多种城市轨道交通制式的高架桥梁结构比较

孙汝蛟

（中交公路规划设计院有限公司，北京　　100088）

多种城市轨道交通制式的高架桥梁结构比较

孙汝蛟

（中交公路规划设计院有限公司，北京100088）

我国城市轨道交通从单一的地下形式发展到地下-地面-高架相结合的形式。本文结合轨道交通制式出现的新特点，从线路设计、设计荷载、上下部结构形式、工程量等方面对现有各种城市轨道交通制式的高架桥梁进行了系统比较研究，从桥梁结构方面为城市轨道交通制式的选择提供了参考。

城市轨道交通；交通制式；高架桥梁；比较分析

一个时期以来，发展以轨道交通为主的多层次、立体化的综合交通结构体系，已成为解决城市交通拥挤问题的重要选择之一。截止2014年底，我国内地已有22个城市开通城市轨道交通运营线路，总里程达到3 173 km，几乎涵盖了目前城市轨道交通的各种制式；轨道交通也从单一的地下形式发展到了地下-地面-高架相结合的形式，从而使城轨交通出现了如下新的运行特点［1］：

1）线路的立体化，使线路坡度加大；

2）城建物的密集，使线路的水平曲线半径变小；

3）城市人口的增长，使运行区间变短，必须依靠较高运行速度和较大的加、减速度才能增大运能；

4）环保的要求更高，要求车辆的振动和噪声的影响更小；

5）为减少运营成本必须降低土建工程的造价，要求车辆的重量轻、体积小，才能使高架结构简单经济。

高架线路以其投资经济、施工周期短、运营成本低、线路适应性良好等优点，逐渐在城市轨道交通建设中得到越来越广泛的运用。本文主要针对各种轨道交通制式桥梁结构从线路设计、设计荷载、上下部结构的形式、工程量等方面进行比较，从桥梁结构方面为城市轨道交通制式选择提供参考。

1　线路设计

平曲线半径大小、机车爬坡能力强弱是制约线位选择的重要因素。表1是目前几种城市轨道交通制式线路及常用机车技术规格表。

表1　不同城市轨道交通制式线路及常用机车技术规格

从表1中可知，除了市域铁路正线最小平曲线半径要求2 000 m以外，跨座式单轨系统和 C型轻轨具有100 m的最小曲线半径，悬挂式单轨和自动导向轨道系统最小半径可达30 m，为在城市建筑密集区选线创造了很大空间。相对于钢轮，由于胶轮与轨道接触面黏着系数较大，具有较强的爬坡能力，跨座式单轨、自动导向轨道（胶轮）系统能达到60‰，更能适应变化起伏复杂的地形；不仅减小了线路或桥梁的长度，还缩短了从地面到高架段干扰地面交通的过渡段。同时为提高运营能力，还需较高的运营速度和较好的机车加、减速度性能。除了悬挂式单轨和自动导向轨道系统运营速度相对较低外，其他几种都能达到70 km/h以上，但悬挂式单轨的加、减速度均有较大的优势。

从线路设计方面来看，单轨系统、C型轻轨和自动导向轨道系统在建筑密集的城市选线表现出了良好的性能，同时减小了因为城市轨道高架建设而发生的拆迁量。

2　设计荷载

国内各种轨道交通制式的荷载分类、取值及其组合［2-5］，基本以《铁路桥涵设计基本规范》（TB 10002.1—2005）为基础，考虑各自的运营特点进行局部调整。例如列车横向摇摆力在铁路荷载规范中作为主力组合，而地铁轻轨规范中将其列入附加力中。同时由于不同制式工作机理不同，具体的荷载项也有所增减，跨座式单轨交通在特殊荷载中增加了车挡影响力，减去了无缝线路纵向力；中低速磁浮可变作用中侧向导向力和小半径约束力取代了横向摇摆力。

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。图1是不同城市轨道交通制式中常用的列车设计荷载图式。

图1　不同城市轨道交通制式中常用的列车设计荷载图式（长度单位：m）

根据铁路和城市轨道交通桥梁建设经验，高架桥的经济跨度都在40 m以下，尤其以简支30，25 m为主型跨度［6］，同时对于简支梁，均由跨中弯矩控制结构的设计。根据图1不同城市轨道交通制式的列车活载图式，表2列出了不同城市轨道交通制式列车活载作用下跨径30 m简支梁跨中弯矩的换算等效均布荷载。

从表2可以看出，轻型跨座式单轨、悬挂式单轨、中低速磁浮系统、自动导向轨道系统、有轨电车的等效均布荷载都＜30 kN/m，尤其自动导向轨道系统仅为21.8 kN/m。较小的列车荷载相应的梁截面就会减小，进一步减轻了下部结构受力，若同时采用胶轮的单轨系统、自动导向轨道系统和非接触式的中低速磁浮系统，冲击效应也相应降低，减小了噪声的发生。

表2　不同城市轨道交通制式列车活载的等效均布荷载

3　结构比较

3.1上部结构

城市轨道交通高架区间桥梁形式的选择是高架结构设计的重要前提。由文献［6］可知，目前城市轨道交通高架区间桥梁以30 m简支箱梁最常使用。表3是各种城市轨道交通制式30 m跨径简支梁上下部结构举例。

表3　城市轨道交通不同制式桥梁上下部结构举例

从表3可知上部结构跨座式单轨在土建材料用量上表现出优异的性能，梁体混凝土、钢绞线、普通钢筋用量比其他制式节省很多，市域铁路甚至分别是跨座式单轨轨道梁用量的3.74倍、2.02倍、3.74倍，材料用量相对少的直线电机轻轨也分别为2.6倍、1.33倍、2.62倍。材料的大幅节省，不仅直接降低了工程造价，跨座式单轨单梁的结构形式也为施工带来了便利。

跨座式单轨的线间距只有3.7 m，较小的限界除了减小了工程量，也为线路选线创造了更大的空间。单轨系统的梁体可以采用单梁直接放置在桥墩上，仅为两根细长的纵梁，通透性好，不会像地铁轻轨等其他交通制式宽大的梁体，影响地面机动车废气的排散和地面绿化采光，被折返的各种回声也会增强噪声污染，而且宽大的形体还会给城市景观带来一定的负面影响。中低速磁浮系统的梁体尽管理论上也可以像跨座式单轨那样直接搁置在墩顶，但是目前实际运营的线路还不多见。

3.2下部结构

表3中列出了不同城市轨道交通制式跨径30 m简支梁对应10 m墩高的工程量，除了直线电机轻轨的混凝土量稍小于轻型跨座式单轨外，其余制式的混凝土和钢筋用量都超过轻型跨座式单轨。

机车荷载和轨道梁的总荷载大小决定了下部结构的尺寸和构造形式。据分析，在机车荷载相差不大的情况下，因为轨道梁荷载的大幅下降，使跨座式单轨下部结构的结构形式可以按常规T形独柱设置在隔离带（图2（a））；因为上部结构荷载相对较小，单轨交通既可以倒L形设置在路旁（图2（b）），又可以比较灵活地与其他高架公用下部结构形成叠式T形墩（图2（c））。跨座式灵活的下部结构设置方式反过来又为线位选择创造了更多的便利条件。

尽管悬挂式单轨也有很灵活的下部结构布置，但跨座式单轨相对具有更多优势，因为跨座式单轨车辆行驶于轨道梁顶面，高架桥结构下部净空满足地面车辆安全通行即可，无需像悬挂式抬得那么高；工程结构材料基本为钢筋混凝土，维修量小，同时运量潜在能力相对要强。

图2　跨座式单轨桥墩

4　结论

我国城市轨道交通经过50多年的发展，除建设规模和运营里程不断增加外，各地城市根据自身需求，城市轨道交通制式也呈现多样化。既有的地铁、轻轨、有轨电车、市域铁路等制式，也出现了单轨交通、磁悬浮、直线电机等多种制式。

通过以上分析，现代城市轨道交通中，不同制式的轨道交通各有特点，总体来说跨座式单轨结构形式简约，材料用量少，易于融入城市景观环境，采用胶轮又具有噪声小、爬坡能力强、曲线半径小、建设周期短等诸多特点，再结合景观设计，必将成为一道亮丽的风景线。同时跨座式单轨交通属中运量城市轨道交通，在该序列中运能属于较高的一种，其普及的范围正在日益扩大。

［1］刘友梅，杨颖.城轨交通的一种新模式——直线电机驱动地铁车辆［J］.电力机车与城轨车辆，2003（7）：4-7.

［2］中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［3］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50157—2013地铁设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2013.

［4］中华人民共和国住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局.GB 50458—2008跨座式单轨交通设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［5］北京控股磁悬浮技术发展有限公司，铁道第三勘察设计院. Q/CYBGMJ001—2008中低速磁浮交通设计规范［S］.北京：中国科学技术出版社，2008.

［6］姚亚茹.轨道交通高架区间桥梁形式比选与经济比较［J］.铁路工程造价管理，2006（2）：41-44.

（责任审编孟庆伶）

Comparison of Elevated Bridge Structures of Several Urban Rail Transit Modes

SUN Rujiao
（CCCC Highway Consultants Co.，Ltd.，Beijing 100088，China）

T he urban rail transit modes in China have developed from single underground mode to the combination of underground-ground-elevated mode.Based on the new features of the modes，a comparative study on elevated bridge structure of several urban rail transit modes was carried out from route design，design load，superstructure and substructure and engineering quantities.How to determine the urban rail transit mode was suggested from the aspect of bridge structure.

Urban rail transit；T ransit mode；Elevated bridge structure；Comparison

孙汝蛟（1976— ），男，高级工程师，博士。

U293.5；U448.18

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.03

1003-1995（2016）07-0009-04

2016-01-19；

2016-04-20