城市軌道交通高架工程設計研究
摘 要:對城市軌道交通高架工程進行綜合性的評述,展望城市軌道交通的發展前景。關鍵詞:城市軌道交通; 高架工程; 研究
1 概述
近年來,城市軌道交通已經在我國各大城市迅速崛起,發展勢頭有增無減。與其他交通工具相比,城市軌道交通具有“舒適、快捷、便利以及有利于節能和環保”等顯著優勢,而其中的高架橋梁工程造價一般為013 億元/ km～014 億元/ km , 僅為地鐵工程造價的1/ 5 ～1/ 4 。高架工程與地下工程相比具有工程造價低、施工便利且周期短等優點,在跨越既有地面交叉路口時具有不可替代的作用。因此,充分利用地上和地下空間、合理使用有限的資金和土地資源,會使城市軌道交通蘊藏巨大的發展潛力和生機。
2 設計時應考慮的主要因素
(1) 應根據沿線城市道路交通規劃,既有道路交通現狀,地下管線和工程地質、水文地質等狀況合理選擇橋式、孔跨,橋梁施工方案應合理可行,并盡量減少對既有道路交通的影響。
(2) 為了盡量少占用土地,新建軌道交通工程應盡量沿既有地面道路一側或中心走行,可選擇并設計高架橋梁合理的橋式方案,跨越平面交叉路口、地面道路和建筑物等。
(3) 高架橋梁的結構設計應滿足強度、剛度、穩定性和耐久性的要求,并與周圍景觀相協調,既要安全可靠、經濟合理,又要美觀新穎。
(4) 跨平面交叉路口的橋梁應根據相交道路的主次、道路橫斷面形式、交通流向和流量等條件,確定跨越交叉路口合理的橋式,橋梁孔跨布置應便于交叉路口的交通組織和交通管理,滿足車輛轉彎時行車路線和行車視距的要求,保證車輛在交叉路口安全、順暢地行駛。
(5) 混凝土連續梁具有工程造價低、行車技術條件優越、施工方便和減振降噪效果好等優點,一般橋梁應優先采用。
(6) 軌道交通線路沿城市主干道或次干道道路中心走行時,一般在中央分隔帶上布置橋墩,中央分隔帶一般寬310 m 左右。根據《城市道路設計規范》(GJJ 37 90) ,安全帶寬度應≥0125 m 。直線上雙線橋面寬一般在815～910 m , 主干道梁下凈高不小于510 m , 次干道梁下凈高不小于415 m 。
(7) 施工組織設計應盡量避免梁及上部結構的施工對既有交通的通行能力產生過大干擾。
(8) 基礎施工應考慮地下管線對樁基礎的影響。
3 高架工程結構的設計研究
(1) 橋梁的孔跨形式
一般區間直線段橋梁宜采用單箱單室預應力混凝土連續箱梁,曲線段及橋面變寬段橋梁采用單箱雙室鋼筋混凝土連續箱梁。綜合考慮安全、經濟、美觀等因素的影響,區間橋梁跨度一般采用20～30 m 。由于長鋼軌作用力對橋墩設計影響較大,連續箱梁的聯長一般控制在90 m 以內。區間孔跨宜等跨設置;跨平面交叉路口為提高跨越能力,橋梁孔跨可選擇(25 + 30 + 25) m、(25 + 2 ×30 + 25) m、(25 + 35 + 25) m 及(25 + 2 ×35 + 25) m 等幾種結構形式。
一般區間梁部結構除混凝土連續箱梁外,還可采用預應力混凝土T 梁、槽型梁及雙箱單室預應力混凝土梁。單片T 形梁可以工廠預制,具有施工速度快、對既有道路交通干擾少和工程造價相對較低等優點,但其橫向抗扭剛度小,外觀也不如箱形梁美觀,因此,城市橋梁中已經很少采用。槽型梁為下承式橋梁,具有建筑結構高度低、兩側腹板可兼作聲屏障等優點,但其結構受力復雜,由于支座須放置在腹板下,橋墩帽梁長度要比箱梁橋墩帽梁大得多,橋墩結構不僅受力不利, 而且也不美觀;除此之外,槽型梁施工難度大、周期長, 工程造價高,目前國內公路、鐵路以及已經建成或正在建設的城市軌道交通橋梁很少采用該種形式。
混凝土箱形梁具有外形美觀、抗扭剛度大以及整體性能好等優點, 且具有成熟的施工技術和經驗, 所以一般區間及跨平面交叉路口的橋梁推薦采用混凝土箱梁。軌道交通線路沿城市道路中心走行時,橋式的選擇不僅要滿足平面交叉路口的交通要求,還要保證與其并行的道路交通順暢,并且應有利于降低橋梁工程造價。大跨度橋梁橋墩截面尺寸較大,僅對與其相交道路上直行車輛的行駛較為有利,對與其并行道路上的車輛及轉彎車輛的行駛均會產生不同程度的干擾, 橋梁工程造價也較高,因此,跨平面交叉路口的橋梁跨度不宜過大。連續梁中孔采用30 、35 m 的跨度即可一跨跨越25 m 和30 m 寬支路及次干道的十字交叉路口,道路中心可不設置橋墩;跨越30 m 寬次干道X 形交叉路口及40 m 以上寬主干道的交叉路口,道路中心設置橋墩,2 孔跨越既有道路。
(2) 下部結構形式
橋墩采用矩形獨柱墩,為滿足道路限界要求,橋墩橫向寬度不超過215 m , 橋臺采用混凝土輕型橋臺。根據地質情況,基礎一般采用樁基礎和明挖基礎;采用鉆孔樁時直徑選擇80～100 cm 為宜。
橋墩可采用T 形獨柱墩、板式墩、雙柱墩等。T 形獨柱墩線條簡潔、明快,橫向寬度小,受力性能好,應優先采用;當軌道交通中心線與地面道路中心線偏距較小時,可采用不對稱T 形墩,偏距較大時應采用框架墩;當橋墩橫向寬度不受限制時(路側線位),也可選用造型新穎美觀的矩形板式墩或雙柱墩。
(3) 線路轉向處的橋梁結構
當線路轉向引起城軌交通中心線與既有道路中心線偏離,橋梁下部結構不能采用獨柱墩時,采用框架墩可減小橋梁跨度,使工程造價經濟合理。梁部宜采用自重較輕、跨度較小的結構形式,框架墩兩柱分別設于中央帶和人行道上,柱間距一般為14～18 m 。為了提高跨越能力,大柱距框架墩,橫梁可采用鋼箱梁或預應力混凝土結構形式。梁部結構可采用跨度為25 m 以內的鋼箱連續結合梁或跨度為16 m 以內的鋼筋混凝土連續板梁。鋼箱連續結合梁結構自重輕、抗扭剛度大,橋型美觀,可采用的橋梁跨度比混凝土板梁大,能夠減小框架墩個數,但其造價及養護維修費用均較鋼筋混凝土連續板梁高。
(4) 高架車站
隨著高架橋梁的建設,高架車站作為一種新型的建筑形式應運而生,高架車站有兩種結構體系可供選擇,即“站橋合一”和“站橋分開”。
道路中心設站方案一般采用“ 站橋合一”的方式, 軌道梁設置在車站框架結構上,其結構體系受力復雜, 設計難度大,但便于車站進行行車組織和管理,方便乘客上下車。由于站廳及車站辦公管理用房設在軌道梁下,需采取有效的減振降噪措施降低噪聲帶來的不利影響。軌道梁宜采用鋼筋混凝土連續板梁,橋梁跨度一般可采用8～12 m 。小跨度橋梁梁高較小,有利于降低車站高度和節省工程投資,但小跨度橋梁對車站建筑布局不利,橋下橋墩間隔較密,景觀效果稍差。
道路兩側設站方案采用“ 站橋分開”的方式,站廳及車站辦公管理用房設在道路兩側,乘客通過人行通道進入站臺。“站橋分開”的結構體系受力明確,站、橋互不影響,但使用功能不好,墩柱較多整體性差。軌道梁采用鋼筋混凝土連續板梁,橋梁跨度為12～15 m , 下部結構橋墩采用雙柱墩。
4 橋梁長鋼軌縱向力計算研究
橋上無縫線路長鋼軌縱向力包括撓曲力、伸縮力及斷軌力。連續梁橋長鋼軌縱向力與橋上無縫線路的布設、線路縱向阻力、梁軌相對位移量以及橋梁結構型式、墩臺頂縱向水平剛度、支座的布置方式等有關,目前國內外還沒有成熟的計算理論,應通過專題研究解決城市軌道交通高架橋上無縫線路長鋼軌縱向力的計算辦法。
5 無碴橋面橋梁混凝土徐變觀測試驗研究
預應力混凝土結構將不可避免的產生不容忽視的徐變變形,有必要安排預應力混凝土梁徐變變形的觀測和試驗研究項目。雖然混凝土徐變變形很難準確計算,但其發展規律是可以把握的,采用徐變的觀測資料可以把握其發展規律,從而可以推算出后期的徐變量, 對橋梁預拱度的設置、確定橋梁上的承軌臺澆筑時間和高程等有其重要的指導意義。
6 展望
城市軌道交通是一項新型的綜合性工程,由于車輛設計荷載、設計行車速度與國鐵不同,使用要求與國鐵也不一樣,且采用無碴軌道,因而一些設計參數如列
