预制U梁在青岛13号线轨道交通中的应用

张鲁明，王利伟，岳章胜

（青岛市市政工程设计研究院有限责任公司，山东 青岛226061）

预制U梁在青岛13号线轨道交通中的应用

张鲁明，王利伟，岳章胜

（青岛市市政工程设计研究院有限责任公司，山东 青岛226061）

通过预制薄壁U梁与传统箱梁的设计比选，详细阐述了预制U梁结构在城市轨道交通工程设计时的结构形式采用和需要注意的结构要点。结合青岛13号线轨道交通工程，分析了预制薄壁U梁结构方案的优缺点，经过技术、经济、景观等多方面比选，为今后同类的高架桥工程上部结构选型提供了依据。

预制薄壁结构；U梁；轨道交通

1 工程概况

青岛轨道交通13号线位于青岛市西海岸新区，总体呈东北-西南走向。线路起于开发区的嘉陵江路站，经由经济技术开发区、灵山湾影视文化产业区、新区中心区、古镇口创新示范园、董家口经济区，终于董家口火车站。该项目为沿线各重点功能区、重点发展区及组团间提供方便快捷的交通方式，与地铁M6线、12号线、M1线实现换乘，对引领城市发展，全面支持西海岸经济新区的建设，快速联系西海岸五大功能板块，通过与胶州湾环线的换乘，实现与轨道交通线网的有机结合。13号线线路正线全长70.02 km，设车站23座，其中地下站9座，高架站14座，设车辆基地1处、停车场2处。该项工程初、近、远期均采用B1型车4辆编组，系统最大设计能力30对/h。最高运行速度120 km/h。

该项工程为预制薄壁U梁在全国首次大规模应用。我国自2000年上海明珠线建成以来，国内已建成超过300 km轨道交通高架线。以往轨道交通桥梁采用最多的是箱梁，近年来随着U梁在上海、南京轨道交通成功建设运营，增强了城市轨道交通高架桥梁生命力。但是到目前为止，U梁的应用只是在上海地铁16号线，设计单位为法国的一家公司；国内设计院设计并建成的只有南京地铁二号线东延段的1.185 kmU梁试验段和重庆地铁一号线的沙坪坝站-大学城站的6.9 km U梁试验段。青岛轨道交通13号线工程高架区间长度约51.46 km，为全国之最。

2 U梁结构特点

在轨道交通工程应用中，与箱梁等传统梁型相比，U型梁具有如下突出优点：

（1）建筑高度低，U梁比箱型梁建筑高度低1.5 m左右，有利于上跨下穿立交，改善纵断面技术参数，优化车辆运行条件，节能同时降低运营成本。

（2）降噪效果好，减小声屏障用量。对比其他箱形梁，U型梁腹板结构具有阻隔轮轨噪声的作用，相当于3 m高的声屏障。U型梁没有列车震动引起的箱梁体内的混响噪声。

（3）桥梁建筑造型效果佳，环境适应性好。U型梁梁体纤细挺拔，与盖梁、桥墩有机结合，造型独特。U型梁阻隔轮轨噪声，减少了声屏障高度和使用量，环境影响小。

（4）经济性好。U型梁对比箱梁截面尺寸小，梁部一期恒载和二期恒载重量轻，可节约土建造价。U型梁腹板降噪作用基本可以到达3 m高声屏障的效果，以结构100 a使用寿命，声屏障15 a的使用寿命计算，在100 a寿命期内，声屏障需要更换5次以上，大幅度降低了高架线环保工程造价和全寿命周期运营成本，经济效益明显。

（5）综合功能性提高。主体结构本身具有栏杆、声屏障基础架和疏散平台功能。

（6）行车安全。两侧主梁可防止脱轨车辆倾覆下落，给行车安全提供了可靠的保证。

3 高架桥方案比选

3.1 上部结构标准梁

3.1.1 设计方案

梁部结构设计应构造简单，便于施工架设。目前轨道交通高架桥中常用的截面形式主要有单箱单室箱梁、组合箱梁、U梁等几种形式。根据以上分析，该线初步确定以下几个方案进行比选。

3.1.1.1 30 m跨度，单线U梁并置方案

（1）方案简述：桥梁上部结构采用两片单线U梁并置形式，U梁高1.8 m，梁体内，断面如图1所示。图2为其效果图。

图1 单线U梁并置断面图（单位：mm）

图2 单线U梁并置效果图

（2）方案优点：

a.建筑高度低，U型梁比箱梁建筑高度低1.5 m左右，有利于上跨立交。

b.结构受力需要的主梁上翼缘可兼做检修及旅客紧急疏散通道，下部空间可布置通信、信号、电力电缆等管线，截面利用率高。

c.采用分片预制，对吊装设备起吊能力要求低，可采用小型架桥机桥上运架，也可采用桥下运输、整孔吊装的架设方法，运架方式灵活。

d.降噪效果好：对比其他箱形梁，U梁腹板具有阻隔轮轨噪音的作用，U梁没有列车振动引起的箱梁体内的混响噪音。

e.U梁为开口断面，方便后期维修检查。

（3）方案缺点：

a.横向刚度相对较弱，动力特性稍差，但仍可满足规范要求。

b.在渡线区段及较大跨度节点桥处，需转换梁型。

c.墩顶盖梁横向尺寸较大，需施加预应力。

3.1.1.2 30 m跨度，组合箱梁方案

（1）方案简述：桥梁上部结构采用组合箱梁截面形式，箱梁高1.8m，箱梁腹板采用斜腹板，组合箱梁断面如图3所示，图4为其效果图。

图4 组合箱梁效果图

（2）方案优点：

a.组合箱梁，受力清晰，施工工艺成熟。

b.采用分片预制，对吊装设备起吊能力要求低，可采用小型架桥机桥上运架，也可采用桥下运输、整孔吊装的架设方法，运架方式灵活。

（3）方案缺点：

a.结构整体刚度较弱，行车动力条件稍差。

b.受跨越能力限制，跨越较大的城市道路及河流处又要变为整体箱梁。

c.后期桥面板、横隔板的浇筑工作量较大。

d.桥面设置挡板及声屏障后，体量较大，侧向视野阻挡较严重。

e.梁高较低，箱梁内部空间狭窄，不方便后期的维修检查。

3.1.1.3 30 m跨度，单箱单室箱梁方案

（1）方案简述：桥梁上部结构采用单箱单室箱梁截面形式，梁高1.8 m，箱梁腹板采用斜腹板，单箱单室箱梁断面如图5所示。图6为其效果图。

图5 单箱单室箱梁断面图（单位：mm）

图6 单箱单室箱梁效果图

（2）方案优点：

a.单箱单室箱梁截面结构整体性好，刚度大，徐变上拱小，结构动力性能好。

b.跨越能力强，适应跨路口的需要。

c.适应性好，可方便地用于区间曲线、渡线段。

（3）方案缺点：

a.梁体自重较大，对运架设备的要求较高。

b.桥面设置挡板及声屏障后，体量较大，侧向视野阻挡较严重。

c.梁高较低，箱梁内部空间狭窄，不方便后期的维修检查。

3.1.2 经济指标比选（见表1）

表1 30 m梁主要经济指标对比表

通过经济指标比选可以看出，单线U梁并置方案材料用料较省，经济指标较低。

3.1.3 综合比选（见表2）

表2 桥梁断面综合比较表

3.1.4 结论

经综合分析，以上三个方案各有优缺点，均为可行方案。考虑到青岛13号线线路沿线的区域规划、周边环境，建议在高架区间采用景观效果好，降噪明显的单线U梁并置方案。

3.2 下部结构设计方案

3.2.1 设计构思

桥墩作为高架桥梁的承重结构，是高架桥梁的重要组成部分，对于城市轨道交通桥梁，由于所处位置的特殊和大范围连续布置，使得其极易进入人们的视线，成为关注的重点。

随着对城市景观要求的不断提高，桥墩形式的选择是影响高架桥梁设计成败的一个关键因素，除考虑轨道交通结构自身受力特点外，更要从景观及视觉上加以着重考虑，应通过研究比较，使采用的墩形与周边景观及上部结构协调统一，在满足功能的前提下，尽量减小对周边道路的影响。另一方面，桥墩又要很好地表达其自身的承载力线，给人看后有一种和谐自然、安全稳健的效果。

3.2.2 墩型选择的原则

（1）高架桥梁墩型的选择必须满足上部结构受力要求，即满足结构本身强度、刚度和稳定性。

（2）要配合地面道路交通现状和远期规划的情况，尽可能地为道路改扩建预留条件。

（3）要与上部结构及周边环境和谐统一，并要注重人文景观的特点。

3.2.3 桥墩设计方案

由于区间标准梁确定采用双线U梁并置方案，同时考虑减小对管线的影响，宜采用独柱墩。该项目的设计主要构思以下几种墩型方案。

图7为桥墩方案图。

方案一采用矩形截面墩柱，墩顶采用“Y”形，其优点是墩顶盖梁为钢筋混凝土结构，减少了预应力钢束张拉，施工简单，施工速度快。缺点是墩高的适应性较差，桥墩较低时效果差，矩形截面与上部U梁流线型外观匹配性差。

方案二、方案三、方案四从整体上看都为T形墩，但是墩柱截面形式各有不同，方案二矩形截面墩柱线条流畅，棱角分明，受力较好，但矩形截面与上部U梁流线型外观匹配性差。方案三圆形截面及方案四圆端形截面墩柱与上部流线形外观协调性好，建成后整体景观效果好。方案一、二、四同时考虑了泄水管安装空间，方案三需要将泄水管敷设到桥墩外侧，建成后景观效果略差。故此次设计推荐采用方案四，墩柱采用圆端形截面，在直线段预留安装泄水管的凹槽。

图7 桥墩方案图

4 结语

预应力混凝土U梁是一种下承式桥梁结构形式，与箱梁、T梁、板梁相比，U梁具有有效建筑高度低、降噪效果好、断面空间利用率高、能阻止车辆出轨及倾覆下落等优点，同时根据结构特点，U梁的有效建筑高度主要与其横向跨度有关，而与纵向跨度关系不大，因而，在跨度加大条件下更能体现其综合优势，产生更加显著的技术经济效益和社会效益。

预应力混凝土U梁在国内的发展长期以来受到制约，其主要原因是国内对U梁的理论分析、构造措施及施工工艺缺乏深入和全面的分析研究、缺乏实际运用经验。通过青岛13号线轨道交通工程，分析了预制薄壁U梁结构方案的优缺点，经过技术、经济、景观等多方面比选，为以后U梁在轨道交通工程和公路、市政工程的应用积累了宝贵的经验。

U233

B

1009-7716（2017）08-0102-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.032

2017-04-20

张鲁明（1982-），男，山东青岛人，硕士，工程师，从事市政轨道交通设计工作。