連續(xù)構造,可用于直線段、曲線段、出岔段和變寬段等,減少橋梁類型;設計施工經歷豐富、成熟。(2)與明珠線保持協(xié)調一致。墩柱采用不同于明珠線的變形單柱墩,主要考慮莘閔線為橋寬僅8.80的單箱單室箱梁,其梁部支承點相距較近;箱梁側面與墩柱上部可采用一致斜率的直線,而墩柱上下部采用大半徑圓曲線過渡,使得線條流暢、比例恰當、造型優(yōu)美;對墩高的變化適應性極強;受力合理,材料節(jié)省,施工方便、快速。2.3.2連續(xù)梁梁部預應力配束型式通常,對于跨度小于60、聯(lián)長小于150的中等跨度現(xiàn)澆預應力混凝土連續(xù)梁,為方便施工,對預應束的錨固采用端錨型式,與之相應,預應力束多采用“長配束型式布束。但莘閔線由于高架線路長

7、達10多k,而梁部又只能采用現(xiàn)澆法施工,為使大局部梁可以平行施工,互不影響,預應束的錨固只得采用內錨型式。所以,對聯(lián)長均不大于150,且多為三孔一聯(lián)的莘閔線連續(xù)梁如仍沿用傳統(tǒng)的“長配束型式布束,顯然是不經濟的。為此,對莘閔線連續(xù)梁配束式進展了研究。結合懸灌法施工的連續(xù)梁的“短配束型式,共提出了三種配束方案:長配束、短配束和長短束。并以(27+40+27)連續(xù)梁,按施工圖設計階段進展地了同精度比較,詳見表1:表1鋼束布置型式比較表經綜合比較構造尺寸及受力、施工難易程度和工程投資等,最終連續(xù)梁采用“長短束配束方案。2.3.3縱向力及墩頂位移的控制對于無碴無枕的無縫線路,由于溫度變化、梁部撓曲引起梁

8、軌間發(fā)生相對位移和低溫時鋼軌斷裂均產生很大的縱向力。通過研究,縱向力對連續(xù)梁梁部影響一般小于3%,梁部設計時可以不計;但對于墩柱及根底,受到的縱向力作用非常大,在設計中起主導作用,往往控制設計;假設按單墩承全部縱向力,那么墩臺身及根底都比較龐大,工程上造成浪費,設計時應考慮墩臺的共同作用,將縱向力按墩身剛度(含支座剛度)進展分配,以使受力趨于合理,經濟上節(jié)約。對于墩頂位移如按一般橋梁?5l1/2()控制,旅客乘車的舒適性就會很差。本次參照秦沈高速鐵路的意見,采用更嚴格的控制指標:按下部構造縱向程度線剛度控制。但由于輕軌與高速鐵路存在區(qū)別,設計時將秦沈程度線剛度指標進展了適當折減。2.3.4豎向

9、位移控制高架橋上的無碴無枕軌道在施工完成后,可以調節(jié)軌道高程只有軌道扣件。為保持運營期間線路設計坡度、減少線路豎向變形,橋梁工后豎向變位必須控制在軌道扣件允許范圍以內。莘閔線采用的j21型的調高量為40,用于正線或輔助線;?型為10,用于岔線。圖3豎向變位關系示意圖工后豎向變位主要由預應力梁的收縮徐變和根底不均勻沉降產生,參見圖3,可按下面方法計算:由圖3,可得s=axsz,sz-s(x)+s(x)(1)預應力梁的收縮徐變s(x)和根底不均勻沉降s(x)為時間的函數(shù),豎向變位s可表示為:s=s(t)(2)橋梁豎向變位允許值s一般取為軌道扣件調高量的5075%,但對于?型,取為10。2.3.5抗

10、震設計目前,我國還沒有軌道交通高架橋的抗震設計標準,而通常橋梁抗震設計中普遍采用的?鐵路工程抗震設計標準?及?公路工程抗震設計標準?,又沒有或無法考慮橋上無縫線路軌道對橋梁構造的作用。對此,同濟大學的馬坤全等進展了研究。在設計中采取了如下原那么或措施來進展抗震設計。高架橋上軌道構造對橋梁的縱向約束作用,顯著減少了橋梁的縱向地震響應及對橋梁的抗震延性要求。板式橡膠支座可以明顯減少橋梁的地震響應,改善橋梁的抗震延性性能。墩柱縱向鋼筋的配筋率10.95%,能確保該高架橋滿足“小震不壞,中震可修,大震不倒的強度和變形控制原那么。2.2.3.6根底沉降控制由于莘閔線設計時,明珠線高架橋根底沉降的資料還來

11、不及反響,故莘閔線仍采用明珠線高架橋根底沉降控制的專題研究結論。定性上將大局部樁根底置于2層上,對于少量2缺失者,置于1層上;定量上采用鐵路、公路及上海市標準進展沉降檢算,控制絕對沉降不大于30,相對沉降差不大于1015。為減少沉降,要求樁根底施工完成與承軌臺開始施工的時間間隔不小于一定的時間。該時間一般取為90d。2.3.7施工方法根據上海市建立的經歷、莘閔線的實際情況和上海市現(xiàn)有的施工程度、經歷等,考慮到高架橋高度通常不大于8.0,個別地段(如車站范圍等)也不大于2.12.0,經過綜合比較工期、經濟、施工難易程度和施工期間對環(huán)境、居民的影響等,橋梁采取現(xiàn)澆法施工,且以滿堂支架現(xiàn)澆法為主。梁

12、部采用商品混凝土、泵送、滿堂支架澆筑;墩柱采用商品混凝土、泵送或人工倒運、現(xiàn)澆。根底樁基假設為打入樁,那么以預制為主;假設為灌注樁或其他形式根底,多為商品混凝土就地澆筑。為減少梁部構造的收縮徐變和根底的沉降以滿足無碴軌道構造對橋梁豎向變形限制的要求,要求承軌臺施工開始與梁體施工完成的時間間隔不小于一定數(shù)值,對簡支梁,一般為90d,對連續(xù)梁為180d。為保證工期,采取多點、面平行施工梁部。3連續(xù)梁梁部設計3.1設計根本資料和參數(shù)取值3.1.1根本資料(1)列車活載:如圖4:(2)線路數(shù):雙線,線間距3.3;(3)橋梁寬度:直線段8.0;(4)行車最大速度:80k/h;(5)地震力:設計烈度7度,

13、場地土類別類。圖4列車活載圖式3.1.2設計參數(shù)二期恒載:64kn/;支座不均勻沉降:考慮徐變折減后取0.51.0;溫度力:均勻升溫20、降溫-10;非均勻升溫5;列車橫向搖擺力:按豎向活載的2.5%計;列車活載沖擊系數(shù):1+=1+12/(38+l)rjy=1860pa,st1529錨具。制動力和牽引力:按豎向活載的15%計,當與(2)施工方法:滿堂腳手架現(xiàn)澆法施工。離心力或和沖擊力組合時,按10%計。(3)計算理論:全預應力構造。3.1.3其他資料(1)材料:3.2梁部橫斷面、立面設計混凝土:50;典型的橫斷面如圖5,立面圖根據需要設計有三j15.20高強度低松馳鋼絞線,如圖6:圖5橋梁典型

14、橫斷面圖圖6橋梁立面圖程序可供選擇,本次采用西南交大李喬教授等的as23.3構造受力分析、計算b和大橋局的prbp等電算程序,對個別工程,采用對于構造受力分析、計算,按薄壁曲線箱梁理論,手工計算和調整。采用箱梁有限元法。首先將構造簡化為計算簡圖,并劃對于詳細計算過程,可參見專著或文獻資料。下面分單元和節(jié)點,根據不同施工階段荷載、構造和約束等給出局部計算成果:的不同進展計算。詳細設計時國內有很多成熟的專用表2連續(xù)梁構造尺寸表表3連續(xù)梁應力計算及配束表x控制點至梁端的間隔 ()。n采用的預應力根數(shù)。3.4徐變、疲勞分析計算土齡期3年時,構造徐變拱度為11.9。另外,也對30簡支預應力梁進展了疲勞分

15、析,常用荷載下,鋼為定量預應力混凝土梁的徐變影響,采用徐變量絞線的活載應力幅為9.2pa,小于允許的疲勞強度較大的進展了分析計算,其在二期恒載施加后至混凝值52.0pa;混凝土的最大疲勞應力為6.2pa,小于允許的最大疲勞應力20.1pa。由以上計算,認為3.5主要經濟指標徐變、疲勞對連續(xù)梁不控制,可不予檢算。表4連續(xù)梁主要經濟指標指標1:每2橋面的含量。指標2:每3混凝土的含量(對普通鋼筋,不含齒塊,隔板、橫梁)?；炷林笜?每2橋面的橋寬按線間距+4.7計。3.6按主+特檢算,允許應力進步45%。通過計算,莘閔線的活載作用與汽2超20級相當4.2墩柱構造尺寸或略大。與明珠線相比,總體上講略小,詳細為活載比約為明珠線的0.84,總荷載比約為0.94,隨跨度增大該值也變大。從混凝土、預應力鋼束和普通鋼材用量上講,一般均大于公路汽2超20級梁;與明珠線比較,除普通鋼筋大于明珠線外,其余兩項相當。從構造尺寸上講,一般均大于公路汽2超20級梁;與明珠線接近。4墩柱及根底設計墩柱及根底的設計、計算,除荷載組合與鐵路及公路橋梁差異較大外,計算原理、方法均無本質差異。荷載組合的差異主要由軌道高