槽形梁结构在轨道交通中的应用与发展

张 吉,陆元春,吴定俊

(1.同济大学桥梁工程系, 上海 200092； 2.上海市城市建设设计研究院, 上海 200125)

1 槽形梁结构发展背景

1.1 特点

相对于传统形式的高架桥梁,槽形梁应用于轨道交通具有以下优点：建筑高度低；结构轻巧、美观；腹板作为隔音屏；内侧易于布置各类通讯、电力等设备；防止列车脱轨；可灵活选用多种施工方案；车站结构可以直接使用高架桥段的主梁设计；由于列车在槽内通行,减小了横向迎风面。

槽形梁利用底板支承轨道及列车,降低轨道高程,可在满足桥下净空的前提下使桥梁及车站的高度降低1.5～2 m(图1)。采用相同坡度会减少引桥长度,既节约空间又减低造价。列车行驶高度降低,同等抗震要求下降低线路和站台下部结构的工程量。槽形梁的建筑高度(从轨底到梁底的高度)主要取决于道床板的横向跨度,与梁的纵向跨度无关,因此当纵向跨度越大时,建筑高度的降低越显著。

图1 降低视觉遮挡和轨道高度

1.2 分类

槽形梁可分为传统的槽形断面以及后来出现的U形断面。传统槽形梁应用中发现,直腹板与底板相交处受较大负弯矩而易开裂,采用斜腹板可改善受力却导致上口太宽。U形梁则可同时改善上述两项弊端,其底板与腹板交角较大且光滑过度收拢。单线常采用具有流线型轮廓的U形梁,其车辆荷载和底板跨度约为双线的一半,降低底板厚度的同时取消底板横向预应力钢束,使结构更加轻巧。双线线路中心线与桥梁结构中心线有一定偏移,单线行驶时由偏载引起的扭矩不利于其受力；单线梁则二者重合,减少了偏载引起的扭矩。

1.3 应用状况

预应力混凝土槽形梁最早于1952年应用于跨度为48.6 m的铁路桥梁——罗什尔汉桥[1]。斜拉桥上的应用纪录始于净跨2×54.87 m的拉英跨线铁路桥[2]。

槽形梁在轨道交通桥梁中应用广泛：巴黎的13号线在塞纳河上采用了跨度为85 m、腹板为矩形、双层底板的预应力槽形梁；智利的圣地亚哥地铁4、5号线高架段均为槽形梁；荷兰鹿特丹[3]的地铁延伸高架桥中也应用了槽形梁；2002年完工的印度新德里的地铁3号线中,长达21 km的高架段采用槽形梁。

1990年瑞士建成里兹跨隆河公路桥,采用变高度槽形梁结构,跨度达到143 m[4]。澳大利亚于2003年建成总长为430 m的索雷尔大桥[5]。

我国槽形梁的研究始于20世纪70年代末期。20世纪80年代初期,在怀柔跨京丰公路和通县跨京承线相继建造了1孔跨度为20 m 双线槽形梁桥和2孔跨度为24 m的单线槽形梁桥。如今,槽形梁在上海地铁8号线、南京地铁2号线、重庆地铁1号线、广州地铁2号线、台北内湖的木栅线延伸段等工程中均得到应用。

2 设计参数

2.1 国外

2.1.1 迪拜地铁轻轨高架段

迪拜地铁轻轨高架段主梁采用预制节段后张预应力混凝土槽形梁。其断面如图2所示,梁高2.04 m,直线段宽10.18 m,曲线段宽10.5 m；由边缘到中心,底板厚度由24 cm渐变到32 cm；上翼缘宽1.7 m,厚0.2～0.4 m。该桥采用架桥机拼装、整孔架设,标准跨径有28、32、36 m三种。标准段、车站跨段、44 m跨采用不同级别的混凝土,分别为50、60、70 MPa。4 m的标准节段重60 t,单片36 m跨径的梁重540 t[6-8]。

图2 典型主梁断面——迪拜地铁(单位:mm)

该桥大部分桥墩为圆柱形钢筋混凝土独柱墩配以悬臂墩帽,顶部设置2个支座。一些特殊位置的桥墩采用门式墩。在桥面板内设置纵向预应力束,预应力束采用12φ15.2 mm的钢绞线,单端张拉。由于主梁采用槽形截面,在受力时具有受扭性能较差、桥面板弯矩受纵梁扭转刚度影响较大、纵梁腹板下端承受垂直方向吊拉力影响较大等特点。

2.1.2 澳大利亚新索雷尔大桥

为替代因氯盐侵蚀而严重破损的旧桥,2003年在原位处建成了总长为460 m的新索雷尔大桥(new Sorell Causeway Bridge),使澳大利亚成为继美国、法国以后第三个建造节段预制槽形梁公路桥的国家。该桥由18段跨径为25.5 m的简支梁组成,各跨间无高差、无纵曲线。

图3为新索雷尔大桥的典型主梁截面,横桥向总宽度为15.005 m。桥面包含2条交通线路(各3.5 m)、1条引水总管路、1条非机动车与行人公用道(2.51 m),两侧路肩宽度均为1 m。截面面积为5.45 m2,弯曲刚度为4.1×107kN·m2。

图3 典型主梁断面——新索雷尔大桥(单位:cm)

主梁采用低水灰比高性能混凝土,拌有高剂量硅粉以降低收缩效应,减少表面氯离子侵入。桥面板混凝土添加钙硝酸盐腐蚀抑制剂,并有选择地在特殊位置使用不锈钢。

采用节段预制拼装。每个标准节段长2.55 m,质量为46 t,施工时先由翼缘外侧的临时钢梁支撑、钢梁将力传递到桥墩上。桥墩采用双柱式矩形柱。该桥设计车速为80 km/h,平均每天通过700辆质量为50 t的卡车,设计车辆活载根据M1600布载。设计年限为100年。

2.2 国内

2.2.1 上海市轨道交通6号线

上海市轨道交通6号线高架段主梁断面如图 4所示。结构按全预应力混凝土构件进行设计,在施工过程中一次落架,无体系转换。桥墩采用双柱式矩形柱,顶部设联系梁,两柱顶分别直接设支座。采用后张法对槽形梁施加纵横向双向预应力[9]。二期恒载考虑为89.6 kN/m；设计车速为80 km/h；地铁车辆采用轨道交通C型车,4辆编组,重车时轴重140 kN,空车时按70 kN[10]；冲击系数取1.24,同时需要对线路通过的重型设备运输车辆荷载进行验算。查阅相关资料可知,桥跨结构跨中腹板竖向挠度(考虑列车冲击效应)理论计算值为f=5.37 mm,实测最大值为f=5.01 mm,动挠跨比1/5 768[11]。

为满足构造和强度的要求在底板下方设置横梁。后续研究表明,该横梁对减噪有明显的效果。

图4 典型主梁断面——上海市轨道交通6号线(单位:cm)

2.2.2 上海市轨道交通8号线

上海市轨道交通8号线南延伸段高架段主梁断面如图 5所示。该槽形梁最大特色是将腹板设计成弧面,厚度仅为24 cm,腹板与道床板相交处也作了平滑过渡处理,采用预制架设法施工。标准梁段跨度为30 m(梁段长29.94 m),计算跨度为28.8 m。梁体采用C55混凝土,单片梁质量155 t。

桥墩为T形墩,墩帽上双线,每线下2排支座,共4排。采用后张法施加预应力,预应力钢筋为高强钢绞线。二期恒载考虑为27.85 kN/m；设计车速为80 km/h；抗震设防烈度为7度,基本地震加速度为0.10g。实测桥跨结构跨中道床板中心竖向最大挠度f=7.91 mm。梁跨结构腹板竖向挠度最大值为f=7.59 mm,动挠跨比1/3 794。桥梁结构竖向基频为3.2 Hz,横向基频为2.2 Hz。应力动力系数为1.08,位移动力系数为1.01。

图5 典型主梁截面——上海市轨道交通8号线(单位:mm)

2.2.3 上海市轨道交通16号线

图6 典型主梁断面——上海市轨道交通16号线(单位:mm)

上海市轨道交通16号线高架段主要采用预制简支槽形梁,均为法国SYSTRA公司设计,是国内首次采用大吨位预应力先张法预制的轻型薄壁结构槽形梁，主梁截面如图 6所示。采用整孔预制,梁上运梁,整体吊装的方法施工。标准预制梁跨径分为25,30,35 m 3种,以30 m为主,采用C55混凝土,其各自的单片梁质量分别为143,172.5,204.7 t。下部结构为独柱隐形盖梁式桥墩。列车采用舒适型A型车,定员204人/列,最高运营速度为120 km/h[12]。

2.2.4 南京市轨道交通2号线

南京市轨道交通2号线东延高架线主要有3段线路采用槽形梁截面,均采用单线小U形结构,每跨下设4个支座。梁体基本外形尺寸如图7所示,两侧腹板采用一侧为圆弧、一侧为直线折斜腹式的不对称结构,其横向、竖向均为普通钢筋混凝土结构,纵向为单向预应力结构。采用整孔预制吊装的施工方法。跨径有18,25,26 m 3种,其中还包括变截面梁、加宽梁和渐宽梁等各种非标准梁。对于跨度为25 m的梁段,梁长度为24.9 m,计算跨径为23.8 m。各段线路混凝土强度等级均为C55,25 m跨单片梁质量155 t[13]。

图7 典型主梁断面——南京市轨道交通2号线(单位:mm)

下部结构标准桥墩采用T形桥墩, 钻孔桩基础,并设置双支座。纵向预应力钢筋采用钢绞线,用自锚式拉丝体系锚固,采用夹片式锚具。预应力钢筋选用74束7×φ5 mm的钢绞线,极限抗拉强度1 860 MPa,直线配筋,采用后张法施加预应力。二期恒载按33.7 kN/m的情况设计；地铁列车荷载根据四动两拖车编组设计,并考虑动力系数的影响,冲击系数取1.18。最高行车速度按80 km/h计。梁体跨中竖向挠度为16.21 mm,扣除二期恒载引起的挠度3.89 mm后为12.32 mm,动挠跨比为1/2 338。活载冲击系数为1.18,由静活载引起的挠度为12.32/1.18=10.45 mm。

2.2.5 广州市轨道交通2号线

广州市轨道交通2号线高架段梁体基本外形尺寸如图8所示。梁全长24.9 m,计算跨径为24.4 m,混凝土等级为C50。

图8 典型主梁断面——广州市轨道交通2号线(单位:mm)

单片主梁下设4个支座,沿梁横向支座中心距为4.3 m。纵向预应力钢束均为直线束,选用74束7φ5 mm低松弛钢绞线,极限抗拉强度1 860 MPa,单端张拉,张拉锚下控制应力1 395 MPa。最高运营速度80 km/h；地铁列车轴重160 kN,按6节车辆编组；二期恒载取为21.5 kN/m；结构自重1 340 kN；地震力按7度设防；设计时按10%的列车垂直荷载水平纵向均布于全梁设计[14]。试验所得的跨中最大挠度为16.5 mm,支座最大转角为0.000 716 rad；ANSYS软件计算所得的跨中最大挠度为11.00 mm,支座最大转角为0.000 814 rad[15]。

2.2.6 小结

槽形梁在我国属于一种较为新型的结构,设计经验在不断积累。随着该结构在轨道交通高架桥中的不断推广,相关设计也应在参考先例的基础上不断完善。已建轨道交通槽形梁的设计资料见表1、表2。

表1 国内轨道交通槽形梁设计资料概览

表2 国内轨道交通槽形梁设计资料概览(续)

3 施工工艺

3.1 主梁制作

槽形梁有多种施工方法,除了就地浇筑的以外,还有装配式或拖拉就位式。例如,日本的中川桥槽形梁跨施工时先建造主梁,然后将模型板吊挂在主梁上,再灌注桥面板混凝土。这种方法适用于保持桥下净空而不能安装满堂支架的情况。此外,还可以先预制横梁,主梁现浇,如日本山平线大崎跨线桥展宽工程,就是在4条并列运营线下修建40 m宽的公路。槽形梁施工时,先将预制横梁安装于轨道下,然后在线路两侧制成主梁,并与横梁接成整体,最后开挖桥下土方,修建公路。这种方法适用于运营线路上的施工。美国的一座槽形梁桥采用将单独预制的桥面板和两侧箱梁通过横向压力组成一个整体的施工方法。此外,也有整体结构在桥位附近造好后,再采用纵拖或横移的。

3.2 全桥施工

目前公路或者铁路典型跨径预应力混凝土桥梁常用的施工方法主要有：逐孔现浇、整孔吊装、半孔预制拼装、预制节段拼装。这些施工方法可以分为现场浇筑和预制两大类。

3.2.1 逐孔现浇

逐孔现浇施工法可细分为移动支架法和满堂支架法2种。

(1)移动支架

使用移动支架逐孔现浇施工,可免去大型运输和吊装设备,桥梁整体性好,同时它又具有工厂化预制生产的特点,可提高机械设备的利用率和生产效率。

(2)满堂支架

满堂支架施工法虽对城市的环境影响较大,但因其较为简便,在城市高架桥的建造中亦有较多应用。上海轨道交通6号线即采用此法。单跨槽形梁混凝土必须一次性整体浇筑,若梁段较长,可采用2台输送泵由跨中至两端同时推进。为减少施工过程中的非结构裂缝的出现,可在混凝土中添加聚丙烯纤维。

3.2.2 整孔吊装

随着起重能力的增强,桥梁预制构件不断向大型化方向发展,高效的逐孔施工方法得到更多应用。上海市轨道交通8号线、16号线以及南京市轨道交通2号线均采用此方法进行槽形梁桥施工。对比这些工程实例,可进一步按预制梁从存梁场到桥位的运输方法细分为：路上运梁法(上海市轨道交通8号线),梁上运架梁法(上海市轨道交通16号线)。

3.2.3 半孔预制拼装

为解决从Beer Sheba镇(以色列)至Ramat Hovav化学处置场的单轨货运线跨越Beer Sheba镇和25号公路的问题,在Beer Sheba镇建造了2座铁路桥。其中,跨越小镇段为总长215 m的9跨结构,跨公路为总长90 m的4跨结构。两部分均采用24.9 m或20.0 m的标准梁段和相同的桥墩[16]。

由于架设条件的限制,主梁被分成了左右2块对称的“L”形预制先张预应力梁。通过在两者之间现浇混凝土,结合横向后张预应力的方式形成最终的整体结构。每一对L形梁在桥位附近预制,单片梁质量150 t,具体施工步骤如下。

(1)现场浇筑L形梁,为了减轻自重,下翼缘填充聚苯乙烯块,不过需在浇筑混凝土时注意防止聚苯乙烯块的上浮。

(2)两端同时张拉预应力,在L形梁中预埋横向预应力筋的钢管管道。L形预制梁段预应力张拉完毕后吊装到位。

(3)在将各预制梁成对放于设计位置后,在预制梁下放置支座以提供临时支撑,梁顶部设置临时横向连接,并与桥墩临时固结以防止意外侧倾。这些横向连接在最后的主梁连接完成后才能拆除,连接措施包括现浇混凝土底板和张拉横向预应力。现浇混凝土严格按照主梁的圆弧拱腹线形进行浇筑,并预制梁段完美贴合。张拉横向预应力时,因预应力钢绞线的曲率偏小会导致相当数量的预应力损失,故采用管道润滑剂来减少这种损失。横向预应力提供了所需的横向抗弯、剪能力,同时增强了上部结构的整体性。

3.2.4 预制节段拼装

当跨径较大,整孔吊装有困难时,可采用先节段预制再现场拼装的方法。例如印度新德里地铁3号线、智利圣地亚哥地铁4号线。

4 槽形梁存在问题和今后发展展望

目前，槽形梁在城市轨道交通中得到较多的应用,但在使用过程中也暴露了存在的一些问题,主要表现在：

U形梁优化后,梁体质量大幅度降低,但质量小的U形梁动力性能不佳。某些既有线路的使用中发现,固定在腹板上的架设输电线路的接触管柱受结构振动影响,其固定螺栓经常发生松动,导致供电系统不稳定,增加维护的工作量并影响列车的正常运营和行车安全。

降噪效果并不明显。原先认为下承U形梁可以大大遮挡列车运营时轮轨发出的噪声；运营情况表明,虽然轮轨系统产生的噪声受到腹板的一定遮挡,但结构振动产生的噪声明显增加。既有线路的测试显示,采用槽形梁的线路产生的噪声比箱梁大。

梁体悬臂端部钢轨扣件螺栓产生松动,影响行车安全,增加养护工作量。扣件螺栓松动和梁端悬臂长度、刚度以及采用扣件的类型有关,这已经引起有关部门的重视。

目前槽形梁急需解决的问题是在优化槽形梁结构设计的同时,注意开展其动力性能的研究以明确振动问题,减小槽形梁振动产生的不利影响。同时完善槽形梁结构设计主要参数的研究,完善适合槽形梁设计的相关设计规范条文。

分析槽形梁结构噪声特点及其产生的机理,提出噪声防治的设计方案。结构产生的噪声大部分属于低频噪声,传播距离较远,对周边环境影响不可低估。初步研究发现,传统的槽形梁结构声学性能较好,但优化后的U形梁声学性能较差,这说明槽形梁优化时除了满足强度、刚度、耐久性等问题外还要注意结构噪声的问题,这是结构设计的一个新课题。

城市中的土建施工,工厂化和新型高效的施工工艺是非常重要的,因此，进一步在槽形梁建设中研究和推广节段拼装法和整孔吊装法施工工艺也是非常必要的。

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