城市轨道交通U型梁高架系统关键技术研究及创新

杨秀仁

(北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037)

城市轨道交通U型梁高架系统关键技术研究及创新

杨秀仁

(北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037)

结合我国城市轨道交通高架线的应用和发展瓶颈分析，介绍作者及其团队在U型梁高架系统新技术研发和应用方面所取得的主要成果，包括U型梁结构技术、综合降噪技术、与轨道交通各系统的一体化融合技术、施工技术以及技术经济性等内容。以U型梁结构为载体，集成了完备的设计理论和计算方法、减振降噪、节能环保、造型美观、桥面系功能完善、车辆运行安全防护、施工便捷、工期短、显著的经济性等诸多优势，构筑了新一代环境友好型轨道交通高架系统。U型梁高架系统新技术的应用，对促进我国城市轨道交通高架线的健康和可持续发展起到了重要的作用。

城市轨道交通；高架线；U型梁；开口薄壁构件；降噪技术

1 城市轨道交通高架线应用和发展瓶颈

当前,我国的城市轨道交通运营线路已达3 155 km，其中地下线超过80%以上，而高架线不足20%，尽管高架线在工程造价(仅为地下线的1/3～1/2)、运营能耗、施工安全、建设效率和速度等多方面具有绝对的优势，然而高架线的应用却受到极大的限制，发展比例严重失调[1]。导致这一现象的主要原因，首先是高架线路的车辆运行噪声对沿线环境存在一定的影响，通常情况下需要设置不同形式的声屏障；其次是以箱型梁为主的传统高架线，基本为上承式结构，视觉体量大，景观效果差，尤其在设置声屏障后，庞大的高架桥体量对城市景观的影响更大。因此，以上因素构成制约城市轨道交通高架线应用和发展的瓶颈。目前，我国城市轨道交通正处于高速发展期，尤其是中等城市或市郊线路，选线矛盾十分突出，研发新一代环境友好型的高架轨道交通体系势在必行。

2 U型梁系统的优点

预应力钢筋混凝土U型梁为开口薄壁下承式桥梁结构，列车在U形槽内行驶，腹板结构可起到声屏障作用，能有效阻隔轮轨噪声，且无空腔混响二次噪声危害；同时U型梁建筑高度小，轨道卧于槽内，轨顶标高可降低约1.5 m，不仅使高架线建筑整体高度比传统高架线降低1/3，有效改善了景观效果，而且使线路纵坡得到优化，改善了列车运行条件，更加节能环保；除此之外，U型梁腹板还可兼做栏板、疏散平台、牵引网立柱基础等，使桥上附属结构成为主体梁结构的一部分，二期恒载减少约30%，梁体自重减少约15%，使造价更低，并可有效减少建造工序，缩短建设工期，减少维护环节和费用；U型梁外侧腹板结构可防止脱轨列车翻落，提高行车安全性。

3 国内外研究及应用现状

U型梁主要有双线大U型梁和单线小U型梁两种形式，国外采用的基本是双线大U型梁系统，如印度、迪拜、韩国和智利等国家的城市轨道交通均有应用。在阻隔噪声方面，单线小U型梁优于大U型梁系统，但无论何种形式，对于U型梁的降噪效果研究以及开口薄壁构件的弯剪扭力学性能研究尚属空白。图1为箱型梁、U型梁结构断面示意。

图1 箱型梁、U型梁结构断面

目前，我国对U型梁的研究和应用尚处于起步阶段，面临一系列重大技术难题，主要包括结构设计理论和计算方法、降噪技术、与轨道交通多系统的融合技术、施工技术以及技术经济性等问题，尤其对于开口薄壁构件的抗弯剪扭性能这一国际性难题，我国业界存在较大的疑虑，各类规范均未涉及。笔者依托南京轨道交通2号线东延线工程，率先开展了城市轨道交通U型梁系统综合技术研究，通过8项专题研究和15项试验、监测研究，形成了一系列U型梁高架系统新技术成果，最终推广应用并全面实现产业化。

4 U型梁系统综合技术研究及创新

4.1 U型梁结构力学行为理论及试验

国内外首次对U型梁的弯剪扭、温度场、疲劳及裂缝控制、静力和动力特性、稳定性等方面进行了全面深入的研究，提出了完整的设计理论、计算方法和相关设计指标，并通过了静、动载试验的验证，全面突破了开口薄壁U型梁在设计应用中的技术瓶颈，为轨道交通高架线提供了一种全新的结构形式，为全面提升高架线的降噪、节能和景观水平提供了安全可靠的技术保障。

1) 提出了U型梁开口薄壁构件截面抗弯剪扭计算方法和承受扭转荷载时的极限承载力计算方法，推导出相应的计算公式，并进行了扭转试验验证(2片U型梁缩尺试验)，解决了开口薄壁构件弯剪扭力学性能研究的国际性难题。

2) 开展了U型梁温度场和温度效应研究[2]，对实体U型梁的温度场进行了一年半的长期监测，对监测数据进行分析、计算和研究，提出了U型梁温度效应计算方法。

3) 对U型梁行车道板进行了1 000万次钢筋混凝土梁和600万次纤维混凝土梁疲劳荷载下的纵向裂缝试验研究(2片足尺疲劳试验)，提出了行车道板疲劳荷载及裂缝控制指标，确定了合理的配筋原则和构造措施。

4) 开展了U型梁静力特性分析与试验研究[3-4]，进行了静载破坏试验、变形和应力监测试验(1片25 m足尺静载破坏试验、2片运营条件下的变形和应力监测试验)，提出了静力设计计算方法和设计技术要点。表1为理论计算值与试验值对比。

表1 理论计算值与试验值对比

5) 开展了U型梁车-桥耦合动力响应分析研究及现场动载试验(4片梁在运营条件下的动载试验)，掌握了U型梁的动力特性规律，提出了设计指标，并对车辆走行性做出分析和评估。

6) 进行了U型梁开口薄壁结构整体稳定性和局部稳定性研究，掌握了U型梁失稳规律，确定了验算U型梁稳定性的设计方法。

4.2 U型梁综合降噪技术

城市轨道交通的轮轨噪声是列车运行时的主要噪声源，国内外首次以U型梁为载体，对轨道交通高架线进行了系统的降噪技术研究，将声学模拟计算与高架桥结构设计相结合，改变了传统的降噪方法，提出了创新的U型梁结构断面以及由腹板隔声、挑檐隔声、吸声调整块和腹板吸声组成的综合降噪系统，形成了对车辆轮轨噪声的天然屏障，对近、远轮轨噪声均具有很好的屏蔽作用，且无空腔混响引起的二次结构噪声，通过理论分析和对比测试验证，在同等条件下与传统梁相比，综合降噪效果非常显著，实现了高架线降噪技术的重大突破，并开辟了崭新的降噪技术方向[5]。

1) 在充分研究高架线噪声源特点以及噪声治理现状的基础上，通过桥梁结构与声学耦合降噪机理、模拟计算、产品研发及实测试验等多方面的综合技术研究，提出了环保型U型梁结构，其主要降噪关键技术有[4]：①轨道卧于U型槽内，1.5 m高的腹板是天然的声屏障结构，具有明显的隔离噪声作用；②腹板上部折向车体一侧的挑檐，减小了腹板与车体噪声源的距离，相当于增加了遮挡噪声的等效高度，有效提高了降噪效果；③创造性地提出了吸声调整块的概念，并研发了吸声调整块产品，在车辆与挑檐之间设置吸声调整块，进一步将声源包裹屏蔽，提高了降噪效果；④在U型梁腹板内侧贴吸声材料，进一步提高了降噪效果；⑤单线小U型梁相当于在两线之间设置了天然屏障，对上、下行轮轨噪声具有很好的屏蔽作用。图2为典型U型梁断面示意。

图2 典型U型梁断面

2) 采用传统的模型计算分析方法和国际先进的SOUNDPLAN声学模拟分析软件，对各种梁型结构的降噪效果进行分析，理论研究表明：U型梁裸梁降噪效果与传统梁设置的3 m高声屏障相当，降噪量可达6 dB；设置吸声调整块后，U型梁降噪效果与传统梁设置的半封闭声屏障相当，可进一步提高降噪量，可达到12 dB；U型梁腹板内侧贴吸声材料后，降噪效果可再提高1 dB。

3) 通过开展U型梁与北京、南京地铁传统梁的列车噪声对比测试与分析[5]，测试结果表明：与箱型梁裸梁比较，U型梁裸梁列车噪声值低5～11 dB，平均低8 dB；与T型梁裸梁比较，列车噪声值低8 dB，且列车速度越高，降噪效果越明显；与设1.5 m高隔声护栏板的箱型梁比较，U型梁裸梁列车噪声值低3～4.6 dB，平均低3.8 dB。表2为不同条件下U型梁系统降低噪声效果汇总。

表2 不同条件下U型梁系统降低噪声效果汇总 dB

注：括弧内为平均值。

4.3 与轨道交通各系统一体化

针对U型梁结构特点，国内外首次就U型梁结构与建筑、限界、轨道、供电、通信信号、疏散、轨旁及桥上附属结构等轨道交通各系统进行了一体化技术研究，形成了一系列关键技术成果[4]，使U型梁高架线在满足功能的基础上，更加造型美观、节能环保，安全可靠、经济合理，形成了极具特色和典型代表性的新一代轨道交通高架线系统，实现了轨道交通高架线技术水平的整体提升和飞跃。

1) 提出了内腹板弧线型、外腹板折线型的断面设计造型，运用建筑美学的理念，立足于桥、人和环境3个角度，依据宏观构景、中观造势、近观显巧的景观设计原则，使U型梁的桥跨净空、立面造型、涂装色彩与街景空间和城市景观充分融合，形成了U型梁特有的简洁明快、纤细挺拔、连续流畅的景观效果(见图3)。

图3 U型梁高架线实景

2) 结合U型梁的断面特点，就桥上设备系统进行融合研究，充分利用U型梁主体腹板和上翼缘结构兼作桥梁栏板、紧急疏散平台、牵引网和电缆桥架立柱等，使桥上附属结构成为主体梁结构的一部分，有效减少了整体工程的建造工序，提高了使用寿命，并减少了维护环节和费用；充分利用U型槽内部和翼缘上有限的空间，整合和优化各类设备箱、开关柜、区间漏缆、过轨电缆管线、电缆托架等设备系统的布局和安装方式，较传统高架线更加方便和合理。

3) 进行了U型梁限界技术研究，这是一种特殊的U型断面，车辆运行在1.5 m深的凹槽内，轨行区周边的构筑物及设备布设受到极大的限制，其限界的确定与传统高架结构存在很大的不同，限界大小也直接影响到桥面宽度，关系到桥梁结构的体量和造价。在桥上设备系统一体化研究的基础上，进一步研究直线和曲线断面限界及其统一性，吸声调整块限界，不同接触网设置工况下的断面限界，包括接触网中间立柱、两边立柱，以及中间立柱考虑两线共用接触网支柱和分开布置接触网支柱等多种断面限界。在满足行车安全和桥上设备系统合理布设的基础上，充分考虑节省投资、方便构件制造和施工、提高降噪性能和建筑美观等因素，形成了多工况下的U型梁限界制定标准和系列成果。

4) 对U型梁轨道减振措施及应用进行研究，在分析传统高架线各种轨道减振措施的基础上，针对U型梁的特有形式，结合目前轨道减振技术，进行了扣件类和道床类减振措施的应用研究，并对钢轨阻尼板、吸声矮墙、道砟垫等新型减振措施的可行性及理论减振效果进行了深入研究，提出了减振器扣件、弹性短轨枕等常规措施及整体道床特殊措施的U型梁轨道减振技术，此项技术的研究和应用，使U型梁高架线在依靠其天然屏障降噪的基础上，进一步提高了U型梁的降噪效果。

5) 研究并提出应用于U型梁高架线的接触网悬挂系统关键技术，接触网悬挂系统是高架线中最重要的设备系统，既影响运营的安全性也影响着高架桥的景观，对接触网集中设于双U梁中间桥墩上和分设于U型梁最外侧腹板上等多种形式，就接触网支柱的设立方式、支柱和基础、下锚方式等关键技术进行了研究，形成了U型梁接触网悬挂系统关键技术。

4.4 U型梁施工技术

国内首次对U型梁的预制、运输、架设等全过程的施工技术进行系统研究，形成了一系列U型梁施工工艺和关键技术，并编制了江苏省地方标准DGJ32/TJ 137—2012《预应力混凝土U型梁施工与验收规程》，取得了复杂断面桥梁结构的施工工艺及关键技术的重大突破。

1) 针对开口薄壁、内弧外折型断面特性，就U型梁构件的预制精度、预制工序、预制工艺和预制管理等各个关键环节进行系统研究，提出了技术控制标准和关键工艺要求。

2) 对长大桥梁构件的运输和架设，尤其对安装技术措施、支座反力的均匀性质量控制等，直接影响桥梁受力性能、关系到列车行驶平顺性和安全性的重难点问题进行深入的研究，形成了U型梁施工系列关键技术。

4.5 U型梁高架线的技术经济性

国内首次对U型梁高架线技术经济性进行了研究，揭示了新一代环境友好型轨道交通高架体系在技术经济上的巨大优势，为这一具有重大创新性技术的应用推广奠定了坚实的基础。其显著的经济优势概括如下：

1) 在建设周期内，新型U型梁高架线比传统箱型梁高架线在土建工程费用上节约投资约494万元/正线公里，土建总造价节省9.93%。

2) 在建设周期内，在安装3 m高声屏障地段，新型U型梁高架线比传统箱型梁高架线在综合费用上能节约投资约1 285万元/正线公里，综合总造价节省22.09%。

3) 在全寿命周期内，在安装3 m高声屏障地段，新型U型梁高架线比传统箱型梁高架线在综合费用上能节约投资约5 442万元/正线公里，综合总造价节省54.28%。

5 结语

城市轨道交通U型梁高架系统，以精巧构造的U型梁结构为载体，集成了完备的设计理论和计算方法、减振降噪、节能环保、造型美观、桥面系功能完善、车辆运行安全防护、施工便捷、工期短、显著的经济性等诸多优势，构筑了新一代环境友好型轨道交通高架系统，解决了多年来制约我国轨道交通高架线应用和发展的关键问题，并实现了重大的科技创新突破，多项技术填补了国内外本领域的空白。目前U型梁高架系统新技术已在南京、重庆、北京、青岛、郑州、长春、济南等多座城市的轨道交通工程中得到广泛的推广应用，总量达132.7 km，取得了显著的技术经济和社会效益。随着我国城市轨道交通的不断发展，应用前景更加广阔，对促进我国轨道交通健康和可持续发展、推动行业的科技进步具有重要和深远的意义。

[1] 王奕然,杨兴山.城市轨道交通设备系统可持续发展的对策 [J].都市快轨交通,2009,22(5):6-9.

[2] 吴迅,张鹏.轨道交通U 型梁温度模式研究 [J].山西建筑,2008,34(32):28-29.

[3] 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,2009,12(8):8-12.

[4] 北京城建设计发展集团股份有限公司,南京地铁集团有限公司.城市轨道交通U型梁系统综合技术研究[R].北京,2012.

[5] 王奕然.城市轨道交通高架线U型梁降噪理论与测试 [J].都市快轨交通,2013,26(3):41-44.

(编辑：郝京红)

Research and Innovation for Key Technologies of U-shaped Girder Elevated System in Urban Rail Transit

Yang Xiuren

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing100037)

Based on the analysis of application and bottleneck for urban rail transit elevated lines in China, the main research achievements from the author and his team in the development and application of U-shaped girder elevated system were presented in this paper. It included the following aspects: the U-shaped girder structure technology,the comprehensive noise reduction technology, the integration technology with other rail transit systems, construction technology and technology economy, etc. By integrating the complete design theory and calculation method on the U-shaped girder structure, a new environment-friendly elevated system in urban rail transit was established, which had many significant advantages such as vibration attenuation and noise control, energy conservation and environment protection, attractive appearances, powerful deck functions, train operation safety protections, convenient construction in short term, project cost control, and so on. The application of U-shaped girder elevated system will contribute significantly to the healthy and sustainable development of urban rail transit viaduct in China.

urban rail transit; elevated line; U-shaped girder; thin-walled open-profile member; noise reduction technology

10.3969/j.issn.1672-6073.2015.05.007

2015-05-17

2015-05-19

杨秀仁，男，大学本科，总工程师，教授级高级工程师，从事城市轨道交通工程设计研究工作，yangxr@buedri.com

U231

A

1672-6073(2015)05-0027-04