轨道交通高架桥梁设计特点探究

2012-12-30姜艳丽

中国新技术新产品 2012年9期

姜艳丽

（中国华西工程设计建设有限公司深圳分公司，广东深圳 518029）

轨道交通高架形式造价低，是城市交通、尤其是市域线的一个重要组成部分。与公路桥梁相比，轨道交通高架桥梁在设计荷载、设计标准、设计参数和计算方法等方面都有较大差别；即使与干线铁路相比，也有许多不同之处。很长一段时间内，我国没有专门的高架桥梁设计规范，已建成的轨道交通高架桥梁主要参考《铁路桥涵设计规范》中的有关规定。2003年8月，建设部颁布修订后的《地铁设计规范》(GB 50157-2003)中，专门对高架结构制定了规范条文，这是一个很大的进步。轨道交通桥梁首次有了自己的设计标准。

1 轨道交通高架桥梁设计荷载的特点

1.1 列车荷载

轨道交通高架桥列车荷载的特点是：设计荷载按实际采用的车辆可能产生的最大轴重来考虑。也就是说，采用不同的车型、轴距与轴数，其设计荷载是不同的。干线铁路桥的设计荷载要比轨道交通高加桥的设计荷载大得多。干线铁路考虑的是客货混跑，采用的是中一活载，这是个概化荷载。它既模拟了已消失的蒸汽机车拖带货车的系列荷载，又考虑荷载的远期发展因素，因此，活载要比目前实际运营的荷载大得多。相比之下，公路制定的汽车荷载虽然也含有概化因素，但它比较接近实际运营的荷载。公路荷载由于车辆的多样性，其轴重和轴距以及行进中前后车辆的车距都具有较大的随机性。轨道交通高架桥荷载具有轮轨交通共有的特征，即轴重、轴距相对有规律地排列及其对桥梁相对有规律地作用。对于中小跨度桥梁来说，轴重、轴距有规律排列的荷载是引起桥梁产生较大竖向振动的一个重要因素。

1.2 轨道与桥梁相互作用的荷载

轨道与桥梁的相互作用荷载是轨道交通桥梁的一个特有荷载。轨道的变形对桥梁所产生的附加荷载有伸缩力、挠曲力、断轨力等。伸缩力是由于温度变化引起钢轨的位移受到桥梁的部分约束而产生的纵向力；挠曲力是在竖向荷载作用下，钢轨与桥梁挠曲时，两者之间有错动趋势而产生的纵向力；断轨力是长钢轨折断引起桥梁与钢轨的相对位移产生的纵向力。上述钢轨与桥梁之间的相互作用力均为纵向力。钢轨对桥梁的作用均通过梁的轴向力传到桥梁的墩台上，因此，桥梁墩台设计时必须考虑这种纵向力的作用。轨道对桥梁的作用力主要由长钢轨的结构而引起，以前采用多接头的短轨轨道结构时这种力的作用就相当小。关于纵向轨道力的计算，目前的研究还没有形成简易计算公式，《地铁设计规范》中建议进行专题计算。

2 城市轨道高架桥选型设计

2.1 城市轨道高架桥梁部结构形式

理论上可采用和国外已采用的梁部结构形式有槽形梁、下承式脊梁、T梁、板梁和箱梁等。

2.1.1 槽形梁。槽形梁桥建筑高度低,便于城市道路间立体交叉。它压低线路标高,节约总投资。它的两侧主梁可起到防噪屏作用，景观程度较好。它需布置多向预应力钢筋，施工复杂，制作时间长，梁片单价较高,且设计和施工经验少。30m跨度的简支双线梁，一般每平方米桥梁面积需要主要材料为：混凝土0.87m3，预应力钢筋 51kg，钢筋 25kg。

2.1.2 下承式脊梁。下承式脊梁的桥梁建筑高度以挑臂板的厚度计，因而其建筑高度低。挑臂板的厚度不受跨度改变的影响，易于线路的线形布置，建筑高度低便于压低线路标高,节约总投资。脊梁、边梁可防噪,脊梁顶可用做检修通道,其造型独特，具现代感。下承式脊梁可采用预制杆件现场拼装，但在我国尚无实践。30m跨度的简支双线梁，一般每平方米桥梁面积需要主要材料为：混凝土0.52m3，预应力钢筋 23kg，钢筋 61kg。

2.1.3 T梁。T梁建筑高度为目前高架桥梁部结构型式中最高的一种，但不便于城市道路立体交叉。它适宜预制吊装法施工。用T梁架设的城市轨道高架桥每线2片T梁，T梁受力清晰,设计、施工经验相当成熟。T梁桥梁底部呈网格状，美观性最差，特别是2片T梁间铰接，整体受力性差。

2.1.4 板梁。板梁桥梁建筑高度较低，便于压低线路标高，但梁高较低，相应刚度较小，梁部后期收缩徐变较大，不利于轨道交通线路轨道调高要求。每线采用2片或4片空心板梁，受力清晰，设计、施工经验相当成熟，可采用预制、吊装施工，但各片板梁间铰接,整体受力性差。经济跨度一般在16～20m，跨度小，景观性差。

2.1.5 箱梁。箱梁桥梁建筑高度适中，由于其抗扭性能好，适用于斜桥和曲线梁桥。它既可作为标准区段，也可用于变宽、出岔区段。箱梁桥外观线形流畅、美观，设计、施工经验成熟，通常采用现浇法施工。对长达20～30km的城市轨道桥梁，现浇法施工存在对周围环境干扰多、施工成本高和工期长等缺点。跨度为30m的简支双线梁，一般每平方米桥梁面积需要主要材料为:混凝土0.51m3；预应力钢上述几种梁型的特点和其适用性等技术指标比筋19.5kg；钢筋95kg。

2.2 抗震设计

目前，我国还没有轨道交通高架桥的抗震设计规范，而通常桥梁抗震设计中普遍采用的《铁路工程抗震设计规范》及《公路工程抗震设计规范》，又没有或无法考虑桥上无缝线路轨道对桥梁结构的作用。对此，同济大学的马坤全等进行了研究。在设计中采取了如下原则或措施来进行抗震设计。高架桥上轨道结构对桥梁的纵向约束作用，显著减少了桥梁的纵向地震响应及对桥梁的抗震延性要求；板式橡胶支座可以明显减少桥梁的地震响应，改善桥梁的抗震延性性能；墩柱纵向钢筋的配筋率Θ1≥0.95%，能确保该高架桥满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的强度和变形控制原则。

3 轨道交通高架桥梁的刚度和变形限值要求

3.1 刚度问题

桥梁刚度限值是轨道交通高架桥梁设计中的一个重要参数。刚度大小与车桥的动力特性密切相关。为保证车辆过桥时的乘坐舒适性及不引起桥梁过大的动力放大系数，轨道交通高架桥梁的刚度最小限值要求均比道路桥梁严格。《地铁设计规范》规定了轨道交通钢筋混凝土和预应力混凝土高架桥梁的竖向刚度限值。

3.2 混凝土梁的徐变上拱度问题

轨道交通高架桥梁桥面经常采用的是承轨台构造形式的明桥面，其梁部的上拱度变形直接影响着钢轨的变形，从而影响列车的走行性。尽管轨道扣件对轨面标高具有一定的调节能力，但必须对梁部上拱度有一定的限制。《地铁设计规范》规定预应力混凝土在线路铺设后，徐变上拱度不宜大于15mm。该限值应针对相应跨度范围而言。徐变变形沿梁跨方向是一个连续曲线，对小跨度梁而言，变形限值应适当小些；对较大跨度梁来说，变形限值要适当放宽。这是条文尚须明确的地方。

3.3 基础沉降问题

采用明桥面时，轨道交通桥梁对基础沉降是非常敏感的。基础沉降直接影响钢轨的变形。《地铁设计规范》对桥墩、桥台沉降提出了明确的限值要求：对于静定结构，墩台均匀沉降量不超过50mm，相邻墩台不均匀沉降不超过20mm。与徐变变形一样，沉降的计算也不易算准，设计时还必须结合经验进行判断。上海修建的高架道路、轨道交通高架线路沉降实测表明：只要持力层选择适当，相邻墩台桩基持力层选择在同一地质层面上，其差异沉降不会超过规范规定的限值。