南京地铁机场线高架U梁段同心圆设计

刘延晨 刘国祥

（广州地铁设计研究院有限公司,510010,广州∥第一作者,工程师）

南京地铁机场线高架U梁段同心圆设计

刘延晨 刘国祥

（广州地铁设计研究院有限公司,510010,广州∥第一作者,工程师）

目前,U形梁在国内轨道交通工程中已有较多应用,但尚未有成熟、系统的同心圆设计经验可供借鉴。结合南京地铁机场线工程,对高架U形梁段的同心圆设计进行详细阐述,从U梁施工工法角度,合理选取曲线加宽量,减少预制模具的种类,压缩模具及配套投入资金,利于“U”形梁规模化生产,也为以后类似工程提供参考。

地铁线路设计；高架U型梁；曲线加宽；预制模具；同心圆设计

First-author'saddressGuangzhou Metro Design&Research Instiute Co.,Ltd.,510010,Guangzhou,China

南京地铁机场线为连接高铁南京南站和禄口机场的南北快线,串联禄口新城、东善桥秣陵片区、东山副城等重点发展区域。线路全长约35.8 km,其中高架段长约16.9 km（约占全线47.2%）,过渡段长约0.7 km（约占全线2.0%）,地下段长约18.2 km（约占全线的51.8%）。对于机场线高架段,除车站外,其余均采用U形梁（见图1）,因此高架U梁段同心圆设计是线路和桥梁设计施工的重点。

图1 高架U梁段照片

1 U形梁

U形梁是一种下承式梁,不同于传统的上承式梁（如箱梁、T形梁等）,线路左右线分别位于2个平行盆梁内,可大幅降低线路标高和车站高度,灵活适应线路条件,减少工程量和节约投资等［1］；同时,U形梁结构本身形成一个良好的防噪体系,噪声在U形梁腹板内多次反射后能量衰减,可有效地降低噪声［2］。

2007年上海轨道交通8号线投入运营后,标志着U形梁在国内使用的正式开始［3］；2012年南京地铁机场线高架段再次采用U梁,是U形梁使用的进一步推广。

由于线路的左右线位于2个盆梁中,其直线段线间距较传统上承式梁宽。南京地铁机场线高架段直线最小线间距为4.7m,其中在两盆之间预留140mm的富裕量,以便于桥梁施工（见图2）。

图2 U型梁断面示意图

预制简支U形梁具有可采用整跨预制、整跨吊装、安装速度可达一洞一跨、整体施工进度快的特点［4］。因此,机场线高架段除跨越大型路口时采用现浇U型连续梁（长约1.4 km）外,其余均采用预制简支U梁（长约15.5 km）。

2 同心圆设计原理

对于地铁高架线的左右线,尽量采用同心圆设计或类同心圆设计,以便尽量保证圆曲线范围内任意一点的线间距相等。这有利于使桥的横断面尺寸保持一致,便于设计施工和养护维修,并可最大限度地节约占地［5］。机场线U形梁同心圆设计可以参考传统同心圆设计原理。

同心圆的设计是一种近似的设计［6］,即外圆曲线半径与内圆曲线半径差值为直线地段线间距与曲线加宽量之和,通过内外圆的偏移量差实现曲线加宽［7-8］（如图3所示）。

图3 加设缓和曲线后圆曲线的几何形位

根据加设缓和曲线后内、外侧曲线的几何形位（图3）,为满足同心圆要求,需满足以下关系：

具体同心圆设计公式如式（1）、（2）、（3）和（4）所示。

式中：

Pn——内圆偏移量；

Pw——外圆偏移量；

Rn——内侧曲线半径长度（曲线为左偏时,为左线曲线半径,反之为右线曲线半径）；

Rw——外侧曲线半径长度（曲线为左偏时,为右线曲线半径,反之为左线曲线半径）；

ln——内侧曲线缓和曲线长度；

lw——外侧曲线缓和曲线长度；

D——曲线两段直线段线间距；

W——曲线加宽量。

当内圆半径一定时,通过式（2）和式（4）得出,外圆半径和内圆缓和曲线长度均与W值密切相关,因此W是同心圆设计的关键。

3 曲线加宽

U形梁曲线加宽量不同于传统上承式梁,其曲线加宽量由限界加宽和工法加宽两个部分组成。

3.1 限界加宽

高架双线并行区间曲线地段线间距应在其两端的直线地段最小线间距基数上予以加宽,以满足车辆、设备、建筑限界要求,保障列车会车的安全要求,如图4所示。

限界加宽与曲线段的半径、超高有关：半径越小,超高越大,则限界加宽也就越大；反之限界加宽越小。

图4 限界加宽示意图

3.2 工法加宽

桥梁区间工法主要有预制简支梁体系和现浇连续梁体系2种工法［9］。预制模块化施工具有对现场交通、环境影响小,综合造价低,施工周期短的优点。对于机场线高架段,线路较长,且大多是标准区间,又穿越城市重要道路,因此除跨越大型路口采用现浇U梁外,其余段均采用预制简支U梁。

高架现浇U梁可根据线路走向做成直线梁或曲线梁。曲线段预制梁虽可以满足限界加宽要求,但不利于规模化生产。

为了利于简支U梁的规模化施工生产,曲线段预制梁采用以“直”代“曲”方式进行预制,如图5所示。南京机场线高架段预制简支U梁段采用整跨预制,整跨吊装,共有18 m、22 m、25 m、26 m、28 m、30 m 6种跨度。因此曲线位置在满足限界加宽的基础上,还要考虑由于U梁跨径大而引起的工法加宽（如图6所示）。

图5 高架预制梁段拼装示意图

图6 工法加宽示意图

工法加宽量

式中：

L——预制U梁长度；

R——曲线半径。

根据式（5）所示,工法加宽量与区间半径密切相关：半径越大,工法加宽量越小；反之工法加宽量越大。

3.3 机场线曲线加宽

南京机场线高架段长约16.9 km,共有8种曲线半径。由于跨径18 m、22 m、25 m、26 m、28 m的预制U梁均可由跨径30 m U梁模具预制,因此以跨径30 m U梁为加宽的基础。各曲线半径所对应的限界加宽、工法加宽、曲线加宽如表1所示。

表1中南京机场线高架段存在21种加宽量（包含直线段,加宽量为0）,曲线半径相等时,由于超高不同（列车通过速度不同引起的超高差异）,其加宽量也略有差别,且相邻间半径加宽量也相差不大。

4 U梁预制模具

预制简支U梁表面要求为清水混凝土,因此模具采用全钢结构整体式设计。整套模具由底模、外模、内模、内模支撑、内外模移动系统和端模6大部分组成,另外包括外模斜撑、内模斜撑及液压系统等附件（如图7所示）。模具整体造价比较高。

表1 机场线高架段曲线加宽汇总表

图7 预制U梁模具

曲线段预制U梁以“直”代“曲”,预制模具的横向尺寸与曲线加宽量密切相关。若U梁曲线加宽量无规律地变化,给模具的设计、制造和施工均带来较大麻烦,使模具及配套投入资金增加,不利于U梁的大规模生产。因此,为适应U梁大规模生产的需要,提高预制模具的使用次数,在设计过程中宜尽量减少U梁的种类。

受地形、地貌影响,南京机场线高架U梁段采用6种跨径（或长度尺寸）,由于跨径18 m、22 m、25 m、26 m、28 m的预制U梁均可由跨径30 m U梁模具预制,因此需要从横向尺寸压缩模具种类。根据表1所示：曲线半径在500～1 000 m之间的曲线加宽相差不大,约318 mm；曲线半径在1 500～3 600 m之间的曲线加宽量相差不大,约134 mm,因此从减少模具种类角度考虑,把半径在550～1000m的区间加宽梁合并为第一档,线间距采用半径500m的曲线加宽量550mm；把半径在1 500～3 600 m的区间加宽合并为第二档,线间距采用半径1 500 m的曲线加宽量265 mm；直线段为第三挡,线间距为4.7 m。这样,模具宽度尺寸只需3种即可满足要求,可减少18种模具尺寸,大大压缩模具及配套投入资金。同时土建工程量与合并前相差不大,约642 m2（相当于两跨梁的造价）。

5 同心圆设计

同心圆设计通常做法为：内圆半径不变,加大外圆半径,如式（4）所示,这样不会降低线形标准；外圆缓和曲线满足线路技术标准最小值即可；通过改变内圆缓和曲线长度实现曲线加宽,如式（2）所示。

对于半径在550～1 000 m之间的曲线,其加宽量为550 mm,线间距不小于5 250 mm即可；对于半径在1 500～3 600 m之间的曲线,其加宽量为265 mm,线间距不小于4 965 mm。

同心圆曲线设计中,内圆的缓和曲线长并不是唯一的,而是按照5 m进整进行计算,可有多组解。由式（4）可知：内圆缓和曲线越长则圆曲线段线间距越大,高架段占地面积越大,与同心圆的设计目的不符,因此应取内圆缓和曲线长最短的一组解。

6 结语

南京机场线高架U梁段尽量采用同心圆设计,有利于使桥的横断面尺寸保持一致性,便于设计施工和养护维修,并可最大限度地节约占地。同时,根据机场线U梁施工工法,从减少模具种类角度,把21种曲线加宽量合并为3种,降低了模具资金投入。

［1］ 黎庆.南京地铁2号线东延高架线路U型梁结构计算及试验［J］.城市轨道交通研究,2009（8）：8.

［2］ 郭敏.广州市地铁高架U型梁结构设计［J］.广东土木与建筑,2004（5）：12.

［3］ 周国河,张耀生.城市高架轨道交通新型“U”形梁预制工艺研究及应用［J］.建筑施工,2008,30（7）：575.

［4］ 范征,赵启儒.轨道交通高架区间桥梁结构选型的探讨［J］.铁道标准设计,2006（12）：30.

［5］ 贾国裕.双线铁路变更线间距地段线路平面计算有关问题的探讨［J］.铁道标准设计,2006（1）：29.

［6］ 白宝英.铁路线路参数化设计的几点思考［J］.铁道标准设计, 2011（3）：45.

［7］ 王雷,孟凡铁.地铁线路同心圆设计［J］.山西建筑,2013,39（3）：155.

［8］ 俎保峰.客运专线铁路同心圆设计的探讨［J］.铁道工程学报, 2011（12）：21.

［9］ 王今玉.地铁高架段选线及区间工法探讨［J］.铁道建筑技术, 2012（2）：40.

中国为何远赴万里修两洋铁路

中国为何赴万里之遥参与修建两洋铁路？对此,有关专家表示,修建两洋铁路,一是有实际货运需求,且有利于促进双方经贸合作；二是中国铁路无论在技术、施工、运营还是资金上具备充足实力。

修建连接大西洋与太平洋的两洋铁路并非今日才提出。拉美地区物产丰富,无论是矿产资源还是农产品,都在世界贸易中占有重要地位。同时,日益跃升的中国经济同拉美国家之间的贸易联系也越来越紧密。作为全球第二大经济体,中国的外贸额约占全球贸易总量的30%。特别是近10年来,巴西、哥伦比亚、智利和秘鲁等国对华出口增长了10倍,中国现已成为许多拉美国家产品的主要出口目的地。巴西的铁矿、秘鲁的铜矿,及至周边国家如阿根廷的大豆等,都大量出口到中国。

除了现实需求外,中国铁路在设计、施工、装备制造以及运营方面所具备的综合实力远远超越其他国家。施工周期短、平均造价低、装备技术世界领先,且有在各种地质条件下建造铁路的丰富经验。在运营方面,中国铁路运输效率世界第一,并保持良好的安全纪录。同济大学铁道与城市轨道交通研究院教授孙章表示,中国铁路成功的范例也促使南美诸国下决心发展铁路。目前,这些国家铁路装备亟需更新换代、铁路线路需要升级拓展,中国的经验和设计施工运营队伍正是这些国家最理想的选择。

（摘自2014年7月18日《新闻晨报》,新华社记者齐中熙、樊曦、郝亚琳报道）

Concentric Circle Design for Elevated U Beam on Nanjing Metro Airport Line

Liu Yanchen,Liu Guoxiang

At present,though widely used in many rail transit projects in China,there are not enough mature and systemic design experiences of concentric circles worth learning.In this paper,combined with Nanjing Airport Line,the concentric circle design of elevated U beam section is introduced in detail. From the angle of U beam construction method,the selection of reasonabe curve widening value,the reduction of prefabricated mould categories,compression mould and the matching funds,as well as the favorable condition for the scale production of U beam are discussed to provide a reference for similar projects in the future.

metro line design；elevated U beam；curve widening；precast Die；concentric circle design

U 231.1

2014-03-02）