无锡地铁2号线标准梁型设计研究

赵志军,彭华春,鲁 洁

( 1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063； 2.无锡市轨道交通发展有限公司,江苏无锡 214000)

1 工程概况

无锡地铁2号线工程高架段呈东西走向自西向东延伸,西起锡沪路,线路由友谊路站后在东亭医院附近出地面后转为高架,在庄桥路东面设春阳路站,继续沿锡沪东路路中向东,上跨312国道、沪宁高速公路后,在团结路东面设团结路站,沿东安路向东,跨越纺城大道后设纺织城站,继续沿东安路向东,上跨新锡路高架后设金桥路站,过吼山大道后100 m左右接桥台路基。

2 国内轨道交通桥梁结构现状

区间桥梁标准梁型的选择,应从桥梁结构类型、施工方法、技术经济及桥梁美学等因素进行优化比选确定。国内已建和在建的数十条高架轨道交通线中,一些主要城市的轨道交通桥梁结构形式见表1。

从表1可以看出,国内轨道交通桥梁的跨径通常选用30 m和25 m,桥梁截面形式多采用箱梁,少数采用槽形梁(U梁),结构体系多采用简支梁,施工方法以现浇居多。

3 截面形式

一般桥梁结构可供选择的上部结构截面形式主要有箱梁、空心板梁、T形梁、槽形梁等,这几种结构均可以满足使用上的要求,并具有各自的特点,因此结构形式的确定还须综合考虑环境、施工、经济等因素,因地制宜以求得良好的经济效益与社会效益[1-5]。

3.1 预应力混凝土箱梁方案(图1)

预应力混凝土箱梁是目前比较先进且被国内外广泛采用的桥梁结构形式之一,其建筑高度适中,截面外形简洁,线形流畅、轻巧、美观,梁体与圆柱形墩或Y形桥墩配合设计,更显得结构轻巧简捷,线条流畅。箱底截面平整,结构占用空间最小,通透性好。同时箱梁结构闭合薄壁截面整体受力性能好,抗扭刚度大,适用性强,在区间的直线、曲线段,均可采用,对于斜弯桥尤为有利。箱梁截面具有良好的动力特性,它的收缩变形数值小,材料用量小,设计与施工技术经验较成熟。施工方案可采用预制架设法、满堂支架法、移动模架法。

表1 国内主要城市轨道交通桥梁结构形式一览

图1 预应力混凝土箱梁效果图

3.2 槽形梁方案(图2)

图2 预应力混凝土槽形梁效果图

双线槽形梁(大U形梁)为混凝土下承式结构。其主要优点是结构建筑高度较低,且两侧的主梁可起到部分隔声屏障的作用,但对于双线梁,大U形梁两侧的主梁只对靠近的线路起声屏障的作用,对另一侧的线路隔声效果较差。大U形梁受力不是很合理,受拉区混凝土即行车道板圬工量大,受压区混凝土圬工量小,梁体多以受压区(上翼缘)压溃为主要特征,不能充分发挥钢筋及混凝土材料的性能。同时,由于结构为开口截面,结构整体刚度及抗扭性较差。由于车道板位于梁体下翼缘,外力直接作用在车道板上,并通过车道板传递给主梁,在纵向与竖向荷载作用下,不仅会产生双向弯曲和扭转,而且作为主梁截面的一部分,会产生拉伸式压缩,它的作用比一般上承式桥梁的车道板要不利得多。同时槽形梁需布置多向预应力筋,现场浇筑混凝土和张拉预应力筋的工作量大,施工复杂,施工进度慢,造价也相对较高。

也有采用一线一槽的形式(小U形梁),线间距及桥梁宽度均需增大,导致桥墩挑臂很长,帽梁需设计成预应力混凝土帽梁,其帽梁的施工将会对桥下交通造成影响。且U形梁的跨越能力较小,在道岔区及30 m以上跨度区实施有困难。

从以上比较可看出,槽形梁虽然梁高较小,景观较好且能部分起到声屏障的作用,但其受力不是很合理,整体刚度及抗扭性较差,适用范围有局限性；箱形梁外形优美,梁高适中,较适于郊外,若配以合适的桥墩,将会是城市中一道靓丽的风景线。因此,推荐单箱梁作为高架区间的主要上部结构形式。在高程受控及对噪声污染要求较高地段可考虑采用槽形梁。

4 结构体系

结合现有的设计及施工经验,高架桥梁在一般情况下,除超大跨径外,目前比较成熟且应用较多的受力体系就是简支体系或连续体系,2种体系的比较详见表2。

表2 简支梁与连续梁体系比较

桥梁在直线段或半径不小于400 m的曲线简支梁具有受力简单明了,箱梁本身及支座和下部结构的设计易于标准化,具有施工便捷,施工周期短,工程造价低,桥型简洁美观等优点；连续梁的截面高度较简支梁低,但考虑混凝土的徐变、基础的不均匀沉降及温度等影响,截面刚度不宜减小太多,连续梁的施工比较复杂,预应力张拉的要求高,施工速度较慢。同时,轨道交通高架桥采用无缝线路长钢轨结构,这种轨道结构会对下部结构产生温度力、挠曲力、断轨力和制动力等纵向水平力作用,简支梁与其他结构形式相比,这些纵向水平力在相邻各桥墩的分配相对简单,且比较均匀,这有利于下部结构断面的统一。基于目前的设计方法与施工经验,区间标准桥梁采用简支的结构体系,跨道路、河流等工点结合具体情况采用连续梁等特殊结构。

5 跨径

5.1 景观效应

城市轨道交通系统作为一种大运能的公共交通设施,具有快捷、安全、舒适、环保等综合优势，目前,很多城市将其作为缓解交通问题的首选方案。而人们在享受着这种新型交通设施给生活和工作带来的种种便利的同时,对于其所造成的景观影响问题也存在诸多争议。高架线路构筑物主要是以水平线条的桥梁和垂直线条的桥柱组成。其中水平方向的桥梁连续贯通,与人和车辆行走中眼睛的移动相顺应,具有运动、延伸、增长的意味,有助于视觉环境的简单化;而垂直线条的桥柱挺拔粗壮,以一定的间隔连续排列,更多的使人产生崇高、紧张、积极的感受,此外,粗壮的桥柱所特有的垂直线条与人惯常的视线移动方向不一致,会对视线起到一定的阻隔作用[6-8]。

标准跨跨径的选定要满足人的视觉效果,视线通透、无压抑感觉。桥墩的排列密度大时,桥梁对于人的侧向视线有明显的屏蔽作用。桥墩的排列密度越小,跨度越大,视线穿过桥梁底部所看到的区域越大。换句话来说,当桥梁的跨度越大时,桥梁对于人的视线遮挡的影响就越小,对于提高视线的通透程度就越有帮助。

人们在远眺高架桥时,合适的高跨比例给人以平衡、稳定、协调的美感。城市高架道路和轨道交通高架线的实践表明,这个比例总结为1∶2.4～1∶4。对于墩高10 m的桥梁,25～35 m跨是较合适的。本工程一般桥高约10～15 m,部分桥墩墩高达18 m,推荐选择35 m的跨径,较大的跨径,给人以线条流畅、视野通透、舒适协调的感觉。由于区间基本位于3层高度,墩高较高,若维持梁高不变,增大桥梁跨径,必将减少桥墩数量、更加通透,使景观效果更佳。桥下视觉效果见图3。

图3 桥下视觉效果示意

5.2 技术经济指标

结合无锡地铁2号线沿线的地质情况,对35 m跨度简支梁与30 m跨度简支梁做经济比较。

取210 m长,35 m跨简支梁可布置6孔,7个下部结构；30 m跨简支梁可布置7孔,8个下部结构。下部结构取平均墩高14.8 m计,尺寸为2.5 m×2.2 m；承台尺寸6.5 m×8.5 m×2.5 m,桩基础为4根φ1.5 m钻孔灌注桩,桩长取60 m计。详见表3。

表3 造价比较(现浇梁)

从表3可以看出,35 m跨径梁与30 m跨径梁相比,上部结构每延米贵了1 633元,但下部结构由于减少了1个桥墩,每延米便宜了3 358元,综合造价每延米节省了1 725元。

6 结语

城市轨道交通桥梁标准梁型的设计是一个综合性课题,首先结构应该合理并且经济,同时,桥梁结构作为城市的永久性建筑,应综合考虑桥梁的功能、景观等因素,并且应与当地的人文景观融为一体。本文从桥梁景观、技术经济、施工方法、截面形式、结构体系等方面分析了城市轨道交通桥梁结构标准梁型的设计,结合无锡地铁2号线的线位条件和工程地质条件,确定无锡地铁2号线采用35 m跨度的简支箱梁作为标准梁型。在国内无锡地铁2号线是第一个采用35 m跨度简支箱梁作为标准梁型的城市轨道交通线路。

目前,本项目主体工程已经施工完成,在工程造价和景观上都达到了预期的效果。

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