軌道交通高架橋的特殊荷載及變形控制

軌道交通高架橋的特殊荷載及變形控制
—上海城市軌道交通明珠線中山北路橋設計特點

馮愛軍
(北京城建設計研究院)

摘要： 結合我院設計的上海城市軌道交通明珠線特殊大橋-中山北路橋（30m+55m+30m的三跨連續預應力與鋼結合梁橋），介紹和分析了軌道交通高架橋的設計特點及特殊控制點。
關鍵詞：軌道交通; 高架橋; 荷載; 變形控制; 徐變; 基礎沉降

一、前言
近年來，由于城市交通的發展，軌道交通以其運量大、速度快而在國內各個城市得到推廣，但地鐵系統造價高，建設周期長，從而使得決策者和設計者越來越青睞高架線。沈陽、武漢、上海、大連、佛山等城市相繼著手這方面的準備工作，南京、北京等城市的地鐵也規劃有一段高架線路，廣州和上海規劃的軌道交通線路中也有多條高架線。但軌道交通高架橋的結構設計在很多方面都不同于公路橋和鐵路橋，如受載方式、橋梁的變形允許范圍等均有它自身的特點。由于目前國內還沒有軌道交通高架橋梁的設計規范，所以具體設計時還存在一些亟待解決的問題。“上海城市軌道交通明珠線一期工程”為全高架線路，全長約29kM，現土建已基本完工，筆者有幸參加了其中兩座大橋--中山北路橋和蘇州河橋的設計，在設計過程中遇到了很多新問題，借此總結如下，以便在今后的設計中借鑒。

二、軌道交通高架橋與公路橋和鐵路橋的不同
公路橋一般為多車道，受力為面載，多設溫度連續橋面。而軌道交通高架橋一般為雙線橋，在折返線及渡線段有部分多線橋及單線橋，梁軌共同作用，這一點同鐵路橋相同。但它處于城市地區，高架橋梁長度多達數十公里，因此對景觀、環保及變形的要求均比鐵路橋嚴格。另一方面，由于上海城市軌道交通明珠線高架橋梁上部建筑采用無渣無枕道床，軌道采用無縫線路，所以其受力遠較鐵路橋復雜，同時由于無渣軌道鋼軌扣件的調高量有限又限制了結構的變形，根據鐵道部科學研究院提供科研報告，扣件的調高量僅為40mm。即橋梁的所有變形（包括預應力梁的收縮徐變和基礎的不均勻沉降等）均在此范圍內。

三、軌道交通高架橋的特殊荷載及其組合
軌道交通高架橋的荷載除鐵路橋規規定的一般主力和附加力外，還有因橋上鋪設無縫線路所引起的縱向力。橋上鋪設無縫線路因溫度的變化、列車荷載的作用以及冬季鋼軌折斷致使梁軌之間產生相對位移，因扣件縱向阻力的作用，梁軌相對位移受到約束，因此梁軌間產生大小相等，方向相反的縱向力。如此，橋梁與鋼軌組成一個相互作用、相互約束的力學平衡體系，同時引起了幾個特殊力，分別為：
1.伸縮力：由溫度變化時梁與鋼軌有相對位移而引起的縱向作用力。其大小與溫度變化幅度、扣件縱向阻力和橋梁長度有關。
2.撓曲力：列車在橋上等速運行引起梁的撓曲，從而使梁面縱向纖維縮短產生與鋼軌的相對位移所引起的縱向梁軌相互作用力。其大小與列車荷載和扣件的縱向阻力有關。伸縮力和撓曲力的計算公式可簡化為：

3. 斷軌力：因鋼軌折斷而產生的縱向力。
4. 制動力：制動力一般與列車撓曲力伴生。制動力單獨作用只發生在列車作用跨的前方橋跨上，此時，列車尚未駛上前方橋跨，而制動力已傳至前方橋跨。
上述各力如何作用，并將力傳至墩臺，在現行的橋上無縫線路設計辦法中依照下列原則組合：
伸縮力與撓曲力不疊加，選取較大者和制動力疊加；
如斷軌時鋼軌產生的斷軌力大時，則按一股鋼軌斷軌，另一股鋼軌內存在伸縮力或撓曲力計算；
?不論如何疊加，其最終作用力的量值不應超過全橋扣件總阻力。
以上這些力作用在梁軌接觸面上，但對一般的橋梁上部結構影響不大，驗算墩臺時作用點移至支座中心處，設計時驗算墩臺的荷載組合（針對雙線橋）可按以下幾種情況考慮：
四軌伸縮力或四軌撓曲力，取最大者按主力計算；
一軌斷軌力加兩軌伸縮力或撓曲力取其中較大者，按主力加附加力檢算，允許應力提高45%；
一線制動力，另一線的兩軌伸縮力或撓曲力取其中較大者，按主力加附加力檢算，允許應力提高25%；
④縱橫向計算地震力，作為偶然荷載。

四、墩臺縱向水平力分配
軌道交通高架橋多處于城市地區，橋墩臺的設計應力求線條簡潔美觀，因此設計時不能完全按鐵路橋規剛性橋墩的概念，而應考慮支座、橋墩及基礎的組合剛度，根據剛度分配一孔或一聯的縱向水平力。

五、軌道交通高架橋的變形控制
根據鐵道部科學研究院關于無渣軌道的研究報告，鋼軌扣件的調高量僅為40mm，即在承軌臺打完之后，橋梁結構產生的后期變形不能大于40mm，這部分結構產生的變形包括預應力混凝土梁的收縮徐變變形和基礎的后期沉降。那么如何減小這兩方面的變形以滿足軌道結構的要求是結構設計必須要考慮的問題。
（一）預應力混凝土梁的收縮徐變變形控制
所謂混凝土的收縮即混凝土在硬化過程中，以及在干濕變化和溫度變化時所發生的體積變化。而混凝土的徐變是指混凝土在荷載長期作用下保持應力不變，則其塑性變形將隨著荷載作用時間延長而不斷增加，這種現象稱為徐變。在預應力混凝土結構中，混凝土的收縮徐變將使構件縮短，引起梁的上拱。預應力混凝土梁的徐變變形對無渣軌道的影響這一問題的研究，在國內橋梁界還是個空白，因此，明珠線籌建處專門成立課題組，對此進行專項研究，筆者作為課題組成員，通過這一段時間的摸索，覺得控制收縮徐變變形應從設計和施工兩方面考慮：
1.設計：
⑴.適當增加梁的剛度，減小彈性變形，從而減小了徐變變形的基數。
⑵.優化預應力鋼束布置，盡量使預應力產生的偏心距與恒載作用下的彎矩平衡；
⑶.控制張拉應力，以降低梁下翼緣的應力水平；
⑷.選擇適宜的橋型，如連續梁的徐變上拱度比相同跨度的簡支梁小；
⑸.采用部分預應力結構，允許混凝土出現拉力，但不能開裂。
⑹.提高張拉時混凝土的齡期。
⑺.在滿足混凝土強度的前提下，盡可能的減少水泥用量。
⑻.設計時詳細計算各工程階段的收縮徐變變形量，預計一個月、三個月、六個月及最后的變形量。在梁體設計預拱度時考慮徐變變形的影響。
2.施工
⑴.降低水灰比，加強對混凝土的養護，澆注時注意梁上翼緣的密實度；
⑵.梁澆筑完成之后，盡量延遲承軌臺開始澆注的時間。
⑶.加強監測，將測量信息及時反饋給設計。
（二）基礎變形的控制
上海地區屬軟土地區，橋梁基礎一般采用樁基礎。為控制基礎沉降，群樁設計時，應考慮以下三個因素，即適當加深樁的長度；增加樁的個數；樁的持力層應盡可能選擇砂土層。

六、工程實例
以中山北路橋為例，說明軌道交通高架橋的設計特點。中山北路橋橋長115m，為30m+55m+30m的三跨連續結合梁橋，兩邊跨為預應力混凝土箱梁，中跨跨越道路中山北路高架橋，采用鋼與混凝土結合梁，施工時經體系轉換為連續梁。
1.徐變控制
設計時對預應力束配置進行了優化，延長了加載齡期，經初步計算，架梁完成后各個階段的徐變變形值如下表：

徐變變形計算結果 表1